基于OMNeT++的传感器网络仿真

基于OMNeT++的传感器网络仿真1

操敏1，李文锋1，袁兵1

1武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉 （430063）

E-mail：cm_991221@

摘 要：本文介绍了OMNeT++的组成和体系结构，详细论述了OMNeT++编程的语法，并对OMNeT++的建模过程作了较为深入的阐述。我们实现了在界面程序中为仿真配置运行参数，并在OMNeT++平台上对LEACH协议进行了仿真。

关键词：网络仿真 用户接口 无线传感器网络

中图分类号：TP391.9 A

1．引言

OMNeT++是Objective Modular Network TestBed in C++的英文缩写，它是开源的基于组件的模块化的开放网络仿真平台，是近年来在科学和工业领域里逐渐流行的一种优秀的网络仿真平台。OMNeT++作为离散事件仿真器，具备强大完善的图形界面接口和可嵌入式仿真内核，同NS2，OPNET和JavaSim等仿真平台相比，OMNeT++可运行于多个操作系统平台，可以简便定义网络拓扑结构，具备编程，调试和跟踪支持等功能。OMNeT++主要用于通信网络和分布式系统的仿真，目前最高版本为OMNeT3.2p1[1]。

2．OMNeT++框架

2.1 OMNeT++组成

OMNeT++主要由六个部分组成：仿真内核库（simulation kernel library,简称Sim），网络描述语言的编译器（network description compiler, nedc），图形化的网络编辑器（graphical network description editor,GNED），仿真程序的图形化用户接口－Tkenv，仿真程序的命令行用户接口－Cmdenv，图形化的向量输出工具－Plove。

Sim是仿真内核和类库，用户编写的仿真程序要同Sim连接，Sim在OMNeT++中占据最为核心重要的地位。下面详细介绍的另外两重要组成部分。

1．网络描述（NED）语言

NED是模块化的网络描述语言。网络描述包括大量的对组件的描述，如通道，简单和复合模块的类型。这些组件描述可用于各种不同的网络描述中。NED语言用来定义模型中的网络拓扑结构，较为简单的网络拓扑可以使用GNED，但复杂网络的拓扑描述还应该用NED源文件方式书写。

2．用户接口

OMNeT++的用户接口用于实现仿真程序的人机交互，OMNeT++允许模型内部机制对用户可视化，也允许用户启动和终止仿真，并更改模型内部的变量。OMNeT++中的图形化接口是一个用户工具，可方便用户了解模型内部的运行机制。

用户接口和仿真内核的交互是通过一个已定义的接口实现的。无需改变仿真内核，就可以实现不同类型的用户接口。同样无需更改模型文件，仿真模型可在不同接口下运行。用户可以在强大图形化用户接口下测试和调试仿真程序，并最后可在简单快速的用户接口中运行，而且该接口支持批处理。

1 本课题得到国家自然科学基金项目（60475031）和湖北省青年杰出人才基金项目（2005ABB021）的资助

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目前OMNeT++支持两种用户接口，即Tkenv和Cmdenv。对仿真进行的测试和调试可以在Tkenv接口下进行，Tkenv是一个简便易用的图形窗口化的用户接口，Tkenv支持跟踪，调试和执行仿真的功能。它在执行仿真过程中的任意时刻都能够提供详细的状态信息。Tkenv的主要特征有：各模块的文本输出有其独立的窗口，仿真过程中可以在Tkenv窗口中看到自传消息，支持仿真动画，标记断点，具有检查窗口，可以检查和改变模型中的变量，执行过程中仿真结果的图形化显示并且结果可以用柱状图和时间序列图显示，仿真可重新进行，快照文件用于显示模型的详细信息。

Cmdenv接口用于实际的仿真实验，因为Cmdenv支持批处理。Cmdenv是一个简便的小型命令行接口，执行速度快。它可以在所有操作系统平台上运行。Cmdenv可以一次批处理配置文件中所有的仿真。

2.2 OMNeT++框架

OMNeT++具有模块化的结构，图1是OMNeT++仿真的高层体系结构[1]。

图1 OMNeT++仿真程序的体系结构

图1的箭头表示两组件之间的交互，图中共有5个箭头，表示了组件间的5种关系。

①执行模型和Sim：仿真内核管理将来的事件，当有事件发生时，仿真内核就调用执行模型中的模块。执行模型的模块存储在Sim的main对象中。执行模型依次调用仿真内核的函数并使用Sim库中的类。

②Sim和模型组件库：当仿真开始运行创建了仿真模型的时候，仿真内核就实例化简单模块和其它的组件。当创建动态模块时，仿真内核也要引用组件库。实现在模型组件库中注册和查寻组件也是Sim的功能。

③执行模型和Envir：ev对象作为Envir的一部分，是面向执行模型的用户接口。仿真模型使用ev对象来记录调试信息。

④Sim和Envir：由Envir决定创建何种模型，Envir包含主要的仿真循环，并调用仿真内核以实现必须的功能。Envir捕捉并处理执行过程中发生在仿真内核和或类库中的错误和异常。

⑤Envir和Tkenv，Cmdenv：Envir定义了表示用户接口的TOmnetApp基类，Tkenv和Cmdenv都是TOmnetApp的派生类。main()函数是Envir的一部分，为仿真决定选用合适的用户接口类，创建用户接口类的实例并执行。Sim和模型对ev对象的调用通过实例化TOmnetApp类进行。Envir通过TOmnetApp和其它类的方法实现Tkenv和Cmdenv的框架和基本功能。

3．OMNeT++语法

OMNet++是面向对象的离散事件模拟工具，为基于进程式和事件驱动两种方式的仿真提供了支持。OMNet++采用了混合式的建模方式，同时使用了OMNet++特有的ned（NEtwork

Discription，网络描述）语言和C++进行建模。

3.1 NED语言[1]

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NED语言包含的组件：import指令，通道定义，简单和复合模块定义，网络定义。此外，NED语言还可以定义自己的message格式。

1．import指令：用于从其它的网络描述文件引入声明。在引入了一个网络描述之后，可以使用该网络的组件，如通道，简单和复合模块等。

2．通道定义：定义通道有三个可选的参数，即delay，error和datarate，这三个参数必须是常量。delay是传播延时，单位为秒。error是位误码率，即错误传输一位的概率。datarate是通道的传输速率，单位为位/秒，用于计算包的传输时间。

3．简单和复合模块定义：在ned中，主要的实体是模块（module）。模块分为两种，一种是普通模块（simple module），一种为复合模块（compound module）。模块有gates，模块之间通过门（gates）进行消息（message）传输。

⑴简单模块是其它模块的基础，它的定义需要声明其参数和门。简单模块名的首字母应当大写，而参数和门的名称应当小写。

简单模块的算法可以访问其声明的参数，参数类型可以定义成numeric，numeric

const(简写为const)，bool，sring或者xml。也可以不定义参数类型，缺省的参数类型为numeric。

模块间连接的开始和终止点就是门。有两种门，即输入门和输出门。还可以使用门向量，一个门向量包含多个门。

⑵复合模块是由一个和多个自模块组成的。子模块可以是简单模块，也可以是复合模块。同简单模块一样，复合模块也有参数和门，除此之外，复合模块中还需声明个复合模块的子模块和连接。

OMNeT++具有层次化的模块化结构，最高层的模块称为系统模块或网络，该模块包含一个或多个子模块，而子模块也可以有自己的子模块，因此可以在OMNeT++用构建复杂的系统模型，见图2。

[1][2]图2 层次化模块结构

4．网络定义：网络定义声明仿真模型，模型是预先定义的模块类型的实例。在NED文件中定义网络模型，可以定义多个网络并在配置文件中选择要仿真执行的网络。

3.2 简单模块算法实现

[1]

简单模块的算法通过C++语言编写，OMNeT++使用CSinpleModule来直接或间接定义简单模块，再用Define_Module() 或Define_Module_Like()宏来注册该简单模块。每个简单模块都必须手动添加该宏，复合模块则由OMNeT++自动添加。

CSimpleModule有四个预先定义的成员函数：initialize()函数，handleMessage()函数，activity()函数和finish()函数。用户可以对该四个函数重新进行定义，一个简单模块中不能同时有handleMessage()和activity()函数。

1） Initialize()函数：在初始化消息放入FES（Future Event Set，未来事件集）后，在执行前被调用，初始化成员变量。复合模块的初始化先于其子模块。

2） handleMessage()函数：handleMessage()的主要应用于：大规模的模拟环境，比如说几千个Simple Module，用户需要用handleMessage()以省下用activity()为每个模块划分的栈空间；函数调用比协同程序切换快得多；对于需要维持较大的状态信息的模块或者是

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多状态的复杂的通信协议，handleMessage()较适用。采用handleMessage()的优势有：占用内存少，无需为简单模块分配独立的栈空间；执行速度快，采用handleMessage()的劣势有：本地变量无法存储状态信息；需要重载initialize()；模块设计时不太方便。

3） activity()函数：它使得用户可以象编写一个进程、线程一样编写一个简单模块。等待消息、延缓执行时间等等。拥有这个函数的多个简单模块作为一系列协同程序协同执行，又称之为协同多任务。手动设置模块栈空间，一般为16k，如果模块存在递归或本地变量占空间较大的话，可以设置为更大的栈空间。采用activity()的优势有：无需重载initialize()；可以将模块作为进程描述。采用activity()的劣势有：有内存分配问题，主要由于栈的手动分配，成千上万个Simple Module的分配造成内存不堪重负；运行时负载过重，协同程序间的切换比普通函数调用慢了很多；不是一种较好的编程方式，使用activity()会导致代码不可靠。

4） Finish()函数：循环结束后正常中止时被调用，模块的调用顺序刚好与initialize()相反。

在OMNeT++中，事件在简单模块内部产生。初始化阶段，OMNeT++以NED构建网络，调用所有模块的initialize()函数。activity()和handleMessage()用以实现模块的行为，在事件处理时被调用。模拟成功结束时调用finish()函数，它最典型的应用就是记录下一些模拟时的统计信息。OMNeT用message表示事件，有事件发生的模块就是收到消息的模块。

4．OMNeT++建模

4.1 建模流程

在完成消息格式、ned和c++代码以后，使用opp_nmakemake就可以直接生成VC的makefile文件。如果是类unix平台，用opp_makemake即可。使用命令nmake –f 编译完成后，得到一个可执行文件。为这个可执行文件添加一个配置文件交，就可以在任意机器上执行仿真过程，完全脱离仿真平台了。

OMNeT++仿真程序可在各种平台上运行：具备GNU工具的Solaris, Linux(或其它类Unix)

操作系统；Win32操作系统和CygWin32；Win32操作系统和Microsoft Visual C++。其中CygWin是gcc在Win32操作系统中的接口。同NS2等其它网络仿真工具相比， OMNeT++可在Win32操作系统下安装和运行，使用方便，大大简化了Linux下的工作。

OMNeT++建模的流程见图3[1]：

图3 OMNeT仿真建模流程

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[5]为了方便在文件中改动参数，我们用VC6.0编写了一个界面程序，见图4。该界面程序可以直接修改配置文件的参数，可以简化仿真操作。

图4 界面程序

该界面程序简化了文件的参数配置过程，从配置运行参数到编译、连接、运行以及查看仿真结果都可以在一个界面上完成，大大简化了仿真工作。该界面输入各个参数值后，点击“写INI文件”按钮，可以将输入的各个参数值写入文件。再点击“编译与连接”按钮，可以执行opp_nmakemake -f 和 nmake –f 两个命令，这样将生成和相应的可执行文件。编译连接完成之后，点击“运行”按钮，将直接调用生成的exe文件，同时打开Tkenv界面。程序运行完成之后，点击“仿真结果分析按钮”，将打开这个标量文件，以显示仿真分析结果数据。

4.2 仿真实现

在OMNeT++平台上，我们对无线传感器网络（wireless sensor networks，简称WSNs）的LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy）协议进行了仿真。LEACH算法的核心思想是减少与基站直接通信的节点数量来达到节能的目。LEACH 协议按轮(round)运行,每轮分为簇形成和簇稳定两个阶段。为了提高能量的利用率，应保证簇稳定阶段维持较长的时间。

在簇形成阶段,首先随机选出部分传感器节点作为簇头，接着选出的簇头以CDMA/CA方式向其它普通节点发送广播消息,普通节点根据接收信号的强弱来选择自己的簇头加入,并同该簇头一起形成簇，簇中的普通节点称为该簇的成员节点。

在稳定阶段中, 成为簇头节点的节点向其成员节点发送TDMA(时分复用)帧，即将传输时槽分配给其成员节点。簇中的成员节点在所分配的时隙内，把采集得到的数据传送给簇头,簇头将簇内所有成员节点收集的数据进行数据融合后再发给Sink节点。图5是LEACH算法描述的WSNs的工作原理。

[3][4]

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图5 LEACH算法下WSNs的工作模式

我们在50×50的仿真区域内布撒50个节点，在OMNeT++平台上仿真实现了LEACH协议，见图6。

图6 LEACH的仿真实现

5．结束语

本文详细介绍了OMNeT++这个优秀的网络仿真平台，它主要用于离散事件的模拟。OMNeT++相对其它网络模拟器来说，使用是较为简单的，但其使用方法仍然尤其特殊性和复杂性。本文详细介绍了如何使用OMNeT++,对其体系结构，编程语法以及建模过程都作了详细介绍与深入剖析。然后我们还介绍了一个用于更改配置参数的界面程序，使用该界面程序可以有效减少用OMNeT++进行仿真的工作量，最后进行了LEACH协议的仿真实现。

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参考文献

[1] Andras Varga. OMNeT++ User Manual[EB/OL]. /

[2] da等. Simulating Wireless Sensor Networks with OMNeT++[EB/OL].

/sensor_web/

[3] Wendi lman等. Energy Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks[A].

Proceedings of the 33rd Hawaii International Conference on System Sciences[C]. Jan, 2000.

[4] Wendi lman等. An Application Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor

Networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications. 2002, 1 (4) : 660 - 670.

[5] 刘惊雷.Visual C++实用教程.北京：电子工业出版社，2005年

Sensor Network Simulation based on OMNeT++

Min Cao WenFeng Li Bing Yuan

School of Logistics Engineering,

Wuhan University of Technology, Wuhan, HuBei China （430063）

1. Abstract

This paper introduces components and the architecture of OMNeT++, discusses the grammar of

OMNeT++ programming in detail, and demonstrates deeply the model creation in OMNeT++. We

implement an interface of configuring parameters for simulation with OMNeT++，and simulate the

LEACH protocol on OMNeT++ platform.

Keywords: Network Simulation User Interface Wireless SensorNetwork

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