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Performance Evaluation of NS-2 Simulator for Wireless Sensor Networks 用 NS2 模拟器对无线传感器网络进行性能评估. 卢旭. 摘要. 由于硬件设计，能量限制以及大量节点的部署方面的问题，对无线传感器网络的仿真成了一个有挑战的事情。 NS2 在网络仿真中有着广泛的应用，但是对无线传感器网络并不能表现很好。本文给出了基于仿真结果性能评估的 NS2 仿真器的综合分析，提出了一些对于无线传感器网络仿真的必要的改进。. 1 引言.
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Performance Evaluation of NS-2 Simulator for Wireless Sensor Networks用NS2模拟器对无线传感器网络进行性能评估 卢旭
摘要 由于硬件设计，能量限制以及大量节点的部署方面的问题，对无线传感器网络的仿真成了一个有挑战的事情。NS2在网络仿真中有着广泛的应用，但是对无线传感器网络并不能表现很好。本文给出了基于仿真结果性能评估的NS2仿真器的综合分析，提出了一些对于无线传感器网络仿真的必要的改进。
1 引言 • 无线传感器网络由大量布置在检测环境中或周围的传感器节点组成。当目标事件发生时，这些传感器节点相互协作进行环境检测、运行网内的计算以及完成和激战的通信。和传统的无线网络相比，无线传感器网络具有一些独特的特性，包括通信带宽受限、单个节点的计算能力受限以及能量有限。WSN也有一些有趣的特性包括自组织、动态网络拓扑、多跳路由，这些都是现实应用中的重要特性。 • 由于无线传感器网络通常以一种ad-hoc的方式部署很多节点，比较好的是进行正确的仿真或是在部署之前开发模型出来。因此，由于硬件设计、能量限制以及大量节点的部署，对无线传感器网络的仿真成了一个有挑战的事情。仿真可以帮助研究人员确认和评估在特定应用环境下的传感器网络的性能。 • 在我们的研究中，我们用NS2仿真器来模拟WSN来评估其性能。本文介绍了无线传感器网络中NS2的综合分析，还提出了一些对无线传感器网络仿真要用到的一些可能的扩展。
2.性能评估概述 • 一个现实的网络的性能表示一个网络到底能够运行得如何。这可以用很多个重要的标准来进行评估，包括有效性、可靠性、响应时间、利用率、吞吐量、带宽能力以及包丢失率。一些研究人员统称这些为QoS。 • 以下问题是和仿真器的性能相关的： • 可否反映真实网络的工作机制？ • 能正确模拟的最大范围的网络多大？ • 能否在不通的环境和网络结构下正常工作？ • 可否生成和真实网络相近或等同的结果？ • 性能依赖于网络的设计，包括协议、路由、拓扑、能力模型等等。也和仿真器的内部设计有关，包括其结构、数据结构和算法。
量化这些问题，我们使用一些标准来反映模拟网络的性能和效率，然后通过仿真结果来评估该仿真器。标准包括：量化这些问题，我们使用一些标准来反映模拟网络的性能和效率，然后通过仿真结果来评估该仿真器。标准包括： • 总的信息包括方针时间和生成的trace文件的大小， • 数据传输延迟， • 传输跳数， • 传输的数据包量 • 弃包量 • 网络效能 • 网络利用率。
3. 仿真 • A. NS-2和Sensorsim介绍 • NS-2是为网络仿真开发的一个软件包。它包括很多的应用、协议、网络类型、网络元件以及通信模型。NS-2本身没有能力模拟传感器网络。虽然唯一落下的传感器网络的基本方向是现象的概念，但是用原始的NS-2对传感器网络进行仿真仍然有很多缺点。 • Sensorsim是美国的NRL开展的一个项目。其中包括对NS-2的开展。在把它安装进NS-2以后对传感器网络的仿真就容易了。采用该扩展，研究人员可以定义现象节点、现象传输信道、传感器网络事件和路由协议等等，以来对传感器网络进行仿真。我们的研究中，NS-2和Sensorsim都用到了。
B. 仿真场景 • 为了对WSN进行NS-2中的仿真，我们建立了若干个场景，主要参数包括传感器节点的数量、拓扑、能力管理模型以及通信模型。以下为我们考虑的四个场景： • 随机布置传感器节点。 • 有规则地布置传感器节点（布置在网格拓扑中）。 • 高能量传感器节点。 • 低感知频率。 • 在每个仿真中，都有一个现象节点，N传感器节点和一个数据收集节点（数据接收器）。 • 在我们的仿真中，我们选择AODV进行仿真。能量管理是影响WSN的另一个主要因素。总之，NS-2执行一个简单的能量模型，在该模型中，接收和发送数据、监听通信信道和空闲的能耗都标准化了的。
4.仿真结果分析 • A. 总体比较 • NS-2运行不通次数的仿真，生成不同大小的trace文件。随着节点数量的增加，运行时间也成指数方式增加，如图1所示。
运行时间的增加远远超过了节点数量的增加，特别是在数量大于80以后。结果表明更多节点的网络比较少节点的网络要复杂很多，NS-2不能处理过多节点数量的情况。但是我们应该注意到在现实网络中，400并不算一个很大的数量。运行时间的增加远远超过了节点数量的增加，特别是在数量大于80以后。结果表明更多节点的网络比较少节点的网络要复杂很多，NS-2不能处理过多节点数量的情况。但是我们应该注意到在现实网络中，400并不算一个很大的数量。 • B. 平均传输延迟 • 传输延迟指一个数据包从源节点发送到目标节点的时间。从仿真结果可以看出，节点数量增加，在数量小于等于40时平均传输时间也逐渐增加，然后就快速增加。这是因为节点增多时，数据需要更多的跳数来传递到接收节点，或是存储在路由路径的一些内部节点。 • C. 传输跳数 • 图2所示为不同传感器节点数量下的传输跳数数量。在任何结构中，最小跳数都是1。可以看出，节点越多，在最长路由中的跳数就越多。不过结果还显示，当超过100个传感器节点时，最大跳数和平均跳数都减少了。看似网络有一个更好的性能了，其实在密集的网络中有大量数据冲突发生，这样使得更少的数据包有机会到达接受节点。
D. 传感器节点发送的数据包 • 随着节点数量的增加，监测到的数据迅速增加，也增大了网络中传输的总的数据包。节点的数据包平均数量和最小数量都会增加，只有数据包最大数量有一定程度减小。这是因为在一个浓密的网络中，在开始运行阶段节点会发送大量数据包，然后就会进入低能量的状态，还会临时禁止参与数据传输，这就使得每个节点在整个周期中发送很少的数据包。在高能量仿真中，传输数据的总量会明显大于其他情况，这证明在更多能量的情况下，传感器节点可以工作更长的时间，暂停工作的可能性也更小。
E. 总的传输和丢弃的数据 • 网络中数据传输随着节点数的增加而快速增加。丢弃的数据也一样。当数量小于60时，丢弃的数据只占到传输的数据的一小部分。但是在节点数超过40后，由于大量数据冲突发生，丢弃包也会快速增加，甚至比真正发送的数量还多（表一）。
F. 网络效率 • 网络效率指sink节点接收到的有效数据和环境数据的比率。比率越高表示sink节点获得的有用的数据更多。 • 在图3中，我们可以看出传感器节点越多的网络有更好的覆盖性。60个节点时，覆盖性达到最好的状态，可以获得最多的环境数据。不过在这之后，网络效率开始由于大量冲突和丢弃包而降低。而且，能量的快速消耗会使得一些节点不能提供服务，必须生成备用的路由。 • G. 网络利用率 • 网络利用率指数据sink接收有效数据的有效时期。图4中，我们可以看出，档节点数量大于等于80时，sink节点接收数据的最早时间增大，而接收数据的最晚时间变小。这也是因为数据冲突和能量消耗。这个发现意味着在节点数量很大时，sink节点可以接收有用数据的实际工作时间缩短，降低了网络利用率。
5. NS-2必需的改进 • 虽然NS-2在无线传感器网络仿真中有广阔应用，但是根据我们的分析，我们发现一些NS-2需要改进的方面，为了可以更好地对无线传感器网络进行仿真和分析。本文提出的一些改进：trace文件格式的改进、更多支持工具开发、提供更好的应用环境、更好的算法的介绍以及更好的能量模型。 • A. trace文件 • NS-2仿真中产生的trace文件经常很大。Trace文件太过详细以至很难在没有开发的软件工具的帮助下从原始数据中找出高提炼的统计信息。因此，有必要改进trace文件的格式，使其更小，同时要保持其向后兼容性。另一个方法是提供另一些类型的trace文件，其中可以包含网络的主要方面的综合信息，如吞吐量、速度和延迟。
B.支持传感器网络 • 如上所述，原始的NS-2不能很好地支持传感器网络仿真。NS-2中一些预定义要求在实际传感器网络中是不可行的。只有采用NRL Sensorsim的扩展我们才能完成仿真。有很多为WSN仿真开发的新工具和环境的研究成果，如TOSSIM、EmStar、TOSSF和J-Sim。其中大部分都对建造更好的仿真环境有重要作用。 • C.应用支持 • 在传感器网络仿真中，应用应该以一个合适的方式来模拟。因此，一个仿真环境应该提供不通的模型来满足多变的目标。虽然Senersim提供了一些不同类型的环境节点，但它们都只是一些符号，并没有任何针对特定环境的内部运行机制和特性。
D.效率 • 基于之前的仿真，我们发现在很多方面传感器网络的性能都随传感器节点的增加而迅速降低。不过，一些WSN的场景在数千个节点时仍然工作良好。这意味着NS-2不能很好地反映真实世界。需要改进内部网络运行机制、路由算法以及协议来更好地仿真现实情况，使得仿真更加有效。 • E.能量模型 • 和传统的有线和无线网络不同，无线传感器网络有一个主要的能量问题，因为绝大部分无线传感器在部署好之后是不能更换的，而且能量的消耗会使得节点失效最后使整个网络失效。能量问题使非常复杂的。很多研究人员提出了各种不同的方法来尽量降低能耗。在当前的仿真中，能耗的特性很少被指定。若我们能发现更多的方法来控制能耗机制的特性，复杂就会更好地展现现实条件。
6. 结论 • 由于无线传感器网络以ad-hoc的方式部署，在部署传感器网络到环境中之前对其进行准确的仿真非常重要。带扩展的库的NS-2在传感器网络仿真中广泛使用。在我们的研究中我们采用Sensorsim来扩展NS-2，评估NS-2仿真无线传感器网络的性能，根据由NS-2生成的trace数据来分析性能，证明当前NS-2的扩展不能很好地适用于无线传感器网络。我们提出了一些NS-2所需的可能的改进来使NS-2在这样的无线传感器网络中很好地工作。NS-2要维持其在网络仿真领域的声誉，将有一段很长的路要走。
