基于Network Simulator 的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”實踐教學(xué)研究

郭倩倩

（天津財經(jīng)大學(xué)珠江學(xué)院，天津 301811）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程涉及多領(lǐng)域的前沿技術(shù),同時具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。 因此對于該門課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法需要結(jié)合新技術(shù)與新需求持續(xù)更新迭代。通過對該課程的課堂教學(xué)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn),如果學(xué)生在課上被灌輸了理論和抽象的專業(yè)知識,學(xué)生很難消化整節(jié)課的內(nèi)容。 而基于我?，F(xiàn)階段的實驗室建設(shè)實際情況,構(gòu)建實際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能測試系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。 模擬仿真教學(xué)則以其高效率、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢得到越來越多的應(yīng)用和推廣。 使用仿真軟件這種教學(xué)方法生動形象,接近現(xiàn)實工作場景,有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生在短時間內(nèi)進(jìn)入實際應(yīng)用場景,真實的體驗在現(xiàn)實生活中進(jìn)行操作的感覺,以達(dá)到更快掌握操作技能的目的。 所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程可以應(yīng)用軟件仿真輔助理論教學(xué)解決現(xiàn)階段問題［1-3］。

1 “無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”課程特點分析

1.1 理論知識晦澀難懂

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)有三大部分組成,分別為傳感網(wǎng)絡(luò)、匯聚結(jié)點和管理節(jié)點。 傳感網(wǎng)絡(luò)主要完成環(huán)境信息的檢測和控制,匯集結(jié)點完成傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)和管理中心的互聯(lián),主要完成數(shù)據(jù)融合,協(xié)議轉(zhuǎn)換等,管理節(jié)點實現(xiàn)傳感網(wǎng)的管理和控制命令操作。 其中涉及的各種協(xié)議基本思想、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容比較難以理解,使得學(xué)生無法理解網(wǎng)絡(luò)的工作場景、工作原理、工作過程,從而對所學(xué)內(nèi)容一知半解［4］。

1.2 實踐輔助理論內(nèi)容

通過3 年的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理授課經(jīng)驗,此門課程理論課時與實踐課時比例是2 ∶1,必須使用實踐輔助理論內(nèi)容教學(xué)才能使學(xué)生對理論內(nèi)容有更深的理解。 實踐部分使用的軟件是Matlab,而使用Matlab 對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真不能直觀看出網(wǎng)絡(luò)的各個組成部分及整體工作流程,對幫助學(xué)生更加直觀理解理論內(nèi)容意義不大。

2 結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)

在了解“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)、節(jié)點定位技術(shù)、無線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)融合等若干關(guān)鍵技術(shù),從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模塊的組成、體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行講解。 并利用仿真軟件設(shè)計可視化方案融合于理論教學(xué)之中,增強(qiáng)學(xué)生對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各層協(xié)議和關(guān)鍵技術(shù)的理解,使學(xué)生熟悉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行的基本原理。 同時學(xué)生能夠熟練使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件,培養(yǎng)了學(xué)生的實踐動手能力。

2.1 翻轉(zhuǎn)課堂培養(yǎng)學(xué)生高階思維

高階思維是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動或認(rèn)知能力,它在教學(xué)目標(biāo)分類中表現(xiàn)為分析問題,評價和創(chuàng)造能力。 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化授課只能培養(yǎng)學(xué)生的低階思維能力,對高階思維能力培養(yǎng)效果不好?！盁o線傳感器網(wǎng)絡(luò)”的前續(xù)課程有“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”,兩種類型的網(wǎng)絡(luò)在分層體系結(jié)構(gòu)上有相似之處,學(xué)生有一定的基礎(chǔ),在“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”教學(xué)中融入翻轉(zhuǎn)課堂,讓學(xué)生將自己理解的內(nèi)容講給其他同學(xué),這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的分析問題等高階思維能力。 在教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置上,理論內(nèi)容結(jié)合實驗激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和興趣,對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分層體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和通信標(biāo)準(zhǔn)等模塊進(jìn)行分組研討,組與組之間設(shè)置低分淘汰機(jī)制,使學(xué)生積極參與學(xué)習(xí)［9-12］。

2.2 案例驅(qū)動教學(xué)

“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”分層體系結(jié)構(gòu)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層等涉及眾多因應(yīng)用不同而設(shè)計不同的協(xié)議,每一層選擇一個到兩個典型的協(xié)議,網(wǎng)上搜尋或者設(shè)計案例,通過案例進(jìn)行驅(qū)動教學(xué)。 將案例布置給不同的學(xué)習(xí)小組,若同一網(wǎng)絡(luò)場景則給不同小組設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行仿真。 得到仿真結(jié)果后,引導(dǎo)學(xué)生修改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),修改網(wǎng)絡(luò)參數(shù),讓學(xué)生記錄不同的仿真運行結(jié)果。 使學(xué)生通過自己對網(wǎng)絡(luò)的仿真深刻理解不同參數(shù)和不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)各項性能的影響。 每一個案例設(shè)計時需要扎根于生活,結(jié)合生活中的實例,只有貼合生活的案例才能使學(xué)生對于理論知識理解得更透徹。

2.3 結(jié)合理論設(shè)計仿真案例

對“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”中分層體系結(jié)構(gòu)各層協(xié)議和包括時鐘同步技術(shù)、節(jié)點定位技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的對應(yīng)仿真實驗,需要在掌握一定的無線網(wǎng)絡(luò)通信基本理論基礎(chǔ)上,理解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),清楚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用。 仿真具體內(nèi)容應(yīng)涵蓋無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層、無線個域網(wǎng)。

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層來說,研究的主要內(nèi)容就是MAC 和差錯控制。 怎樣實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無線信道的共享,即介質(zhì)訪問控制協(xié)議(MAC)的實現(xiàn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層研究的一個重點,MAC 協(xié)議的好壞直接影響網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)劣。 數(shù)據(jù)鏈路層采用的協(xié)議主要有兩種類型,一種是基于競爭型的MAC 協(xié)議,包括SMAC、TMAC 等；一種是基于分配型的MAC 協(xié)議,包括SMACS、TRAMA 等。 針對數(shù)據(jù)鏈路層,設(shè)計典型的基于競爭型和基于分配型的協(xié)議進(jìn)行仿真案例設(shè)計。

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層來說,路由協(xié)議主要用于確定網(wǎng)絡(luò)中的路由,實現(xiàn)節(jié)點間的通信。 但是由于受節(jié)點能量和最大通信范圍的限制,兩個節(jié)點之間往往不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,而需要以多跳的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。 無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)層就主要負(fù)責(zé)多跳路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù),這一層的路由協(xié)議主要包括兩個方面,一方面是路由的選擇,即尋找一條從源節(jié)點到目的節(jié)點的最優(yōu)路徑；另一方面路由的維護(hù),即保證數(shù)據(jù)能夠沿著這條最優(yōu)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。 較為常用的路由協(xié)議有基于數(shù)據(jù)的路由協(xié)議、基于集群結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議和基于地理位置的路由協(xié)議。 典型的基于數(shù)據(jù)的路由協(xié)議包括SPIN 協(xié)議、定向擴(kuò)散協(xié)議(DD)；基于集群結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議包括LEACH 協(xié)議、TEEN 協(xié)議等；基于地理位置的路由協(xié)議包括GAF 協(xié)議、GEAR 路由協(xié)議等。 選擇這些典型協(xié)議設(shè)計仿真案例。

對于無線個域網(wǎng),IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)又稱為低速無線個人局域網(wǎng)(LR WPAN)網(wǎng)絡(luò),在這個網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力和硬件條件,可以將它分為全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備,IEEE 802.15.4 技術(shù)的出現(xiàn)推動了它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療等專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用；ZigBee 技術(shù)是一種面向自動化和無線控制的價格低廉、能耗小的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 ZigBee 技術(shù)建立在IEEE 802.15.4 協(xié)議之上,根據(jù)ZigBee 聯(lián)盟的規(guī)范,ZigBee 在IEEE 802.15.4 的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。 針對無線個域網(wǎng),設(shè)置IEEE 802.15.4 和ZigBee兩個典型仿真實驗。 表1 為對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各項關(guān)鍵技術(shù)的仿真內(nèi)容。

表1 網(wǎng)絡(luò)仿真內(nèi)容

3 “無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”仿真軟件

3.1 仿真軟件選取

在仿真軟件選取上,國外現(xiàn)階段主要的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有OPNET、Network Simulator 和GloMoSim 等。 網(wǎng)絡(luò)仿真軟件可以開發(fā)或者評價新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,也可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計。 仿真軟件能夠根據(jù)實際情況建立模型,修改模型,可以預(yù)測網(wǎng)絡(luò)性能、容量規(guī)劃、故障分析、端到端性能分析、指導(dǎo)新網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等。 不同的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件有不同的特點。 表2 是各仿真軟件的優(yōu)缺點比較。

表2 仿真軟件比較

Network Simulator 和GloMoSim 兩款仿真軟件由于免費并且開源所以在學(xué)術(shù)界應(yīng)用比較廣泛。 OPENET是一款商業(yè)仿真軟件,雖然仿真速度比較快,但是下載使用費用高,不適合作為學(xué)校的教學(xué)仿真軟件。Network Simulator 非常適合傳輸層以上仿真,當(dāng)仿真節(jié)點數(shù)比較多時仿真速度會變慢。 在對比國內(nèi)外各種網(wǎng)絡(luò)仿真軟件后,結(jié)合我校硬件環(huán)境和學(xué)生自身特點,選擇Network Simulator 對課程中的若干協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行仿真［12-14］。

3.2 Network Simulator 仿真流程

采用Network Simulator version 2 進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)仿真的具體流程如圖1 所示。

圖1 Network Simulator version 2 仿真流程

仿真過程的重點是創(chuàng)建編寫Tcl/OTcl 程序,一般經(jīng)過4 個步驟,選擇或開發(fā)相應(yīng)模塊；編寫仿真腳本(生成節(jié)點、安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安裝協(xié)議棧、安裝應(yīng)用層協(xié)議、其他配置)啟動仿真；仿真結(jié)果(網(wǎng)絡(luò)場景或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù))分析。

仿真內(nèi)容采用分組分方案進(jìn)行。 具體操作如下:選擇計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成績較好的6 名同學(xué)為6 個小組的組長,其他學(xué)生隨機(jī)組合分配到6 個小組,確保每個小組的仿真內(nèi)容和數(shù)據(jù)各不相同,使得組內(nèi)學(xué)生互相監(jiān)督完成實驗,組間實驗內(nèi)容差異化,這樣也有利于學(xué)生之間的相互協(xié)作。

4 結(jié)語

將仿真軟件Network Simulator 融入理論課程中,通過NS2 提供的動畫演示,構(gòu)建更加接近現(xiàn)實工作場景的教學(xué)情境,根據(jù)每一章節(jié)理論內(nèi)容,搜集案例和設(shè)計對口項目,并在模擬仿真軟件中實現(xiàn),使學(xué)生們直觀形象地掌握各種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原理和功能,讓學(xué)生深刻理解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議工作過程及原理。 以更寬的視野來解讀物聯(lián)網(wǎng)專業(yè),使物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)與社會發(fā)展、市場規(guī)律、管理模式等緊密結(jié)合起來,獲得良好的教學(xué)效果。