基于Network Simulator 的“無線傳感器網絡”實踐教學研究

郭倩倩

（天津財經大學珠江學院，天津 301811）

0 引言

無線傳感器網絡課程涉及多領域的前沿技術,同時具有較強的應用性。 因此對于該門課程的教學內容和教學方法需要結合新技術與新需求持續更新迭代。通過對該課程的課堂教學經驗發現,如果學生在課上被灌輸了理論和抽象的專業知識,學生很難消化整節課的內容。 而基于我校現階段的實驗室建設實際情況,構建實際的無線傳感器網絡性能測試系統是不現實的。 模擬仿真教學則以其高效率、低成本、內容豐富、性能有效和安全等優勢得到越來越多的應用和推廣。 使用仿真軟件這種教學方法生動形象,接近現實工作場景,有利于提高學生學習興趣,使學生在短時間內進入實際應用場景,真實的體驗在現實生活中進行操作的感覺,以達到更快掌握操作技能的目的。 所以無線傳感器網絡課程可以應用軟件仿真輔助理論教學解決現階段問題［1-3］。

1 “無線傳感器網絡”課程特點分析

1.1 理論知識晦澀難懂

無線傳感器網絡系統架構有三大部分組成,分別為傳感網絡、匯聚結點和管理節點。 傳感網絡主要完成環境信息的檢測和控制,匯集結點完成傳感網的數據和管理中心的互聯,主要完成數據融合,協議轉換等,管理節點實現傳感網的管理和控制命令操作。 其中涉及的各種協議基本思想、工作原理和關鍵技術等內容比較難以理解,使得學生無法理解網絡的工作場景、工作原理、工作過程,從而對所學內容一知半解［4］。

1.2 實踐輔助理論內容

通過3 年的無線傳感器網絡原理授課經驗,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容教學才能使學生對理論內容有更深的理解。 實踐部分使用的軟件是Matlab,而使用Matlab 對無線傳感器網絡仿真不能直觀看出網絡的各個組成部分及整體工作流程,對幫助學生更加直觀理解理論內容意義不大。

2 結合關鍵技術的“無線傳感器網絡”教學

在了解“無線傳感器網絡”的系統架構基礎上,結合網絡的時間同步技術、節點定位技術、無線通信技術和數據融合等若干關鍵技術,從網絡協議模塊的組成、體系結構、關鍵技術等方面進行講解。 并利用仿真軟件設計可視化方案融合于理論教學之中,增強學生對于無線傳感器網絡中各層協議和關鍵技術的理解,使學生熟悉無線傳感器網絡運行的基本原理。 同時學生能夠熟練使用網絡仿真軟件,培養了學生的實踐動手能力。

2.1 翻轉課堂培養學生高階思維

高階思維是指發生在較高認知水平層次上的心智活動或認知能力,它在教學目標分類中表現為分析問題,評價和創造能力。 傳統的結構化授課只能培養學生的低階思維能力,對高階思維能力培養效果不好。“無線傳感器網絡”的前續課程有“計算機網絡”,兩種類型的網絡在分層體系結構上有相似之處,學生有一定的基礎,在“無線傳感器網絡”教學中融入翻轉課堂,讓學生將自己理解的內容講給其他同學,這樣可以培養學生的分析問題等高階思維能力。 在教學環節設置上,理論內容結合實驗激發學生的學習主動性和興趣,對無線傳感器網絡的分層體系結構、關鍵技術和通信標準等模塊進行分組研討,組與組之間設置低分淘汰機制,使學生積極參與學習［9-12］。

2.2 案例驅動教學

“無線傳感器網絡”分層體系結構的物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層等涉及眾多因應用不同而設計不同的協議,每一層選擇一個到兩個典型的協議,網上搜尋或者設計案例,通過案例進行驅動教學。 將案例布置給不同的學習小組,若同一網絡場景則給不同小組設置不同的網絡參數進行仿真。 得到仿真結果后,引導學生修改網絡拓撲結構,修改網絡參數,讓學生記錄不同的仿真運行結果。 使學生通過自己對網絡的仿真深刻理解不同參數和不同拓撲結構對網絡各項性能的影響。 每一個案例設計時需要扎根于生活,結合生活中的實例,只有貼合生活的案例才能使學生對于理論知識理解得更透徹。

2.3 結合理論設計仿真案例

對“無線傳感器網絡”中分層體系結構各層協議和包括時鐘同步技術、節點定位技術和數據融合技術等關鍵技術的對應仿真實驗,需要在掌握一定的無線網絡通信基本理論基礎上,理解無線傳感器網絡構架和協議標準,清楚無線傳感器網絡的具體應用。 仿真具體內容應涵蓋無線傳感器網絡體系結構、無線傳感器網絡數據鏈路層、無線傳感器網絡網絡層、無線個域網。

對于無線傳感器網絡數據鏈路層來說,研究的主要內容就是MAC 和差錯控制。 怎樣實現無線傳感器網絡中無線信道的共享,即介質訪問控制協議(MAC)的實現是無線傳感器網絡數據鏈路層研究的一個重點,MAC 協議的好壞直接影響網絡的性能優劣。 數據鏈路層采用的協議主要有兩種類型,一種是基于競爭型的MAC 協議,包括SMAC、TMAC 等；一種是基于分配型的MAC 協議,包括SMACS、TRAMA 等。 針對數據鏈路層,設計典型的基于競爭型和基于分配型的協議進行仿真案例設計。

對于無線傳感器網絡網絡層來說,路由協議主要用于確定網絡中的路由,實現節點間的通信。 但是由于受節點能量和最大通信范圍的限制,兩個節點之間往往不能直接進行數據交換,而需要以多跳的形式進行數據的傳輸。 無線傳感器的網絡層就主要負責多跳路由的發現和維護,這一層的路由協議主要包括兩個方面,一方面是路由的選擇,即尋找一條從源節點到目的節點的最優路徑；另一方面路由的維護,即保證數據能夠沿著這條最優路徑進行數據的轉發。 較為常用的路由協議有基于數據的路由協議、基于集群結構的路由協議和基于地理位置的路由協議。 典型的基于數據的路由協議包括SPIN 協議、定向擴散協議(DD)；基于集群結構的路由協議包括LEACH 協議、TEEN 協議等；基于地理位置的路由協議包括GAF 協議、GEAR 路由協議等。 選擇這些典型協議設計仿真案例。

對于無線個域網,IEEE 802.15.4 網絡又稱為低速無線個人局域網(LR WPAN)網絡,在這個網絡中,根據設備所具有的通信能力和硬件條件,可以將它分為全功能設備和精簡功能設備,IEEE 802.15.4 技術的出現推動了它在工業、農業、軍事、醫療等專業領域的應用；ZigBee 技術是一種面向自動化和無線控制的價格低廉、能耗小的無線網絡協議。 ZigBee 技術建立在IEEE 802.15.4 協議之上,根據ZigBee 聯盟的規范,ZigBee 在IEEE 802.15.4 的基礎上擴展了網絡層和應用層。 針對無線個域網,設置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絡各項關鍵技術的仿真內容。

表1 網絡仿真內容

3 “無線傳感器網絡”仿真軟件

3.1 仿真軟件選取

在仿真軟件選取上,國外現階段主要的網絡仿真軟件有OPNET、Network Simulator 和GloMoSim 等。 網絡仿真軟件可以開發或者評價新的網絡協議,也可以進行網絡規劃設計。 仿真軟件能夠根據實際情況建立模型,修改模型,可以預測網絡性能、容量規劃、故障分析、端到端性能分析、指導新網絡建設等。 不同的網絡仿真軟件有不同的特點。 表2 是各仿真軟件的優缺點比較。

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術界應用比較廣泛。 OPENET是一款商業仿真軟件,雖然仿真速度比較快,但是下載使用費用高,不適合作為學校的教學仿真軟件。Network Simulator 非常適合傳輸層以上仿真,當仿真節點數比較多時仿真速度會變慢。 在對比國內外各種網絡仿真軟件后,結合我校硬件環境和學生自身特點,選擇Network Simulator 對課程中的若干協議及關鍵技術進行仿真［12-14］。

3.2 Network Simulator 仿真流程

采用Network Simulator version 2 進行無線網絡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建編寫Tcl/OTcl 程序,一般經過4 個步驟,選擇或開發相應模塊；編寫仿真腳本(生成節點、安裝網絡設備、安裝協議棧、安裝應用層協議、其他配置)啟動仿真；仿真結果(網絡場景或網絡數據)分析。

仿真內容采用分組分方案進行。 具體操作如下:選擇計算機網絡成績較好的6 名同學為6 個小組的組長,其他學生隨機組合分配到6 個小組,確保每個小組的仿真內容和數據各不相同,使得組內學生互相監督完成實驗,組間實驗內容差異化,這樣也有利于學生之間的相互協作。

4 結語

將仿真軟件Network Simulator 融入理論課程中,通過NS2 提供的動畫演示,構建更加接近現實工作場景的教學情境,根據每一章節理論內容,搜集案例和設計對口項目,并在模擬仿真軟件中實現,使學生們直觀形象地掌握各種無線網絡技術的原理和功能,讓學生深刻理解無線傳感器網絡各層協議工作過程及原理。 以更寬的視野來解讀物聯網專業,使物聯網工程專業與社會發展、市場規律、管理模式等緊密結合起來,獲得良好的教學效果。