專利名稱：支持無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種支持無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的裝置及方法，用于準確描述不同建模復(fù)雜度下的無線傳感網(wǎng)性能以及節(jié)點調(diào)試信息，屬于無線傳感網(wǎng)仿真和系統(tǒng)建模技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Networks, WSN)以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了一場信息感知革命。在繼互聯(lián)網(wǎng)之后，物聯(lián)網(wǎng)正在凸顯其所具有的革命性意義，而無線傳感網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的重要支撐技術(shù)，其可以完成物理世界信息的智能采集和可靠傳輸，但無線傳感網(wǎng)的高可靠、高能效運行是將其真正廣泛應(yīng)用的前提和挑戰(zhàn)。相關(guān)技術(shù)的研究需要有效的仿真平臺，支持大規(guī)模分簇無線傳感網(wǎng)的模擬以驗證技術(shù)的有效性；同時，對實現(xiàn)了相關(guān)技術(shù)的傳感器節(jié)點進行嵌入式軟件的調(diào)試也需要有效的測試平臺， 以支持節(jié)點和平臺模型集成模擬網(wǎng)絡(luò)，在相對真實的物理環(huán)境下運行以跟蹤節(jié)點的工作數(shù)據(jù)，并模擬網(wǎng)絡(luò)的運行狀況。目前，無線傳感網(wǎng)的研究平臺大致分為以下3種一、數(shù)學分析工具，其僅對模型驗證有效，無法模擬整個網(wǎng)絡(luò)的運行。二、系統(tǒng)測試平臺，其能夠獲取真實網(wǎng)絡(luò)的運行參數(shù)，準確分析相關(guān)技術(shù)的有效性；，但是成本較高，可擴展性弱，還需要額外的數(shù)據(jù)處理平臺。三、仿真平臺，其在對無線傳感網(wǎng)進行系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，模擬節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)的工作過程，并集成數(shù)據(jù)存儲、分析功能，驗證相關(guān)技術(shù)的有效性，雖然其可信度與建模深度有關(guān)， 但是能夠方便對各種相關(guān)技術(shù)進行分析。鑒于上述，仿真平臺的設(shè)計和實現(xiàn)一直是無線傳感網(wǎng)技術(shù)研究的熱點和難點。例如，申請?zhí)枮?01010100830. 3的中國專利申請?zhí)峁┝?“一種無線傳感網(wǎng)仿真系統(tǒng)”，其包括多個組成單元，并建立了能量模型，支持仿真無線傳感網(wǎng)的通信協(xié)議以及各種應(yīng)用，統(tǒng)計各個傳感器節(jié)點的能耗，客觀實際地為研究方案提供參考性的技術(shù)指標。但是該申請?zhí)岢龅姆抡嫦到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)沒有與傳感器節(jié)點、傳感器網(wǎng)絡(luò)的相映射，在仿真不同技術(shù)時， 系統(tǒng)的可擴展性較弱。所有業(yè)務(wù)的完成，包括仿真初始化、事件調(diào)度等，都需要存取數(shù)據(jù)庫， 仿真的規(guī)模會受限。申請?zhí)枮?00810115664.7的中國專利申請?zhí)峁┝艘环N“網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)的仿真方法及其裝置”，該裝置包括服務(wù)端設(shè)備、現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable (iateArray，簡稱FPGA)的網(wǎng)絡(luò)仿真設(shè)備以及若干個傳感器節(jié)點，能夠?qū)崿F(xiàn)半實物的網(wǎng)絡(luò)仿真。但是該申請中的節(jié)點是通過有線方式連接到仿真平臺的，所以仿真規(guī)模受限于仿真平臺接口 ；另外，節(jié)點集成在仿真系統(tǒng)中，雖然能夠完成節(jié)點的功能測試，但是信道模型是由 FPGA模擬的，因此仿真的并行化程度不高。申請?zhí)枮?00710045602.9的中國專利申請?zhí)峁┝艘环N“基于無線傳感網(wǎng)體系下的信息融合系統(tǒng)性能測試床”，該測試床采用了模塊化機制，通過無線仿真模塊提供高保真度的無線傳感網(wǎng)環(huán)境，并在傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點掛載信息融合模塊，實現(xiàn)信息融合系統(tǒng)的測試；性能評估模塊定量計算各項評價指標。該申請主要針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信息融合系統(tǒng)提供了評價和測試的方法和裝置，但未支持無線傳感網(wǎng)其他相關(guān)技術(shù)的研究，傳感器節(jié)點描述沒有涵蓋其主要的資源和任務(wù)。綜上，現(xiàn)有的仿真平臺存在多項缺陷，例如隨著網(wǎng)絡(luò)建模深度、網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)模的增加，仿真平臺的計算復(fù)雜度提高；仿真的結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用偏差較遠，無法調(diào)試節(jié)點的嵌入式程序。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種支持無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的裝置及適用于該裝置的支持無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題， 為無線傳感網(wǎng)技術(shù)研究提供一種可擴展、靈活配置的平臺。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供的支持無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的裝置包括多個傳感器節(jié)點、模擬分簇傳感網(wǎng)、并行事件調(diào)度器和數(shù)據(jù)處理平臺；所述多個傳感器節(jié)點用于傳輸工作參數(shù)、映射為描述實際節(jié)點的資源和任務(wù)并反映節(jié)點功能的虛擬節(jié)點、實現(xiàn)在線調(diào)試；并集成至所述模擬分簇傳感網(wǎng)，以跟蹤節(jié)點在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中的工作過程， 為節(jié)點的實際部署提供測試數(shù)據(jù)；所述模擬分簇傳感網(wǎng)用于建立模型、支持網(wǎng)絡(luò)的管理，以及在仿真中集成一個模擬特定應(yīng)用的無線傳感網(wǎng)、支持所述傳感器節(jié)點的在線軟件調(diào)試、 支持模擬實際傳感器網(wǎng)絡(luò)的真實性能分析；所述并行事件調(diào)度器與所述模擬分簇傳感網(wǎng)通訊連接，用于針對多核計算機完成多線程規(guī)劃、并行執(zhí)行仿真事件、維護全局的事件隊列； 所述數(shù)據(jù)處理平臺與所述模擬分簇傳感網(wǎng)通訊連接，用于接收、存儲、分析和顯示數(shù)據(jù)，以完成并行仿真網(wǎng)絡(luò)的性能分析以及實物模擬網(wǎng)絡(luò)的在線調(diào)試和測試。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供的適用于上述裝置的無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的方法包括以下步驟根據(jù)無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用需求建立無線傳感器節(jié)點；實現(xiàn)事件執(zhí)行時間的建模，并將時間模型的關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中；判斷研究方式，如果采用仿真方式，按照分層模塊化建立虛擬節(jié)點；如果采用實物模擬方式，按照支持實物模擬與仿真相融合建立簡化的虛擬節(jié)點，實現(xiàn)與實物無線傳感器節(jié)點的映射，并建立無線傳感器節(jié)點與虛擬節(jié)點之間的通訊連接；按照應(yīng)用需求建立模擬分簇傳感網(wǎng)；事件調(diào)度器控制模擬分簇傳感網(wǎng)進行并行仿真或?qū)嵨锬M；將模擬分簇傳感網(wǎng)執(zhí)行過程的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理平臺，并完成數(shù)據(jù)的存儲和分析。本發(fā)明通過參數(shù)設(shè)置、派生對象的開發(fā)，建立應(yīng)用相關(guān)的模擬網(wǎng)絡(luò)，對實現(xiàn)高可靠、高能效無線傳感網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)的有效性進行仿真數(shù)據(jù)分析，并對實際節(jié)點的功能進行在線測試。本發(fā)明可以針對大規(guī)模無線傳感網(wǎng)下的技術(shù)研究，以及無線傳感器節(jié)點的嵌入式系統(tǒng)研究提供并行仿真以及實物模擬，以準確描述不同建模復(fù)雜度下的無線傳感網(wǎng)性能以及節(jié)點調(diào)試信息。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明裝置優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置實施例中傳感器節(jié)點映射的虛擬節(jié)點的分層架構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明方法優(yōu)選實施例的流程圖；圖4是本發(fā)明方法優(yōu)選實施例中事件執(zhí)行時間建模實現(xiàn)示意圖；圖5是本發(fā)明方法優(yōu)選實施例中實物節(jié)點集成到仿真平臺實現(xiàn)實物模擬的方法示意圖；圖6是本發(fā)明方法優(yōu)選實施例中虛擬節(jié)點支持實物模擬的映射方法說明圖；圖7是本發(fā)明方法優(yōu)選實施例中帶時間域的事件并行執(zhí)行的算法示意圖；圖8是本發(fā)明方法優(yōu)選實施例中并行事件主動下發(fā)、優(yōu)化調(diào)度的過程示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明的附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例， 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的仿真平臺計算復(fù)雜度提高、仿真的結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用偏差較遠、無法調(diào)試節(jié)點的嵌入式程序等諸多問題，本發(fā)明提供一種支持無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的裝置及適用于該裝置的支持無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的方法。圖1是本發(fā)明裝置優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，仿真模擬裝置包括傳感器節(jié)點101、模擬分簇傳感網(wǎng)103、并行事件調(diào)度器104和數(shù)據(jù)處理平臺105，其中傳感器節(jié)點101映射為仿真虛擬節(jié)點102。傳感器節(jié)點101是裝載了嵌入式軟件的實物節(jié)點，通過有線無線方式與模擬分簇傳感網(wǎng)103連接，并映射為虛擬節(jié)點102;按照參數(shù)配置，傳感器節(jié)點101會發(fā)送運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)在線調(diào)試，以及跟蹤節(jié)點在模擬現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中的工作過程。仿真虛擬節(jié)點102是用分層結(jié)構(gòu)建立的軟件模塊，采用了組合組件形式，可以選擇定制其組成功能組件，準確地描述實際節(jié)點的資源、任務(wù)，模擬節(jié)點功能。模擬分簇傳感網(wǎng)103負責實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理模塊1031，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)屬性、組建傳感網(wǎng)，以方便研究相關(guān)技術(shù)對無線傳感網(wǎng)絡(luò)性能影響的有效性；負責建立應(yīng)用環(huán)境相關(guān)的無線信道 1032和傳感通道1033兩種模型，以準確地跟蹤網(wǎng)絡(luò)的運行。管理模塊1031支持網(wǎng)絡(luò)的自生成和自維護，包括實現(xiàn)拓撲管理模塊10311、同步管理模塊10312、連接管理模塊10313、 安全管理模塊10314和信息記錄管理模塊10315等以負責相應(yīng)的功能。在網(wǎng)絡(luò)仿真中，虛擬節(jié)點102以模擬分簇傳感網(wǎng)103的內(nèi)嵌模塊形式，或者以數(shù)據(jù)通訊收取傳感器節(jié)點101實際運行數(shù)據(jù)的形式，模擬傳感器節(jié)點101的功能，并通過消息傳遞機制與傳感通道1033配合，模擬完成物理參數(shù)的采集；與無線信道1032和傳感物理信道1033有機結(jié)合，模擬分簇傳感網(wǎng)絡(luò)的運行過程，支持傳感器節(jié)點101的在線軟件調(diào)試，以及實際網(wǎng)絡(luò)的真實性能分析。并行事件調(diào)度器或者說事件調(diào)度器104負責針對多核計算機完成多線程規(guī)劃，并
6行執(zhí)行仿真事件，以支持大規(guī)模的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的仿真。每個事件E都以元組形式描述，如 E = {IDi，F(xiàn)U, RU, Tstart, Tend}。ID是事件序號，F(xiàn)U定義事件相關(guān)的功能部件，即執(zhí)行事件的組件標識；RU是事件執(zhí)行中會使用的資源組件，Tstart是事件起始時間，Tend是事件結(jié)束時間。事件調(diào)度器104負責維護全局的事件隊列，每個事件都具有五元組屬性，隊列按照Tstart升序排列的。事件調(diào)度器104依次查詢事件隊列中的當前事件，并判斷可并行性； 如果可并行，就將事件下發(fā)給其他處理器執(zhí)行，而事件調(diào)度器繼續(xù)分析處理隨后的事件。數(shù)據(jù)處理平臺105負責接收、存儲、分析和顯示節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的運行狀況，包括節(jié)點采樣數(shù)據(jù)、節(jié)點調(diào)試數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)運行數(shù)據(jù)等，以完成并行仿真網(wǎng)絡(luò)的性能分析，以及實物模擬網(wǎng)絡(luò)的在線調(diào)試和測試。數(shù)據(jù)處理平臺105包括數(shù)據(jù)通訊模塊1051，數(shù)據(jù)存儲模塊1052， 數(shù)據(jù)分析模塊1053和數(shù)據(jù)庫IOM組成。數(shù)據(jù)通訊模塊1051負責與模擬分簇傳感網(wǎng)103 通訊，接收各種運行數(shù)據(jù)，并按照類型完成數(shù)據(jù)格式化；數(shù)據(jù)存儲模塊1052可以web服務(wù)方式提供數(shù)據(jù)庫IOM的各種操作數(shù)據(jù)庫連接，數(shù)據(jù)庫表和記錄的增、刪、改等操作；數(shù)據(jù)庫 IOM存放網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)運行相關(guān)的所有數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析模塊IOM可以是圖形化的組件模塊，為使用者提供了良好的運行界面，利用豐富的界面元素，支持配置網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)運行性能分析和節(jié)點功能跟蹤。圖2是虛擬節(jié)點102的分層架構(gòu)示意圖。仿真虛擬節(jié)點102用來模擬傳感器節(jié)點 101的工作過程，可用程序代碼以組件形式實現(xiàn)模擬，或與實物節(jié)點映射，以收取實物節(jié)點運行的狀態(tài)信息的形式實現(xiàn)模擬。仿真虛擬節(jié)點102采用了分層架構(gòu)，方便實現(xiàn)不同模擬形式和應(yīng)用功能的切換；按照節(jié)點的硬軟件功能，建立了三層架構(gòu)的仿真虛擬節(jié)點，分別為節(jié)點任務(wù)層201、管理層202和資源層203。虛擬節(jié)點102的資源層203負責對節(jié)點的硬件資源建立模型，描述硬件資源的狀態(tài)變化以及能量消耗。常用的硬件部件包括供電模塊(通常為電池模塊2031)、存儲單元 2032、中央處理單元CPU2033、多個傳感接口 2034、多個射頻模塊2035。其中電池模塊2031 提供了電池放電的模型，并記錄電池電量隨著其他資源部件的工作狀態(tài)變化的情況。射頻模塊2035實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，發(fā)送信號會按照無線信道1032定義的時變模型衰減，并通過無線信道1032傳送給目標節(jié)點的射頻模塊2035。傳感接口 2034向傳感物理通道1033 發(fā)送采樣消息，根據(jù)傳感物理通道1033定義的模型模擬物理信息的采集，并獲取采樣數(shù)據(jù)的特征。虛擬節(jié)點102的管理層202負責協(xié)調(diào)節(jié)點中的各個組件的工作，配合完成指定的應(yīng)用任務(wù)。管理層202用于資源管理2021、移動管理2022、數(shù)據(jù)融合管理2033。資源管理 2021可以提供公告板功能，節(jié)點中的各個組件可以向公告板注冊能響應(yīng)的消息類型；當組件發(fā)送特定消息到公告板后，會被轉(zhuǎn)發(fā)給定制該信息的組件，完成消息響應(yīng)操作。公告板模式為不同任務(wù)使用資源提供統(tǒng)一的接口。移動管理2022定義多種移動模型，支持節(jié)點按照移動模型定時移動位置，并通知圖1中的連接管理模塊10313，根據(jù)節(jié)點射頻模塊2035的覆蓋范圍屬性重新建立網(wǎng)絡(luò)的連接、更新拓撲。數(shù)據(jù)融合2023建立數(shù)據(jù)融合模型，為相關(guān)應(yīng)用提供融合策略。虛擬節(jié)點102的節(jié)點任務(wù)層201負責定義節(jié)點功能，模擬實物節(jié)點的工作流程。 應(yīng)用層2011完成應(yīng)用相關(guān)的各項任務(wù)功能，可分解為數(shù)據(jù)傳輸20111、采樣20112和計算 20113的組合。數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)時，應(yīng)用層會將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送給路由層2012、MAC層2013、物理層2014，并通知射頻模塊2035完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；同時無線信道1032傳遞來的信號由節(jié)點的射頻模塊2035接收，并依次上傳到應(yīng)用層2011。數(shù)據(jù)采樣時，應(yīng)用層2011會通知采樣驅(qū)動2015，完成一次物理信息的采集，采樣驅(qū)動2015通知傳感接口 2034完成數(shù)據(jù)采集，并將采樣數(shù)據(jù)的特征發(fā)送給應(yīng)用層2011。計算主要是處理或存儲采樣數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)以及節(jié)點運行過程的狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此在計算時，應(yīng)用層2011會發(fā)消息給數(shù)據(jù)處理存儲 2016，完成數(shù)據(jù)計算，并由數(shù)據(jù)處理存儲2016通知CPU 2033和存儲單元2032，完成狀態(tài)變化。圖3是本發(fā)明方法優(yōu)選實施例中動態(tài)集中式并行調(diào)度方法的執(zhí)行流程圖，展示了大規(guī)模無線傳感網(wǎng)的仿真或模擬的整個操作過程，包括但不限于以下步驟步驟301中，根據(jù)無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用需求建立無線傳感器節(jié)點101，例如設(shè)計開發(fā)各無線傳感器101的嵌入式軟件、配置無線傳感器101的相關(guān)運行參數(shù)等。步驟302中，采用定義靜態(tài)最小時間以及動態(tài)運行時間修正值的方法實現(xiàn)事件執(zhí)行時間建模。事件執(zhí)行時間建模的方法可以參照圖4的詳細說明。步驟303中，按照事件類型將靜態(tài)最小時間和運行修正關(guān)鍵值記錄在數(shù)據(jù)庫IOM 的數(shù)據(jù)表中，支持在并行調(diào)度仿真事件過程中計算事件的執(zhí)行時間。步驟304中，判斷研究的方式，如果采用仿真方式，就執(zhí)行步驟3051，按照分層模塊化方法建立虛擬節(jié)點102，虛擬節(jié)點的分層架構(gòu)如圖2所示；如果采用實物模擬方式，就執(zhí)行步驟3052，采用支持實物模擬與仿真相融合的方法，建立簡化的虛擬節(jié)點，實現(xiàn)與實物無線傳感器節(jié)點的映射；接著執(zhí)行步驟3053，建立實物無線傳感器節(jié)點101與虛擬節(jié)點之間的通訊連接。其中，將實物節(jié)點映射為虛擬節(jié)點的方法參照圖5-6的詳細說明。步驟306中，按照應(yīng)用需求建立模擬分簇傳感網(wǎng)103，例如，定義網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、 信道模型和傳感模型等。步驟307中，模擬仿真無線傳感網(wǎng)的工作過程，作為核心控制部件的事件調(diào)度器 104采用動態(tài)集中式并行事件調(diào)度方法，控制模擬分簇傳感網(wǎng)103的并行執(zhí)行，以控制模擬分簇傳感網(wǎng)進行并行仿真或?qū)嵨锬M；事件調(diào)度方法參照圖7-8的詳細說明。步驟308中，將模擬分簇傳感網(wǎng)的執(zhí)行過程中相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理平臺105， 完成數(shù)據(jù)的存儲和分析，以圖形化方式描述無線傳感網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的有效性。圖4是事件執(zhí)行時間建模實現(xiàn)方法示意圖。一般而言，離散事件模擬器只帶有時間戳，記錄時間起始時間，而執(zhí)行花費時間設(shè)為0。原因在于一、利用全局執(zhí)行順序，簡化仿真，避免了事件執(zhí)行倒置問題；二、實際的仿真過程花費的時間無法準確獲??；三、調(diào)整事件的時間戳也可以對傳輸延遲建模。但對事件執(zhí)行過程耗費的時間建立模型，仿真會更真實準確；并應(yīng)用額外的分時信息，有效地實現(xiàn)并行仿真模型。圖4說明了對事件執(zhí)行時間建模的過程，采用事件代碼映射技術(shù)建立事件靜態(tài)運行時間Tmin，時間動態(tài)修正策略建立動態(tài)運行時間Tmod，事件的執(zhí)行時間為Tduration = Tmin+Tmod, WiA^T0^1{Tstart, Tend = Tstart+Tduration}。圖4針對MicaZ型節(jié)點，對事件執(zhí)行時間進行分析建模。MicaZ系統(tǒng)的功能程序 401是運行MicaZ系統(tǒng)的節(jié)點完成特定功能的程序代碼，功能程序401所示的程序是完成采樣功能的，包括初始化傳感器接口 hitAD、采樣數(shù)據(jù)sampleData等。圖4采用了 Avrora模擬功能程序401在MicaZ系統(tǒng)下運行，并分析運行的時間特征，并用特征值Duratior^nitAD
8記錄初始化傳感接口的執(zhí)行時間，DurationSampleData記錄單次采樣數(shù)據(jù)的時間，并將 Avrora模擬器對事件執(zhí)行代碼的分析結(jié)果放置到事件映射數(shù)據(jù)庫403中。圖4的帶事件戳的事件仿真程序402是離散事件仿真程序?qū)κ录囊话闾幚矸绞?，在?chuàng)建新事件時通過setMartTime方法定義事件的時間戳，通過scheduleAt方式或者發(fā)送消息的方式創(chuàng)建事件。圖4的執(zhí)行時間建模后的事件仿真程序404描述了本發(fā)明中對事件執(zhí)行時間建模的實現(xiàn)。靜態(tài)運行時間Tmin是在Avrora模擬器對實際節(jié)點上的程序運行結(jié)果進行分析的基礎(chǔ)上定義的，Tmin = DurationlnitAD+DurationSampleData ；由于無線傳感網(wǎng)中事件最終處理時間具有動態(tài)特征，和處理時的迭代次數(shù)、參數(shù)等有關(guān)，發(fā)送數(shù)據(jù)的時間與發(fā)送包長度相關(guān)，因此事件處理時間需要在靜態(tài)運行時間Tmin基礎(chǔ)上進行Tmod調(diào)整。數(shù)據(jù)采樣的仿真會根據(jù)實際傳感物理通道特征state，進行相應(yīng)的重新采樣，采樣次數(shù)為retryCoimt， 采樣的修正時間和傳感物理通道的模型相關(guān)，在仿真運行過程中動態(tài)計算。圖4所示的采樣事件時間建模方法可一般化為如下步驟通過Avrora模擬器，模擬運行MicaZ系統(tǒng)的實際節(jié)點完成特定事件功能程序的過
程，分析事件的執(zhí)行單元集合{E1，E2，......，En}，獲取相應(yīng)事件單元的執(zhí)行時間特征值集
合{T1，T2，......，Τη}，計算實際節(jié)點執(zhí)行事件耗費的最小靜態(tài)時間Tmin = Σ Ti (i = 1，
η) ο針對無線傳感網(wǎng)中節(jié)點的移動性，信道和物理傳感通道模型的時變性，會造成不可預(yù)知的執(zhí)行過程，本發(fā)明方法優(yōu)選實施例在靜態(tài)執(zhí)行時間基礎(chǔ)上進行時間動態(tài)修正的策略，以準確定義事件的執(zhí)行時間。事件單元Ei執(zhí)行過程中按需判斷節(jié)點工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)傳輸狀態(tài)，動態(tài)確認運行數(shù)據(jù)，包括事件單元需要迭代的次數(shù)ni，以及執(zhí)行過程中與時間相關(guān)的參數(shù)值{Pl，P2，...， Pk}。將動態(tài)運行數(shù)據(jù)做為參數(shù)發(fā)送給動態(tài)修正時間的API函數(shù)，計算修正時間Tmod = Ti * ni+ Σ Pi(i = 1，k)。事件的執(zhí)行時間定義為Tduration = Tmin+Tmod,事件的結(jié)束時間定義為Tend = Tstart+Tduratiori。圖5是將實物節(jié)點集成到仿真平臺實現(xiàn)實物模擬的方法示意圖。傳感器節(jié)點101 是集成了嵌入式軟件是實際無線傳感器節(jié)點，仿真虛擬節(jié)點102與各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模型和管理模型組成了模擬分簇傳感網(wǎng)103。仿真虛擬節(jié)點102負責反映傳感器節(jié)點101的實際運行情況，并將運行狀態(tài)傳遞給模擬分簇傳感網(wǎng)103。傳感器節(jié)點101通過無線方式，采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧與仿真虛擬節(jié)點102通訊，或者采用有線方式，如串口或者USB 口將運行狀態(tài)發(fā)送到仿真虛擬節(jié)點102，如通信連接501所示。實物節(jié)點101與模擬分簇傳感網(wǎng)103之間采用無線、有線的通訊方式，以及模擬分簇傳感網(wǎng)103提供的多核多線程機制能支持大規(guī)模的實物節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)模擬。圖6是虛擬節(jié)點支持實物模擬的映射方法說明圖。實物節(jié)點601是集成了嵌入式軟件的傳感器節(jié)點101。無線傳感仿真虛擬節(jié)點604是定義了三層結(jié)構(gòu)的仿真虛擬節(jié)點 102。虛擬實物節(jié)點602是模擬實物節(jié)點工作過程的仿真虛擬節(jié)點102，是在與無線傳感仿真虛擬節(jié)點604的三層架構(gòu)基礎(chǔ)上改造為二次架構(gòu)，其中傳感器節(jié)點實際模擬層603替換了節(jié)點任務(wù)層201和資源層203，以有線或無線方式與實物節(jié)點601通訊，實時獲取節(jié)點的運行狀態(tài)，以及在網(wǎng)絡(luò)中的承擔的責任，將實物節(jié)點601映射為了仿真虛擬節(jié)點102，做為模擬分簇網(wǎng)103的一部分完成實際節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)模擬。圖6的數(shù)據(jù)傳輸605負責將實物節(jié)點 601的實際運行數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器節(jié)點實際模擬層603，以完成節(jié)點的調(diào)試跟蹤和在網(wǎng)絡(luò)中運行性能分析。因此數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡(luò)運行數(shù)據(jù)和節(jié)點功能調(diào)試數(shù)據(jù)兩類，格式分別如網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)606和調(diào)試數(shù)據(jù)607所述。圖6所示的實現(xiàn)實物模擬的仿真步驟如下建立一個新的組件傳感器節(jié)點實際模擬層603，替換仿真虛擬節(jié)點中任務(wù)層201 和資源層203的功能，但是接口保持一致；支持與管理層、無線信道1032和傳感物理信道 1033之間的接口，方便使用各種仿真模型。傳感器節(jié)點實際模擬層603實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通訊，以及有線串口通訊模塊，與實物節(jié)點連接，獲取實物節(jié)點的運行狀態(tài)，跟蹤調(diào)試節(jié)點嵌入式功能實現(xiàn)；將實物節(jié)點映射到虛擬節(jié)點，并通過信道模型將虛擬節(jié)點組成應(yīng)用相關(guān)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。圖7是帶時間域的事件并行執(zhí)行的算法示意圖。每個事件en都有執(zhí)行時間域 {Tstart, Tend}，Tstart標識起始時間，Tend標識執(zhí)行結(jié)束時間。事件en開始執(zhí)行之前就已經(jīng)結(jié)束的事件稱為en的前導事件701，如事件en-2或事件en-Ι ；事件執(zhí)行結(jié)束后發(fā)生的事件稱為en的后續(xù)事件703，如事件en+4或事件en+5 ；在{Tstart，Tend}時間域內(nèi)執(zhí)行的事件稱為en的并行事件702，如事件en+Ι、事件en+2或事件en+3。事件的執(zhí)行時間重疊，意味著事件之間的相關(guān)性小，數(shù)據(jù)和資源共享率低，具有并行性。事件en的時間域定義了一個并行化窗口，起始時間在并行化窗口中的事件可與事件en重疊執(zhí)行。在每個事件的 Tstart時間點啟動事件704，下發(fā)事件給不同的處理核的工作線程；在每個事件的Tend時間點結(jié)束事件705，并收取事件處理結(jié)果。圖8是動態(tài)集中式的并行事件調(diào)度方法示意圖。并行事件調(diào)度機制是針對共享內(nèi)存的多核處理器系統(tǒng)提出的主動下發(fā)、優(yōu)化調(diào)度的并行執(zhí)行策略。事件調(diào)度器801是實現(xiàn)集中式管理、動態(tài)優(yōu)化調(diào)度的核心部件；所有事件都會先放到待執(zhí)行事件隊列802中；每個CPU核803都有一個工作線程804，維護著一個事件處理任務(wù)的存儲單元job805，每個事件處理任務(wù)的存儲單元job805設(shè)置了自旋鎖810，滿足對稱多處理內(nèi)核系統(tǒng)需要的鎖定服務(wù)。仿真程序中的功能部件806負責執(zhí)行各類任務(wù)和管理。實線箭頭807是事件流，虛線箭頭808是同步數(shù)據(jù)流，互斥鎖/條件變量809定義了一種同步機制，允許線程掛起，直到共享數(shù)據(jù)上的某些條件得到滿足。圖8描述的并行算法涉及到如下定義。E = {仿真模型中的所有事件}，F(xiàn)是待處理事件集合，，D= {目前已下發(fā)的事件集合}，W= {工作線程集合}；事件e的起始執(zhí)行時間Tstarte，事件結(jié)束時間為Tende，當前的并行事件窗口為Twin，NULL表示工作線程維護的事件處理任務(wù)的存儲單元為空，函數(shù)waiti^orOneThread的功能是實現(xiàn)查詢空閑的工作線程，如果沒有空閑線程就阻塞，直到某個工作線程空閑，函數(shù)waiti^orSomeThread 的功能是等待某個工作線程結(jié)束，以更新并行窗口。圖8所述調(diào)度方法的具體步驟如下步驟811中，功能部件進行初始化操作，將靜態(tài)事件放置到待執(zhí)行事件隊列F中； 并定義并行窗口 Twin =°o。
步驟812中，事件調(diào)度器801獲取待執(zhí)行事件隊列中的第一個事件Ecurrent ；并判斷事件的并行性，將Ecurrent的執(zhí)行結(jié)束時間Tend與并行窗口 Twin進行比較；如果 Tend ^ Twin,就執(zhí)并行事件處理；否則就等待Twin改變后再次進行判斷。事件并行性判定的一種算法可以通過一種程序代碼描述如下，但不限于如下所述
checkPa rallization() { do{
e=min{Tstarte' |e' G F} if (Tstarte<Twin) return e else
waitForSomeThread(w|Twin.job=NULL)
Twin=min{Tend(e')|e' 6 D}
}while(true)
}步驟813中，事件調(diào)度器801查詢工作線程的狀態(tài)，找到可用的工作線程；將待執(zhí)行的事件Ecurrent放置到已下發(fā)事件隊列D中；并將事件Ecurrent分配給工作線程；同時修改 Twin = min {Tend (e) | e e D}。事件調(diào)度器分發(fā)事件的算法如下，但不限于如下所述
distributeEvent(e) { Twin=min{Tend(e')|e' 6 D } W=WaitForOneThread{w € W |w.job=NULL}
w.job=e
}步驟814中，工作線程檢查本地事件處理狀態(tài)，即下發(fā)事件的存儲空間job的狀態(tài)；如果job空閑，就處理事件；否則job自旋鎖住，實現(xiàn)線程同步。步驟415中，工作線程執(zhí)行事件過程中產(chǎn)生的新的事件隊列會登記到待執(zhí)行事件隊列F中；工作線程執(zhí)行事件完畢，修改Twin = min{Tend(e) eeD}o工作線程的算法描述
如下，但不限于如下程序代碼所述Worker()
while(job^NULL);
Process(job)
0=0\job
job=NULL
}圖8所述的事件調(diào)度器801為核心的動態(tài)集中式調(diào)度架構(gòu)能實現(xiàn)有效的負載均衡性。無線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真中，由于節(jié)點的移動性，信道的時空變化特征，會出現(xiàn)不可預(yù)知的工作負載變化；集中式管理事件隊列、下發(fā)獨立事件給某個處理核的架構(gòu)可以保證仿真不受工作負載動態(tài)變化的影響，不需要附加專門的負載均衡機制。事件調(diào)度器的工作過程是依次查詢事件隊列，按照事件的啟動時間找到當前事件，判斷其并行性checkParallization， 如果可并行執(zhí)行，就下發(fā)事件給其他的處理核distributeEvent ；事件調(diào)度器實現(xiàn)的功能
算法如下，但不限于如下程序代碼所示
Scheduler(){ Initialize()； Tb=oo ； 0=Φ
While(F U O關(guān)Φ)
e=checkParallization()
O=O U {e} F=F\e
distributeE vent(e)；綜上所述，本發(fā)明可以對實現(xiàn)高可靠、高能效無線傳感網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)的有效性進行仿真數(shù)據(jù)分析，并對實際節(jié)點的功能進行在線測試，可以為大規(guī)模無線傳感網(wǎng)下的技術(shù)研究以及無線傳感器節(jié)點的嵌入式系統(tǒng)研究提供并行仿真以及實物模擬，準確描述不同建模復(fù)雜度下的無線傳感網(wǎng)性能以及節(jié)點調(diào)試信息。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種支持無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的裝置，其特征在于，包括多個傳感器節(jié)點、模擬分簇傳感網(wǎng)、并行事件調(diào)度器和數(shù)據(jù)處理平臺；所述多個傳感器節(jié)點用于傳輸工作參數(shù)、映射為描述實際節(jié)點的資源和任務(wù)并反映節(jié)點功能的虛擬節(jié)點、實現(xiàn)在線調(diào)試；并集成至所述模擬分簇傳感網(wǎng)，以跟蹤節(jié)點在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中的工作過程，為節(jié)點的實際部署提供測試數(shù)據(jù)；所述模擬分簇傳感網(wǎng)用于建立模型、支持網(wǎng)絡(luò)的管理，以及在仿真中集成一個模擬特定應(yīng)用的無線傳感網(wǎng)、支持所述傳感器節(jié)點的在線軟件調(diào)試、支持模擬實際傳感器網(wǎng)絡(luò)的真實性能分析；所述并行事件調(diào)度器與所述模擬分簇傳感網(wǎng)通訊連接，用于針對多核計算機完成多線程規(guī)劃、并行執(zhí)行仿真事件、維護全局的事件隊列；所述數(shù)據(jù)處理平臺與所述模擬分簇傳感網(wǎng)通訊連接，用于接收、存儲、分析和顯示數(shù)據(jù)，以完成并行仿真網(wǎng)絡(luò)的性能分析以及實物模擬網(wǎng)絡(luò)的在線調(diào)試和測試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述模擬分簇傳感網(wǎng)包括應(yīng)用環(huán)境相關(guān)的無線信道、傳感通道和支持網(wǎng)絡(luò)自生成和自維護的管理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理平臺包括數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)分析模塊；所述數(shù)據(jù)通訊模塊用于與所述模擬分簇傳感網(wǎng)通訊，接收各種運行數(shù)據(jù)，并按照類型完成數(shù)據(jù)格式化；所述數(shù)據(jù)存儲模塊用于以web服務(wù)方式提供存放網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)運行相關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫的各種操作；所述數(shù)據(jù)分析模塊用于支持配置網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)運行性能分析和節(jié)點功能跟蹤。
4.一種適用于權(quán)利要求1-3任一所述裝置的支持無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的方法，其特征在于，包括以下步驟根據(jù)無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用需求建立無線傳感器節(jié)點；實現(xiàn)事件執(zhí)行時間的建模，并將時間模型的關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中；判斷研究方式，如果采用仿真方式，按照分層模塊化建立虛擬節(jié)點；如果采用實物模擬方式，按照支持實物模擬與仿真相融合建立簡化的虛擬節(jié)點，實現(xiàn)與實物無線傳感器節(jié)點的映射，并建立無線傳感器節(jié)點與虛擬節(jié)點之間的通訊連接；按照應(yīng)用需求建立模擬分簇傳感網(wǎng)；事件調(diào)度器控制模擬分簇傳感網(wǎng)進行并行仿真或?qū)嵨锬M；將模擬分簇傳感網(wǎng)執(zhí)行過程的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理平臺，并完成數(shù)據(jù)的存儲和分析。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，采用定義靜態(tài)最小時間以及動態(tài)運行時間修正實現(xiàn)事件執(zhí)行時間的建模；具體包括以下步驟計算事件靜態(tài)運行時間Tmin，動態(tài)運行時間Tmod ；事件的執(zhí)行時間定義為Tduration = Tmin+Tmod,事件的結(jié)束時間定義為Tend = Tstart+Tduratiori。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在按照支持實物模擬與仿真相融合建立簡化的虛擬節(jié)點步驟中，采用分層架構(gòu)定義虛擬節(jié)點，各層的功能組件獨立。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述事件調(diào)度器控制模擬分簇傳感網(wǎng)進行并行仿真或?qū)嵨锬M的步驟中是采用動態(tài)集中式并行事件調(diào)度的方法，該動態(tài)集中式并行事件調(diào)度的方法包括以下步驟定義事件隊列E= {E1，E2，E3，……}，及每個事件的執(zhí)行周期Tduration; 將靜態(tài)事件放置到待執(zhí)行事件隊列F中；并定義并行窗口閾值Twin ； 判斷并行性，事件調(diào)度器獲取待執(zhí)行事件隊列F中的第一個事件Ecurrent，將 Ecurrent的執(zhí)行結(jié)束時間iTend與并行窗口閾值Twin進行比較，如果Tend ( Twin,就執(zhí)行下一步驟進行并行事件處理，否則就等待Twin改變后再次進行判斷；查詢工作線程的狀態(tài)，找到可用的工作線程，將待執(zhí)行的事件Ecurrent放置到已下發(fā)事件隊列D中，并將事件Ecurrent分配給工作線程，同時修改Twin = min{Tend(e) e e D}；工作線程檢查本地事件處理狀態(tài)，如果存儲空間空閑，就處理事件；否則存儲空間自旋鎖住，實現(xiàn)線程同步；工作線程執(zhí)行事件過程中產(chǎn)生的新的事件隊列登記到待執(zhí)行事件隊列F中，工作線程執(zhí)行事件完畢，修改Twin = min{Tend(e) e e D}； 執(zhí)行判斷并行性的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種支持無線傳感網(wǎng)并行仿真和實物模擬的裝置及方法，該裝置包括多個傳感器節(jié)點用于傳輸工作參數(shù)、映射為虛擬節(jié)點、實現(xiàn)在線調(diào)試；并集成至模擬分簇傳感網(wǎng)；模擬分簇傳感網(wǎng)用于建立模型、支持網(wǎng)絡(luò)的管理，以及在仿真中集成一個模擬特定應(yīng)用的無線傳感網(wǎng)、支持傳感器節(jié)點的在線軟件調(diào)試、支持模擬實際傳感器網(wǎng)絡(luò)的真實性能分析；并行事件調(diào)度器與所述模擬分簇傳感網(wǎng)通訊連接，用于針對多核計算機完成多線程規(guī)劃、并行執(zhí)行仿真事件、維護全局的事件隊列；數(shù)據(jù)處理平臺與所述模擬分簇傳感網(wǎng)通訊連接，用于接收、存儲、分析和顯示數(shù)據(jù)。本發(fā)明可以準確描述不同建模復(fù)雜度下的無線傳感網(wǎng)性能以及節(jié)點調(diào)試信息。
文檔編號H04W24/06GK102307369SQ20111026995
公開日2012年1月4日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者段世紅 申請人:北京科技大學