基于Network Simulator 的“无线传感器网络”实践教学研究

郭倩倩

（天津财经大学珠江学院，天津 301811）

0 引言

无线传感器网络课程涉及多领域的前沿技术,同时具有较强的应用性。 因此对于该门课程的教学内容和教学方法需要结合新技术与新需求持续更新迭代。通过对该课程的课堂教学经验发现,如果学生在课上被灌输了理论和抽象的专业知识,学生很难消化整节课的内容。 而基于我校现阶段的实验室建设实际情况,构建实际的无线传感器网络性能测试系统是不现实的。 模拟仿真教学则以其高效率、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势得到越来越多的应用和推广。 使用仿真软件这种教学方法生动形象,接近现实工作场景,有利于提高学生学习兴趣,使学生在短时间内进入实际应用场景,真实的体验在现实生活中进行操作的感觉,以达到更快掌握操作技能的目的。 所以无线传感器网络课程可以应用软件仿真辅助理论教学解决现阶段问题［1-3］。

1 “无线传感器网络”课程特点分析

1.1 理论知识晦涩难懂

无线传感器网络系统架构有三大部分组成,分别为传感网络、汇聚结点和管理节点。 传感网络主要完成环境信息的检测和控制,汇集结点完成传感网的数据和管理中心的互联,主要完成数据融合,协议转换等,管理节点实现传感网的管理和控制命令操作。 其中涉及的各种协议基本思想、工作原理和关键技术等内容比较难以理解,使得学生无法理解网络的工作场景、工作原理、工作过程,从而对所学内容一知半解［4］。

1.2 实践辅助理论内容

通过3 年的无线传感器网络原理授课经验,此门课程理论课时与实践课时比例是2 ∶1,必须使用实践辅助理论内容教学才能使学生对理论内容有更深的理解。 实践部分使用的软件是Matlab,而使用Matlab 对无线传感器网络仿真不能直观看出网络的各个组成部分及整体工作流程,对帮助学生更加直观理解理论内容意义不大。

2 结合关键技术的“无线传感器网络”教学

在了解“无线传感器网络”的系统架构基础上,结合网络的时间同步技术、节点定位技术、无线通信技术和数据融合等若干关键技术,从网络协议模块的组成、体系结构、关键技术等方面进行讲解。 并利用仿真软件设计可视化方案融合于理论教学之中,增强学生对于无线传感器网络中各层协议和关键技术的理解,使学生熟悉无线传感器网络运行的基本原理。 同时学生能够熟练使用网络仿真软件,培养了学生的实践动手能力。

2.1 翻转课堂培养学生高阶思维

高阶思维是指发生在较高认知水平层次上的心智活动或认知能力,它在教学目标分类中表现为分析问题,评价和创造能力。 传统的结构化授课只能培养学生的低阶思维能力,对高阶思维能力培养效果不好。“无线传感器网络”的前续课程有“计算机网络”,两种类型的网络在分层体系结构上有相似之处,学生有一定的基础,在“无线传感器网络”教学中融入翻转课堂,让学生将自己理解的内容讲给其他同学,这样可以培养学生的分析问题等高阶思维能力。 在教学环节设置上,理论内容结合实验激发学生的学习主动性和兴趣,对无线传感器网络的分层体系结构、关键技术和通信标准等模块进行分组研讨,组与组之间设置低分淘汰机制,使学生积极参与学习［9-12］。

2.2 案例驱动教学

“无线传感器网络”分层体系结构的物理层、数据链路层、网络层、传输层等涉及众多因应用不同而设计不同的协议,每一层选择一个到两个典型的协议,网上搜寻或者设计案例,通过案例进行驱动教学。 将案例布置给不同的学习小组,若同一网络场景则给不同小组设置不同的网络参数进行仿真。 得到仿真结果后,引导学生修改网络拓扑结构,修改网络参数,让学生记录不同的仿真运行结果。 使学生通过自己对网络的仿真深刻理解不同参数和不同拓扑结构对网络各项性能的影响。 每一个案例设计时需要扎根于生活,结合生活中的实例,只有贴合生活的案例才能使学生对于理论知识理解得更透彻。

2.3 结合理论设计仿真案例

对“无线传感器网络”中分层体系结构各层协议和包括时钟同步技术、节点定位技术和数据融合技术等关键技术的对应仿真实验,需要在掌握一定的无线网络通信基本理论基础上,理解无线传感器网络构架和协议标准,清楚无线传感器网络的具体应用。 仿真具体内容应涵盖无线传感器网络体系结构、无线传感器网络数据链路层、无线传感器网络网络层、无线个域网。

对于无线传感器网络数据链路层来说,研究的主要内容就是MAC 和差错控制。 怎样实现无线传感器网络中无线信道的共享,即介质访问控制协议(MAC)的实现是无线传感器网络数据链路层研究的一个重点,MAC 协议的好坏直接影响网络的性能优劣。 数据链路层采用的协议主要有两种类型,一种是基于竞争型的MAC 协议,包括SMAC、TMAC 等；一种是基于分配型的MAC 协议,包括SMACS、TRAMA 等。 针对数据链路层,设计典型的基于竞争型和基于分配型的协议进行仿真案例设计。

对于无线传感器网络网络层来说,路由协议主要用于确定网络中的路由,实现节点间的通信。 但是由于受节点能量和最大通信范围的限制,两个节点之间往往不能直接进行数据交换,而需要以多跳的形式进行数据的传输。 无线传感器的网络层就主要负责多跳路由的发现和维护,这一层的路由协议主要包括两个方面,一方面是路由的选择,即寻找一条从源节点到目的节点的最优路径；另一方面路由的维护,即保证数据能够沿着这条最优路径进行数据的转发。 较为常用的路由协议有基于数据的路由协议、基于集群结构的路由协议和基于地理位置的路由协议。 典型的基于数据的路由协议包括SPIN 协议、定向扩散协议(DD)；基于集群结构的路由协议包括LEACH 协议、TEEN 协议等；基于地理位置的路由协议包括GAF 协议、GEAR 路由协议等。 选择这些典型协议设计仿真案例。

对于无线个域网,IEEE 802.15.4 网络又称为低速无线个人局域网(LR WPAN)网络,在这个网络中,根据设备所具有的通信能力和硬件条件,可以将它分为全功能设备和精简功能设备,IEEE 802.15.4 技术的出现推动了它在工业、农业、军事、医疗等专业领域的应用；ZigBee 技术是一种面向自动化和无线控制的价格低廉、能耗小的无线网络协议。 ZigBee 技术建立在IEEE 802.15.4 协议之上,根据ZigBee 联盟的规范,ZigBee 在IEEE 802.15.4 的基础上扩展了网络层和应用层。 针对无线个域网,设置IEEE 802.15.4 和ZigBee两个典型仿真实验。 表1 为对于无线传感器网络各项关键技术的仿真内容。

表1 网络仿真内容

3 “无线传感器网络”仿真软件

3.1 仿真软件选取

在仿真软件选取上,国外现阶段主要的网络仿真软件有OPNET、Network Simulator 和GloMoSim 等。 网络仿真软件可以开发或者评价新的网络协议,也可以进行网络规划设计。 仿真软件能够根据实际情况建立模型,修改模型,可以预测网络性能、容量规划、故障分析、端到端性能分析、指导新网络建设等。 不同的网络仿真软件有不同的特点。 表2 是各仿真软件的优缺点比较。

表2 仿真软件比较

Network Simulator 和GloMoSim 两款仿真软件由于免费并且开源所以在学术界应用比较广泛。 OPENET是一款商业仿真软件,虽然仿真速度比较快,但是下载使用费用高,不适合作为学校的教学仿真软件。Network Simulator 非常适合传输层以上仿真,当仿真节点数比较多时仿真速度会变慢。 在对比国内外各种网络仿真软件后,结合我校硬件环境和学生自身特点,选择Network Simulator 对课程中的若干协议及关键技术进行仿真［12-14］。

3.2 Network Simulator 仿真流程

采用Network Simulator version 2 进行无线网络仿真的具体流程如图1 所示。

图1 Network Simulator version 2 仿真流程

仿真过程的重点是创建编写Tcl/OTcl 程序,一般经过4 个步骤,选择或开发相应模块；编写仿真脚本(生成节点、安装网络设备、安装协议栈、安装应用层协议、其他配置)启动仿真；仿真结果(网络场景或网络数据)分析。

仿真内容采用分组分方案进行。 具体操作如下:选择计算机网络成绩较好的6 名同学为6 个小组的组长,其他学生随机组合分配到6 个小组,确保每个小组的仿真内容和数据各不相同,使得组内学生互相监督完成实验,组间实验内容差异化,这样也有利于学生之间的相互协作。

4 结语

将仿真软件Network Simulator 融入理论课程中,通过NS2 提供的动画演示,构建更加接近现实工作场景的教学情境,根据每一章节理论内容,搜集案例和设计对口项目,并在模拟仿真软件中实现,使学生们直观形象地掌握各种无线网络技术的原理和功能,让学生深刻理解无线传感器网络各层协议工作过程及原理。 以更宽的视野来解读物联网专业,使物联网工程专业与社会发展、市场规律、管理模式等紧密结合起来,获得良好的教学效果。