В этом разделе показаны шесть основных инструментов моделирования, используемых в БСС: NS-2, TOSSIM, Emstar, Castalia, J-Sim, ATEMU, и анализируются преимущества и недостатки каждого инструмента моделирования.

Система NS-2

NS-2 разработана в 1989 году, используется в качестве симуляторареальной сети. NS-2 является дискретно-событийным симулятором,построен в объектно-ориентированномстиле. Разработан на языке C++.Работает на операционной системе Linux. Может использоваться как для проводных, так и для беспроводныхсетей.Это система с открытым исходным кодом.

Достоинства и недостатки.

К достоинствам, во-первых, как неспецифический для БСС симулятор, NS-2 может поддерживать значительное спектр протоколов во всех слоях.Например, специальные и конкретные протоколы БСС предоставляются NS-2.Во-вторых, модель открытого исходного кода экономит затраты на моделирование и электронные документы позволяют пользователям легко изменять и улучшать систему.

Тем не менее, этот симулятор имеет некоторые ограничения. Во-первых, люди, которые хотят использовать этот симулятор должны быть знакомы с написанием программ на скриптовых языкахю Во-вторых, иногда использование NS-2 является более сложным и трудоемким, чем другихсистем моделирования.В-третьих, NS-2 обеспечивает плохую графическую поддержку, без графического интерфейса пользователя (GUI)

Система TOSSIM

TOSSIMявляется эмулятором, специально предназначенным для БСС, работающих на TinyOS, который распространяется с открытым исходным кодом.Разработан в 2003 году.Написан на языке Python и C++.Работает в операционной системе Linux.TOSSIM также распространяется в исходном коде.

Достоинства и недостатки.

К достоинствам относится, скорость эмуляции.Кроме того, TOSSIM имеет графический интерфейс, TinyViz, что очень удобно для того, чтобы взаимодействовать с электронными устройствами, поскольку она обеспечивает изображения вместо текста команд.

Кроме того, TOSSIM является очень простым, но мощным эмулятором для БСС. Каждый узел может быть оценен в идеальных условиях передачи, и с помощью этого эмулятора можноисследовать скрытые проблемы.Может поддерживать тысячи узлов.

Тем не менее, этот эмулятор имеет некоторые ограничения.Во-первых, TOSSIM предназначен для моделирования поведения и применения TinyOS, и он не предназначен для имитации показателей других новых протоколов.Поэтому TOSSIM не может правильно моделировать вопросы энергопотребления в БСС; люди могут использовать PowerTOSSIM, другой симулятор TinyOS.Во-вторых, каждый узел должен работать на Nesc коде, языке программирования, который управляется событиями на основе компонентов и реализован на TinyOS.В-третьих, TOSSIM разработан специально для моделирования только узлов.

Система Emstar

Emstar является эмулятором, специально предназначенным для БСС, построен на языке C.Работает на операционной системе Linux.Этот эмулятор поддерживает развитые возможностипо работе с аппаратными датчиками.

Достоинства и недостатки

Достоинства, во-первых, модульная модель программирования в Emstar позволяет пользователям запускать каждый модуль отдельно без ущерба для повторного использования программного обеспечения.Emstar имеет графический интерфейс, который может быть очень полезным для пользователей для управления электронными устройствами.

Тем не менее, этот эмулятор содержит некоторые недостатки.Например, он не может поддерживать большое количество узлов и датчиков и ограниченную масштабируемость в итоге.Кроме того, Emstar может работать только в режиме реального времени.

Система Castalia

Castalia является событийно-дискретным симулятором. Написан на C++.Castaliaраспространяется по некоммерческой лицензии, дляиспользоваться в учебных заведениях или некоммерческих исследовательских организациях, а также под коммерческой лицензией.Этот симулятор поддерживает подделживает написание модулейпользователем. Работает в операционной системе Linux, Unix-подобных операционных системах.Castalia является популярной системой моделирования БСС.Большинство исходного кода може быть доступно в исходном виде.

Достоинства и недостатки

Достоинства, во-первых, Castalia обеспечивает мощные средства трассировки и отладки. Поддерживаются широкие возможности работы с радиоканалом, поддерживает многие MAC протоколы. Кроме того, Castaliaможет имитировать проблемы энергопотребления в БСС.

Тем не менее, существуют некоторые ограничения.Например, количество доступных протоколов не является достаточно большим.

Система J-Sim

J-Sim является дискретно-событийным симулятором.Написан на Java. Есть, графический интерфейс. Распространяется в исходном коде.Обычно используется в физиологии и области биомедицины, но также может быть использовандля моделированияБСС.Кроме того, J-Sim может имитировать процессы в реальном времени.

Достоинства и недостатки

Достоинства, во-первых, в модели J-Sim есть возможность повторного использования и взаимозаменяемости компонентов.Во-вторых, J-Sim содержит большое количество протоколов.В-третьих, J-Sim предоставляет графический интерфейс, который может помочь пользователям отслеживать и отлаживать программы.В-четвертых, по сравнению с NS-2, J-Sim может имитировать большое число узлов датчиков, около 500 и J-Sim может сэкономить много оперативной памяти.

Тем не менее, этот симулятор имеет некоторые ограничения.Время выполнения гораздо больше, чем у NS-2. Поскольку J-Sim изначально не предназначены для моделирования БСС.

Система ATEMU

ATEMU построен на С; заточен под платформу MICA.ATEMU предоставляет графический интерфейс. Работает в операционных системах Solaris и Linux. Распространяется в исходном коде.

Достоинства и недостатки

Достоинства, во-первых, ATEMU может имитировать несколько датчиков на узле.Во-вторых, ATEMU имеет большую библиотеку готовых устройств.В-третьих, ATEMU может обеспечить очень высокий уровень детализации эмуляции БСС.В-четвертых, графический интерфейс может помочь пользователям в отладке и мониторинге реализации модели.

Тем не менее, этот эмулятор также имеет некоторые ограничения.Например, хотя ATEMU может дать высокую точность результатов, время моделирования гораздо дольше, чем других инструментов моделирования.Кроме того, ATEMU имеет меньше функций для моделирования маршрутизации.

Таблица 2 Сравнение шести основных систем моделирования БСС

Мы рассмотрели шесть основных систем имитационного моделирования БСС: NS-2, TOSSIM, Emstar, Castalia, J-Sim, ATEMU. И сравнивает их достоинства и недостатки, результаты приведены в таблице 2.Выбор системы стоит проводить в зависимости от целей исследования, выбирая более эффективную для данного случая.

Система Castalia

В связи с обширными возможностями моделирования (в том числе радиоканала) в дальнейшем будем использовать систему Castalia.

Castalia является системой моделирования для беспроводных сенсорных сетей (БСС) и вообще сетей маломощных встроенных устройств. Она основана на платформе OMNeT++[2,3] и может быть использована исследователями и разработчиками, которые хотят испробовать свои алгоритмы и / или протоколы в реалистичной среде беспроводного канала с расширенной радио моделью, с реалистичным поведением узла. Castalia также может быть использован для оценки различных характеристик платформы для конкретных приложений, так как она очень гибка в настройке и может имитировать широкий диапазон платформ. Основными чертами Castalia являются[3]:

‑Усовершенствованная модель канала на основе эмпирических данных измерений:

· модель системы учитываетпотерив канале передачи данных, а не просто соединений между узлами;

· комплексная модель для изменения потерь в канале;

· полностью поддерживает подвижность узлов;

· помехи учитываются уже на уровне принимаемого сигнала, а не в виде отдельной функции.

‑Усовершенствованная модель радио основан на реальных маломощных радио устройствах связи:

· вероятность получения зависит от SINR, размера пакета, типа модуляции. Модуляции PSK, FSK поддерживаются, пользовательские модуляции могут быть определены путем задания SNR-BER кривой;

· несколько уровней мощности передачи с индивидуальными вариациями могут задаваться;

· состояния с различным энергопотреблением и задержками переключения между ними поддерживаются;

· реалистичное моделирование RSSI несущей.

‑Расширенное моделирование измерительных устройств:

· очень гибкая физическая модель процесса измерения;

· поддержка шумов, смещений и потребления энергии для измерительного устройства.

‑ MAC протоколы доступны.

‑ Предназначена для адаптации и расширения.

Что касается последнего пункта, Castalia была разработана с самого начала, так что пользователи могут легко реализовать / импортировать свои алгоритмы и протоколы в то время как Castaliaберет на себя особенностимоделирования. Модульность, надежность и скорость Castalia частично заслугаOMNeT++, которая легла в основу Castalia.

Чем Castalia не являетсяэто ориентированной на конкретную платформу. Castalia обеспечивает общий надежный и реалистичныйспособ проверки алгоритма прежде чем перейти к реализации на конкретной платформе.

Castalia использует OMNeT++ в качестве своей базы поэтому предполагается, что у вас есть четкое понимание основных понятий OMNeT хотя это и не требуется, особенно если вы хотите использовать Castalia без создания собственных протоколов / приложений

OMNeT основан на понятиях модулей и сообщений. Простой модуль является основной единицей исполнения. Он принимает сообщения от других модулей или непосредственно, и в соответствии с сообщением, он выполняет часть кода. Этот код может хранить состояние, которое изменяется при приеме сообщений и может отправить новые сообщения. Есть также составные модули. Составной модуль просто способ построения простых и / или других композитных модулей

Рисунок 9 Структура модулей в Castalia

Узлы не соединяются друг с другом напрямую, а через модуль беспроводного канала. Стрелки означают передачу сообщений от одного модуля к другому. Когда узел имеет пакет для отправки, то он переходит в беспроводной канал, который затем решает, какие узлы должны получать пакет. Узлы также связаны через физические процессы, которые они контролируют. Для каждого физического процесса есть один модуль. Узлы взаимодействуют с физическим процессом в пространстве и времени (путем отправки сообщения на соответствующий модуль), чтобы получить показания датчиков. Там может быть несколько физических процессов, представляющих несколько датчиков.

Модуль узла является составным.На рисунке 10 показана внутренняя структура узла. Сплошные стрелки означают передачу сообщений и пунктирные стрелки означают просто вызываемые функции. Например, большинство из модулей вызывают функции менеджера ресурсов, чтобы сигнализировать, что энергия израсходована.Castalia предлагает поддержку для создания пользовательских протоколов и приложений, определяя соответствующие абстрактные классы[3]. Все существующие модули хорошо настраиваемы по многим параметрам.

Приложение

Рисунок 10 Структура модуля узла

Описание модулей осуществляется с использованием языка OMNeT++ NED. С помощью этого языка мы можем легко определить модули, т. е. определить имя модуля, параметры модуля и модуля интерфейса и возможную структуру подмодуля (если это композитный модуль). Сам код модуля пишется на языке C++.