車位管理系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能分析

盧利瓊， 吳 東

(湛江師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 湛江 524048)

筆者對(duì)配備停車管理員、使用GSM網(wǎng)絡(luò)[1]或無(wú)線傳感車位鎖[2]的停車場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有大部分停車場(chǎng)要么浪費(fèi)人力，要么車位空閑信息不能智能反饋，或者建造成本偏高．為此，設(shè)計(jì)一套基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車位管理系統(tǒng)[3]，實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)的智能管理．然而，由于受工作環(huán)境的影響以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)的限制，如果待無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建成之后再進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)驗(yàn)證和優(yōu)化往往成本開銷龐大．因此，筆者先借助系統(tǒng)仿真技術(shù)建立了車位管理系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模型，然后在其基礎(chǔ)上對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗、丟包率等重要參數(shù)進(jìn)行仿真分析，并總結(jié)部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)注意的要點(diǎn)．

1 仿真工具NS及其擴(kuò)展

當(dāng)前有很多工具可以用來(lái)仿真分析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，例如OMNeT++、OPNET、NS2等，其中NS2運(yùn)用最為廣泛．NS2是一個(gè)基于離散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)仿真工具[4]，采用分裂對(duì)象模型機(jī)制，用C++和Otcl兩種面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言開發(fā)了豐富的構(gòu)件庫(kù)，其中包括各種類型的鏈路、節(jié)點(diǎn)、分組等．該構(gòu)件庫(kù)支持移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所需的各層協(xié)議和算法，能提供多種通信量的模擬，可以根據(jù)指數(shù)分布、Pareto分布、追蹤文件來(lái)產(chǎn)生不同樣式的通信量．另外，NS2還提供了跟蹤和監(jiān)測(cè)的對(duì)象，可以記錄仿真過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各時(shí)刻的狀態(tài)和事件．并且，NRL實(shí)驗(yàn)室[5]的研究人員為現(xiàn)有的NS2增加了Phenom channel(現(xiàn)象信道)功能，用來(lái)仿真現(xiàn)實(shí)世界中存在的物理現(xiàn)象．如圖1的通用仿真模型所示：左邊是自然實(shí)體，它們會(huì)產(chǎn)生熱量、氣味、壓力等物理現(xiàn)象；中間是各種類型的傳感器，用來(lái)感知物理現(xiàn)象；右邊是數(shù)據(jù)終端，用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用．

圖 1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用仿真模型

傳感器跟數(shù)據(jù)終端之間的Data channel(數(shù)據(jù)信道)由802.11等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，它是雙向的，用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)終端發(fā)出的指令和傳感器采集到的數(shù)據(jù)．而傳感器跟自然實(shí)體之間的現(xiàn)象信道是單方向的，各種物理現(xiàn)象數(shù)據(jù)通過(guò)該信道傳輸給傳感器．這跟部分真實(shí)傳感器的使用有一定的區(qū)別，比如說(shuō)紅外傳感器是靠接收反射的紅外線來(lái)采集數(shù)據(jù)的，那么它的工作過(guò)程就有光線的發(fā)射和接收兩部分，是雙向的．NRL把現(xiàn)象信道做成單向的是為了實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單，但這并不影響傳感器對(duì)物理現(xiàn)象數(shù)據(jù)的采集．有了NRL增加的現(xiàn)象信道，就可以利用NS2創(chuàng)建車位管理系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模型，并完成相關(guān)的性能仿真分析了．

2 車位管理系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模型

在仿真前先要設(shè)計(jì)出車位管理系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模型，而且該模型要跟實(shí)際的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一致．車位管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括監(jiān)測(cè)中心主機(jī)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩大部分(圖2)．其中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還分成了多個(gè)監(jiān)控區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)．針對(duì)該車位管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模型(圖3)，其包含監(jiān)測(cè)中心主機(jī)節(jié)點(diǎn)、sink節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)．sink節(jié)點(diǎn)用來(lái)模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)，而目標(biāo)節(jié)點(diǎn)用來(lái)模擬實(shí)際的汽車．當(dāng)仿真汽車停在車位內(nèi)時(shí)，相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)將會(huì)收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)，緊接著傳感器節(jié)點(diǎn)給sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送1個(gè)bit的狀態(tài)指示數(shù)據(jù)“1”．最后，監(jiān)測(cè)中心主機(jī)節(jié)點(diǎn)也會(huì)收到sink節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，處理后就可得知哪些車位是空閑的，哪些車位是停著汽車的．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模型的建立為仿真分析車位管理系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能奠定了基礎(chǔ)，下面就節(jié)點(diǎn)能量消耗和丟包情況展開詳細(xì)的仿真分析．

圖 2 車位管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖 3 車位管理系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模型

3 仿真及性能分析

3.1 仿真場(chǎng)景

在此選取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)監(jiān)控區(qū)域來(lái)進(jìn)行仿真，其覆蓋停車場(chǎng)的25個(gè)車位(圖4)，每個(gè)車位都放置了一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)(用空心圓表示)，車位旁邊有一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)(用實(shí)心三角形表示)，傳感器節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)的位置是固定的．停車場(chǎng)內(nèi)現(xiàn)有9輛汽車，其中A～H已經(jīng)停在車位內(nèi)，汽車J剛?cè)雸?chǎng)準(zhǔn)備停車．當(dāng)車位中停有車輛時(shí)傳感器會(huì)檢測(cè)出相關(guān)信息(傳感器用實(shí)心圓表示)．

圖 4 仿真的監(jiān)控區(qū)域結(jié)構(gòu)

3.2 車輛出入場(chǎng)過(guò)程仿真

在分析無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能前，先通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真來(lái)檢驗(yàn)該網(wǎng)絡(luò)的仿真模型是否能夠正常工作．整個(gè)仿真過(guò)程持續(xù)60 s．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始工作后，在第1 s時(shí)sink節(jié)點(diǎn)給25個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送自檢指令，要求所有的傳感器節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)．這時(shí)，若已開始工作的傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該給sink節(jié)點(diǎn)發(fā)回1個(gè)bit的狀態(tài)指示數(shù)據(jù)“0”．之后，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“檢測(cè)-休眠”的周期工作狀態(tài)．“檢測(cè)”狀態(tài)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)車位空閑信息，探測(cè)到停有汽車就給sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送1個(gè)bit的狀態(tài)指示數(shù)據(jù)“1”，之后進(jìn)入“休眠”狀態(tài)，若沒(méi)有探測(cè)到汽車就直接進(jìn)入“休眠”狀態(tài)．處于“休眠”狀態(tài)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)不執(zhí)行任何工作，2 s后進(jìn)入“檢測(cè)”狀態(tài)．在第20 s仿真汽車入場(chǎng)的情景，汽車J停入第10號(hào)車位．在第40 s仿真汽車出場(chǎng)的情況，停在第15號(hào)車位的汽車E離場(chǎng)．

仿真結(jié)果如圖5所示．該圖顯示的是sink節(jié)點(diǎn)在60 s時(shí)間內(nèi)收到的第2、第9、第10和第15號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的狀態(tài)指示數(shù)據(jù)．當(dāng)然，整個(gè)仿真過(guò)程中sink節(jié)點(diǎn)也收到其它傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，只不過(guò)第7、第12、第14、第16、第19和第25傳感器節(jié)點(diǎn)的情況跟第2節(jié)點(diǎn)相似，剩余的其他節(jié)點(diǎn)跟第9號(hào)節(jié)點(diǎn)相似，因此只選取第2、第9、第10和第15號(hào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明．從圖4得知，每個(gè)節(jié)點(diǎn)完成自檢后都給sink節(jié)點(diǎn)發(fā)回一個(gè)數(shù)據(jù)．因?yàn)檐囕vA一直停在2號(hào)車位內(nèi)，所以第2號(hào)節(jié)點(diǎn)每隔2 s就給sink節(jié)點(diǎn)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)．而9號(hào)車位一直都沒(méi)有停車，則第9號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)回第1個(gè)數(shù)據(jù)告知自檢狀態(tài)后就沒(méi)有再發(fā)回任何數(shù)據(jù)．在20s時(shí)刻，汽車J停入第10號(hào)車位，那么第10號(hào)節(jié)點(diǎn)至此開始每隔2 s就給sink節(jié)點(diǎn)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)．在40 s時(shí)刻，停在第15號(hào)車位的汽車E離場(chǎng)，因此可以看到sink節(jié)點(diǎn)在40.12825 s收到第15號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，就再?zèng)]有收到該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)了．圖5顯示的結(jié)果表明建立的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模型可以正常工作．

圖 5 sink節(jié)點(diǎn)收到的部分狀態(tài)指示數(shù)據(jù)

3.3 能量消耗分析

車位管理系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的能量主要來(lái)源于電池，當(dāng)電池能量耗盡時(shí)將會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的正常使用．雖然停車場(chǎng)不屬于危險(xiǎn)區(qū)域可進(jìn)行電池替換，但如果是較大規(guī)模的停車場(chǎng)，那么這種替換也是不現(xiàn)實(shí)的．因此，如何在能量有限的前提下盡可能延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是車位管理系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一．下面對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)能量消耗情況進(jìn)行仿真分析．

依照前述仿真過(guò)程，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)的各種能耗進(jìn)行了設(shè)定．據(jù)文獻(xiàn)[10]分析，傳感器節(jié)點(diǎn)采集、處理數(shù)據(jù)所消耗的能量遠(yuǎn)比無(wú)線通信過(guò)程消耗的能量要小．因此，在仿真初始化時(shí)，設(shè)定所有節(jié)點(diǎn)都具有相同的初始能量1 J，收發(fā)數(shù)據(jù)的能耗是175 mW，其他處理功能的能耗是10 mW．并且，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層采用AODV協(xié)議實(shí)現(xiàn)多跳路由．整個(gè)仿真持續(xù)60 s，自第1 s開始每隔10 s對(duì)各節(jié)點(diǎn)的剩余能量進(jìn)行檢測(cè)．圖6顯示的是第1、第10、第13、第14、第15和第25號(hào)傳感器節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)的能耗變化情況．經(jīng)過(guò)分析后可以得出如下結(jié)論：1)各節(jié)點(diǎn)在工作過(guò)程中都不斷的消耗能量，其剩余能量是不斷減少的．2)在上述的7個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，第1號(hào)節(jié)點(diǎn)除了發(fā)回1個(gè)表明正常工作的狀態(tài)指示數(shù)據(jù)后，其余都只是做檢測(cè)，因此仿真結(jié)束后它的剩余能量是最多的．3)sink節(jié)點(diǎn)跟第10、第13、第14、第15號(hào)節(jié)點(diǎn)相比，sink節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收該網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)，但第10、第13、第14、第15號(hào)節(jié)點(diǎn)除了要發(fā)送自己產(chǎn)生的數(shù)據(jù)外，還由于使用的是AODV路由協(xié)議要幫其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，致使它們的通信工作量比sink節(jié)點(diǎn)大，剩余能量也就比sink節(jié)點(diǎn)少．4)雖然第25號(hào)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到停泊的汽車，需要不斷發(fā)送狀態(tài)指示數(shù)據(jù)，但其不用幫其他節(jié)點(diǎn)做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，所以它的剩余能量比第1號(hào)節(jié)點(diǎn)的少，比其余5個(gè)節(jié)點(diǎn)的多．得到這些結(jié)論后，將考慮在具體部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)為不同的節(jié)點(diǎn)配備不同的初始能量，以避免出現(xiàn)因個(gè)別節(jié)點(diǎn)能量耗盡而引起無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)失效的情況．

圖 6 部分節(jié)點(diǎn)能耗變化情況

3.4 丟包分析

車位管理系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以劃分監(jiān)控區(qū)域的形式來(lái)進(jìn)行管理的，每個(gè)區(qū)域都包含1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)．一個(gè)區(qū)域內(nèi)具體要部署多少個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)才能滿足車位管理系統(tǒng)工作的需求，會(huì)影響到系統(tǒng)工作時(shí)的數(shù)據(jù)丟失情況．據(jù)分析，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器個(gè)數(shù)

(1)

式中：N是所需傳感器個(gè)數(shù)，Area是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積，R是單個(gè)傳感器的感知半徑，K是感知覆蓋度(一般情況時(shí)K=1．在需要提高感知可靠度，對(duì)1個(gè)目標(biāo)使用多個(gè)傳感器監(jiān)控時(shí)K>1)．因?yàn)榭紤]到停車場(chǎng)內(nèi)停車位設(shè)定的特殊性，以及1個(gè)停車位由1個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)控的部署計(jì)劃(即K=1)，所以可把式(1)簡(jiǎn)化

(2)

式中，a、b分別是停車位的長(zhǎng)和寬．實(shí)際上，使用式(2)計(jì)算得到的傳感器個(gè)數(shù)跟一個(gè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)所包含的停車位個(gè)數(shù)是相同的．

為對(duì)不同大小的監(jiān)控區(qū)域的丟包情況進(jìn)行仿真分析，共做了5種不同監(jiān)控區(qū)域的仿真實(shí)驗(yàn)，每次仿真時(shí)假設(shè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的停車位都停著汽車，統(tǒng)計(jì)出滿負(fù)荷情況下的各監(jiān)控區(qū)域的丟包數(shù)據(jù)(表1)．從表1的數(shù)據(jù)可以看出，隨著監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)的增加，發(fā)生丟包的節(jié)點(diǎn)數(shù)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的丟包率都在增大．在50個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，發(fā)生丟包的節(jié)點(diǎn)數(shù)竟然達(dá)到了54%，這將會(huì)嚴(yán)重影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)車位狀態(tài)指示數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性．這樣的結(jié)論說(shuō)明，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)無(wú)法勝任大量的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的匯聚任務(wù)．因此，在具體部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)盡量減小一個(gè)監(jiān)控區(qū)域的面積，以減小其包含的傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)．

表1 不同分區(qū)的丟包情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了車位管理系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真模型，并在驗(yàn)證該模型能正確工作的基礎(chǔ)上，對(duì)車位管理系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和丟包情況進(jìn)行了分析，所得結(jié)果給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署提供了參考，特別是為各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配備初始能量和監(jiān)控區(qū)域的劃分準(zhǔn)備了依據(jù)．

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