Оптимизация работы маломощной беспроводной сенсорной сети на базе её имитационной модели

• Автор: Трифонов, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 102 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Цели и задачи работы
Научная новизна
Научная и практическая ценность
Соответствие специальности 05.13.
ГЛАВА 1. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕТИ
1.1. Беспроводные сенсорные сети
1.2. Обзор и сравнение беспроводных технологий
ГЛАВА 2. СТЕК ПРОТОКОЛОВ гЮВЕЕЛЕЕЕ 802.15.
2.1. Основные характеристики ^щВее
2.2. Принцип работы протокола канального уровня
2.3. Протокол сетевого уровня
ГЛАВА 3. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ
3.1. Имитационное моделирование
3.2. Классификация имитационных моделей
3.3. Дискретно-событийное моделирование
3.4. Моделирование сетей связи
3.5. Особенности моделей беспроводных сетей
ГЛАВА 4. СЕТЕВОЙ СИМУЛЯТОР N
4.1. Архитектура симулятора
4.2. Принцип работы ядра пб-
4.3. Протоколы и трафик
4.4. Моделирование ZigBee в пэ-
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ОПТИМИЗАЦИОННЫХ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ СЕТИ гЮВЕЕ
5.1. Постановка задачи оптимизации
5.2. Задача минимизации энергопотребления
5.3. Задача минимизации времени доставки сообщений координатору

ГЛАВА 6. ПОСТАНОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
ЭКСПЕРИМЕНТОВ
6.1. Работы выполненные для подготовки и проведения натурных
экспериментов
6.2. Работы выполненные для подготовки и проведения вычислительных
экспериментов
ГЛАВА 7. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
7.1. Анализ результатов натурных экспериментов
7.2. Анализ результатов численных экспериментов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ АББРЕВИАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. КОД СЦЕНАРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА..

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Для изучения протоколов передачи данных в компьютерных сетях широко используется метод дискретно-событийного имитационного моделирования, позволяющий представить процесс функционирования системы как последовательность событий. Каждое событие происходит в определенный момент времени и может изменять состояние системы. Сегодня для решения задач дискретно-событийного имитационного моделирования сетей связи существует достаточно широкий спектр программных средств: от библиотек функций для стандартных компиляторов до специализированных языков программирования.
Однако имитационное моделирование не может учесть всех аспектов реальной моделируемой системы. Всегда вводятся предположения, позволяющие упростить и, как следствие, ускорить вычислительный расчёт. Но интуитивно понять, какие предположения не повлекут за собой расхождения модели и реальной системы, сложно. Поэтому в данной работе для проверки модели используется стендовое моделирование. Это экспериментирование с небольшой, но реальной системой, позволяющее учесть все аспекты взаимодействия её частей и влияние внешних факторов. После получения результатов такого эксперимента появляется задача их масштабирования и последующего прогнозирования поведения систем больших размеров, а также оптимизации характеристик системы по одному или нескольким параметрам. Для решения этой задачи в данной работе используется открытый пакет программ — дискретно-событийный сетевой симулятор ns-2 [47].
В работе рассматриваются беспроводные сети, для которых характерно
сверхнизкое энергопотребление и большое количество миниатюрных устройств,
обменивающихся относительно небольшим количеством информации.
Существующие протоколы беспроводной связи, такие как Bluetooth и Wi-Fi, не
учитывают эту специфику рассматриваемых сетей. Например, энергопотребление
протокола Wi-Fi слишком велико, а попытка обеспечить универсальность протокола
Bluetooth привела к его усложнению и неприменимости к широкому кругу задач,

процессе моделирования. Всё это нередко приводит и к большим затратам машинного времени.
Глава 4. Сетевой симулятор ns-2 4.1. Архитектура симулятора
Ns-2 является объектно-ориентированным программным обеспечением [47], ядро которого реализовано на языке C++. Язык скриптов (сценариев) OTcl (Object-oriented Tool Command Language) используется в качестве интерпретатора. Ns-2 полностью поддерживает иерархию классов C++ (называемую в терминах ns-2 компилируемой иерархией) и подобную иерархию классов интерпретатора OTcl (называемую интерпретируемой иерархией). Обе иерархии обладают идентичной структурой, т.е. существует однозначное соответствие между классом одной иерархии и таким же классом другой. [11]
Использование двух языков программирования в ns-2 объясняется следующими причинами [25]. С одной стороны, для детального моделирования протоколов необходимо использовать системный язык программирования, обеспечивающий высокую скорость выполнения и способный манипулировать достаточно большими объемами данных. С другой стороны, для удобства пользователя и быстроты реализации и модификации различных сценариев моделирования привлекательнее использовать язык программирования более высокого уровня абстракции. Такой подход является компромиссом между удобством использования и скоростью. В ns-2 в качестве системного языка используется C++, позволяющий обеспечить:
• высокую производительность;
• работу с пакетам потока на низком уровне абстракции модели;
• модификацию ядра ns2 с целью поддержки новых функций и протоколов.
В качестве языка программирования высокого уровня абстракции используется язык скриптов OTcl, позволяющий обеспечить ряд положительных