基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的無線自組網(wǎng)仿真

羅訓(xùn)　王榮

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無線技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，而在無線技術(shù)中，無線自組網(wǎng)技術(shù)[1]又是一個廣受歡迎的技術(shù)，例如Zigbee技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)等。當(dāng)面對特定環(huán)境和特定需求需要開發(fā)一種新的無線組網(wǎng)技術(shù)或無線廣播算法時，如何測試評估網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或算法的性能和可靠性是一個關(guān)鍵問題。

如果直接購買或者開發(fā)硬件平臺進(jìn)行實地部署測試，不僅成本高昂、費時費力，而且還需要考慮硬件故障、環(huán)境因素、實地部署時供電功耗、維護等很多問題，偏離了實驗重心，不能聚焦在需要解決的關(guān)鍵問題上，而通過計算機仿真卻可以避免以上問題，研究者只需要重點關(guān)注仿真的性能和結(jié)果來改進(jìn)協(xié)議或算法即可。由此可見，網(wǎng)絡(luò)仿真工作有著不可或缺的作用，占據(jù)重要的地位。

目前大部分的網(wǎng)絡(luò)仿真都是通過NS-2或OPNET仿真器來實現(xiàn)，但是這些仿真器也存在一些不足，例如：NS-2仿真器不便于構(gòu)建復(fù)雜的仿真場景；調(diào)試功能受限；體系龐大，使用較為復(fù)雜。OPNET仿真器則運行速度慢，仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小，且對無線網(wǎng)絡(luò)的支持較弱[2]。而這其中的某些不足對于游戲引擎而言，卻恰恰是優(yōu)勢所在。在文章中，我們介紹了一種基于虛擬現(xiàn)實的自組網(wǎng)仿真技術(shù)。

該方法大體流程是：首先利用3D建模軟件建立實驗所需的各種模型，之后導(dǎo)入游戲引擎，建立自組網(wǎng)仿真的虛擬現(xiàn)實場景，然后利用游戲引擎的接口，通過引擎腳本來控制仿真流程。通過實驗證明：該仿真方法可以實現(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)的仿真工作，同時也通過實驗得到的數(shù)據(jù)論證了該仿真技術(shù)的有效性和可靠性。

1 游戲引擎

1.1 游戲引擎簡介

通過分析可知仿真是自組網(wǎng)必不可少的一步，但是為了彌補傳統(tǒng)仿真器的不足，提出了利用游戲引擎來進(jìn)行仿真的新方法。

游戲引擎是指一些已經(jīng)編寫好的可編輯游戲系統(tǒng)或者一些交互實時圖像應(yīng)用程序的核心組件，游戲引擎包括以下系統(tǒng)：渲染引擎、動畫制作、物理引擎、碰撞檢測、系統(tǒng)腳本、引擎動畫、粒子系統(tǒng)和場景管理等[3]。

對于自組網(wǎng)絡(luò)仿真中需要的場景管理、組網(wǎng)動畫效果和腳本控制等，游戲引擎正好提供了這些接口，因此使得利用游戲引擎來進(jìn)行基于虛擬現(xiàn)實的自組網(wǎng)絡(luò)仿真成為可能。

1.2 游戲引擎優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的仿真器經(jīng)過對比，游戲引擎具有以下優(yōu)勢：

·簡單易用。游戲引擎提供了整體的框架，根據(jù)游戲引擎所提供的接口，在進(jìn)行自組網(wǎng)絡(luò)仿真時，只需要重點關(guān)注需要解決的問題，例如自組網(wǎng)協(xié)議研發(fā)或算法實現(xiàn)等，然后研發(fā)人員只需要通過腳本來控制節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換流程和動畫展示等內(nèi)容即可。

·真實環(huán)境模擬。在之前的無線仿真技術(shù)中，都是通過生成隨機位置，然后根據(jù)研究者配置進(jìn)行模擬仿真。這種仿真的缺點是無法模擬出具體真實場景和地理位置對仿真實驗的影響。在虛擬現(xiàn)實的游戲引擎中，研究者可以對仿真場景進(jìn)行隨意添加更改，包括叢林、河流、山峰和建筑物等，利用這些仿真真實的環(huán)境，增加了真實環(huán)境中各種障礙物對無線信號衰減的影響，從而提高了仿真的準(zhǔn)確性。

·可視化效果增強。在虛擬現(xiàn)實中，用戶可以很直觀地看到仿真環(huán)境中無線信號的傳播過程和組網(wǎng)過程，以及組網(wǎng)是如何受真實場景影響的，不僅對于研究者更加容易找出網(wǎng)絡(luò)中的問題，對于初學(xué)者而言，這種直觀真實的可視化效果也更加容易記憶和學(xué)習(xí)。

·清晰的層次結(jié)構(gòu)。游戲引擎中針對每個場景、每個狀態(tài)和場景中的每個物體都有獨立的腳本來控制，因此對于自組網(wǎng)仿真而言，這種清晰的層次結(jié)構(gòu)可以很輕松地添加新功能或修改已有功能，例如網(wǎng)絡(luò)仿真中各個節(jié)點的控制都是由其獨立來控制實現(xiàn)，因此無論是修改功能還是更改流程在該節(jié)點的腳本中都可以很方便實現(xiàn)，整體控制可以通過關(guān)卡腳本來實現(xiàn)。

·復(fù)用性高。在游戲引擎中，各個部件和物體的控制可以在腳本中使用函數(shù)和事件來實現(xiàn)，游戲引擎也提供了場景腳本調(diào)用所有物體內(nèi)函數(shù)的功能，大大提高了程序的復(fù)用性；而且可以在場景中生成多個物體對象，由同一腳本去控制工作，例如網(wǎng)絡(luò)仿真中根據(jù)配置生成不同數(shù)量的節(jié)點進(jìn)行無線組網(wǎng)，每個節(jié)點的工作流程完全一致，因此除了每個節(jié)點的ID不同外，其內(nèi)部對收到的數(shù)據(jù)處理流程完全一樣，因此共用一個程序文件來控制即可，完全不需要針對每一個節(jié)點單獨編寫。

·消息廣播機制。在組網(wǎng)過程中路由建立的基礎(chǔ)就是通過路由廣播以及路由回應(yīng)來完成的，而在游戲引擎中也提供了全局消息廣播的機制，通過該機制，研發(fā)者不需要考慮自己去實現(xiàn)復(fù)雜的廣播消息處理。

我們選擇了虛幻游戲引擎（簡稱UE4）來實現(xiàn)無線自組網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)的研究。該游戲引擎除了其強大的各種子系統(tǒng)外，還提供了一個“所見即所得”的編輯器，在可視化的編輯窗口中，開發(fā)人員可以直接對游戲中的角色、物品道具、角色個體智能（AI）及光源進(jìn)行自由擺放和屬性控制，并且全部是實時渲染，虛幻引擎為了使開發(fā)者更好使用，還完全開源了其游戲引擎的代碼，開發(fā)者可以按照自己的需求開發(fā)自己特色的內(nèi)容。

1.3 游戲引擎相關(guān)工作

在此之前，張青和曲洲青[2]等人研究過基于游戲引擎的力學(xué)仿真方法，同樣是由于力學(xué)實驗耗費成本較高且不易運作，傳統(tǒng)仿真方法又存在一些缺點，所以提出了利用游戲引擎來進(jìn)行仿真的方法[4]；LUO和YU等人提出在網(wǎng)絡(luò)仿真中利用游戲引擎來增強移動模型的研究[5-6]，GODSEY等人[7]則利用游戲引擎來實現(xiàn)仿真?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，這些研究都為文中所提的基于虛擬現(xiàn)實的無線自組網(wǎng)仿真提供了啟發(fā)思路。除此之外，YU-CHEE TSENG和SZE-YAO NI等人在研究關(guān)于移動自組網(wǎng)中的廣播風(fēng)暴問題時，利用C++設(shè)計了一種仿真器，并利用該仿真器仿真了在不同廣播算法下廣播風(fēng)暴的緩解情況，對實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了分析和論證[8]。

在相關(guān)工作的基礎(chǔ)上，我們利用游戲引擎設(shè)計無線自組網(wǎng)仿真器，最后通過仿真YU-CHEE TSENG[8]論文中完全相同的實驗場景進(jìn)行實驗，仿真得到的實驗數(shù)據(jù)與YU-CHEE TSENG論文中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比的結(jié)果，驗證了文章中的仿真器是真實可靠的。endprint

2 仿真流程實現(xiàn)方式

無線仿真遵循網(wǎng)絡(luò)仿真的一般步驟，來確定無線自組網(wǎng)整體的仿真流程，包括問題定義、建模、模型確認(rèn)、數(shù)據(jù)采集、程序編制、運行、結(jié)果展示和最后的驗證等環(huán)節(jié)[9]。

我們采用了主從節(jié)點的方式來進(jìn)行無線組網(wǎng)仿真，主節(jié)點根據(jù)從節(jié)點的地址進(jìn)行輪詢廣播查找，整個仿真場景的參數(shù)主要有場景大小、節(jié)點數(shù)量、信號傳輸半徑、廣播包大小、傳輸速率、廣播時間間隔等。

自組網(wǎng)仿真路由協(xié)議采用的是精簡的按需矢量距離（AODV）[10-11]路由協(xié)議。在其基礎(chǔ)上我們針對游戲引擎仿真進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，在游戲引擎中先對優(yōu)化后的路由協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，主要包括以下幾部分：路由廣播包、路由回應(yīng)包、路由錯誤包、路由消息包。除此之外，還定義了場景中節(jié)點物體與其對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來在全局范圍內(nèi)查找某節(jié)點信號傳輸半徑范圍內(nèi)的節(jié)點并將路由信息發(fā)送給該接收節(jié)點。當(dāng)每個節(jié)點收到路由廣播或路由回應(yīng)后，節(jié)點需要將其存儲至節(jié)點的路由表中，建立路由，因此還需要定義路由表結(jié)構(gòu)。

在該仿真中，場景內(nèi)主要包括以下幾個部分：（1）范圍盒子，在仿真時并不可見，主要用來根據(jù)用戶配置的場景大小來自動變化范圍，初始化后不可改變；（2）主節(jié)點，整個自組網(wǎng)仿真中路由廣播的發(fā)起者，在輪詢各個節(jié)點時，根據(jù)其內(nèi)的路由表信息來判斷是否進(jìn)行路由廣播；（3）從節(jié)點，根據(jù)配置信息來自動生成規(guī)定數(shù)量的從節(jié)點，同時自動分配IP。主節(jié)點和從節(jié)點的位置是在范圍盒子內(nèi)部隨機生成，當(dāng)然用戶也可以手動調(diào)整其位置。

根據(jù)虛幻UE4的設(shè)計，場景中的所有物體均可以獲取到游戲狀態(tài)和游戲模式，場景關(guān)卡可以獲取到場景中的所有物體以及其內(nèi)部的屬性、方法函數(shù)和事件等。

據(jù)此可知配置文件的讀取由游戲狀態(tài)來完成，并存入其中供其他物體來獲取，所有的節(jié)點都具有發(fā)送消息的功能，因此在游戲狀態(tài)中定義了路由廣播發(fā)送函數(shù)接口、路由回應(yīng)發(fā)送函數(shù)接口、路由錯誤發(fā)送函數(shù)接口和路由消息發(fā)送函數(shù)接口，當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送相應(yīng)的消息時，直接通過調(diào)用游戲狀態(tài)中的相應(yīng)接口即可。相應(yīng)消息的接收函數(shù)仍是由各自獨立實現(xiàn)，各種發(fā)送函數(shù)接口的具體實現(xiàn)是在場景關(guān)卡中完成，由于場景關(guān)卡可以獲取到場景內(nèi)的所有物體，因此在場景關(guān)卡中通過對傳入?yún)?shù)做解析之后，將需要發(fā)送的消息發(fā)送給各個對應(yīng)的物體接收函數(shù)，從而完成了整個組網(wǎng)過程。圖1是整個自組網(wǎng)系統(tǒng)的仿真流程。

最終仿真則效果如圖2和圖3所示，其中圖2為主節(jié)點路由表中沒有到達(dá)目的節(jié)點的路由信息，進(jìn)行路由廣播，從而引起其信號半徑范圍內(nèi)的從節(jié)點依次向外中繼轉(zhuǎn)發(fā)廣播，當(dāng)廣播到達(dá)目的節(jié)點或某中繼節(jié)點中擁有到達(dá)目的節(jié)點的路由時開始回應(yīng)。圖2中有3個節(jié)點進(jìn)行了路由回應(yīng)，其中黑色箭頭表示路由回應(yīng)信號，右邊紅色的數(shù)字表示在某個節(jié)點信號半徑范圍內(nèi)的可達(dá)節(jié)點。

圖3是在路由建立之后，主節(jié)點發(fā)送路由消息給目的節(jié)點，同時目的節(jié)點回應(yīng)路由消息給主節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸仿真過程。

3 仿真流程實驗數(shù)據(jù)論證

在YU-CHEE TSENG[8]，[12]等人的工作中，利用仿真器進(jìn)行廣播算法的仿真，得到的仿真數(shù)據(jù)通過平均時延、節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)率和可達(dá)率3方面來評估不同廣播算法在不同閾值下的廣播風(fēng)暴緩解情況，然后通過橫向?qū)Ρ龋o出該廣播算法的最優(yōu)閾值范圍。

評估觀察的性能指標(biāo)解釋如下：

·可達(dá)率（RE）。接收到廣播消息的主機節(jié)點數(shù)與從源主機直接或間接到達(dá)的所有主機節(jié)點數(shù)的比值。

·節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)率（SRB）。（r-t）/r，r為接收到的廣播消息的主機節(jié)點數(shù)，t為真正發(fā)送消息的主機節(jié)點數(shù)。

·平均時延。從廣播開始到最后主機節(jié)點結(jié)束轉(zhuǎn)發(fā)的時間間隔。

我們利用本次設(shè)計的基于游戲引擎的仿真器通過完全相同的仿真環(huán)境配置進(jìn)行實驗，將數(shù)據(jù)結(jié)果與其進(jìn)行比較，仿真環(huán)境配置是：節(jié)點之間信號傳輸半徑為500 m，然后生成100的主機節(jié)點進(jìn)行仿真，范圍大小有1 x 1、3 x 3、5 x 5、7 x 7、9 x 9、11 x 11單元大小，每個單元的長度是500 m（即信號傳輸半徑）；然后則通過仿真概率廣播算法[4]和計數(shù)廣播算法[4-5]獲得數(shù)據(jù)作圖對比，其中每次仿真執(zhí)行10 000個廣播請求。

3.1 概率廣播算法仿真

概率廣播算法是指當(dāng)一個主機節(jié)點收到路由廣播消息時，該主機會以概率P進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)概率P是1時，該算法等同于泛洪廣播[8]，[13]。

圖4為通過本文中的仿真器仿真結(jié)果，統(tǒng)計在不同場景大小時，不同的轉(zhuǎn)發(fā)概率P條件下的節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)率；圖5是可達(dá)率；圖6是平均時延。通過與YU-CHEE TSENG的論文中的數(shù)據(jù)對比，統(tǒng)計結(jié)果相差不超過1%。

3.2 計數(shù)廣播算法仿真

計數(shù)廣播算法是指當(dāng)一個主機節(jié)點收到路由廣播時，在該主機轉(zhuǎn)發(fā)廣播之前會由于解析數(shù)據(jù)重新打包廣播包退避時間，忙碌或者處理其他隊列消息等而等待一段時間。在該段時間內(nèi)，該主機有可能再一次監(jiān)測到相同的路由廣播，因此通過一個計數(shù)器k來統(tǒng)計該主機收到相同路由廣播包的次數(shù)，當(dāng)該次數(shù)k超過計數(shù)閾值C時，該主機取消轉(zhuǎn)發(fā)廣播。

圖7為通過文中所提的仿真器仿真結(jié)果，統(tǒng)計在不同場景大小時，不同的計數(shù)閾值C條件下的節(jié)約轉(zhuǎn)發(fā)率；圖8是可達(dá)率；圖9是平均時延。通過與YU-CHEE TSENG的論文中的數(shù)據(jù)對比，統(tǒng)計結(jié)果相差不超過1%。

因此，通過以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和對比，可以證明本論文中的在游戲引擎中實現(xiàn)的基于虛擬現(xiàn)實的無線自組網(wǎng)仿真技術(shù)是有效可靠的。

4 結(jié)束語

文章中，我們通過分析自組網(wǎng)仿真的重要性總結(jié)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真中的一些不足之處，進(jìn)而提出了利用游戲引擎來進(jìn)行基于虛擬現(xiàn)實的自組網(wǎng)仿真的方法。之后通過UE4游戲引擎實現(xiàn)了該自組網(wǎng)仿真技術(shù)，實現(xiàn)了自組網(wǎng)仿真功能，同時利用該仿真器通過對兩種廣播算法進(jìn)行仿真實驗，與前人的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，驗證了該基于虛擬現(xiàn)實的無線自組網(wǎng)仿真技術(shù)的可行性，研究也達(dá)到了預(yù)期的效果。endprint

我們相信在之后的發(fā)展過程中，利用游戲引擎的虛擬現(xiàn)實技術(shù)會應(yīng)用到更多的領(lǐng)域中去，并且更加簡單和方便地為研究者提供便利。

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