Προσαρμογή Λογισμικών Προσομοίωσης Δικτύων για την Προσομοίωση Ασυρμάτων Δικτύων Αισθητήρων (WSNs) Υψηλής Χωρικής Πυκνότητας

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει την προσομοίωση ασύρματων δικτύων αισθητήρων, μέσω της τροποποίησης και του προγραμματισμού κατάλληλου λογισμικού.Τρεις προσομοιωτές δικτύων έχουν ληφθεί υπόψη: το Shawn, το Omnet++ και το Castalia. Και οι τρεις βασίζονται στη γλώσσα προγραμματισμού C++. Οι δύο πρώτοι δεν αποτελούν προσομοιωτές με τη στενή έννοια του όρου, αλλά περισσότερο βιβλιοθήκες εργαλείων και υποδομών (C++ τάξεις), για να προγραμματίζονται προσομοιωτές. Επιπλέον, το Castalia είναι ένας προσομοιωτής του Omnet++. Η τροποποίηση του λογισμικού γίνεται με γνώμονα τον προγραμματισμό προσομοιωτών ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων μεγάλης χωρικής πυκνότητας. Σε ένα τέτοιο δίκτυο δεχόμαστε δύο ειδών κόμβους: αισθητήρες (sensors) και πύλες (gateways). Οι αισθητήρες είναι συσκευές εκπομπής σήματος και οι πύλες αποδέκτες αυτής της εκπομπής. Επιπλέον, η περιοχή ενδιαφέροντος περιορίζεται σε ανοιχτό χώρο υπαίθρου με διάφορες συνθήκες βλάστησης. Η εργασία αποτελείται από τέσσερα μέρη: Στο πρώτο μέρος αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο της εργασίας, αναπτύσσοντας παράλληλα τις δομές των τριών προσομοιωτών ξεχωριστά. Παρουσιάζεται επίσης η πολιτική τους στη συγκρότηση και εκτέλεση προσομοιώσεων, και παράλληλα καταγράφονται συνοπτικά οι ελλείψεις του καθενός στα πλαίσια των περιοχών ενδιαφέροντος που εξετάζουμε. Στο δεύτερο μέρος γίνεται ανάλυση της μετάδοσης ραδιοσυχνοτήτων και μοντέλων μεγάλης κλίμακας για τον υπολογισμό της εξασθένισης της ισχύος σήματος, ώστε να εξεταστεί υπό το πρίσμα αυτό η συνδεσιμότητα των κόμβων. Αυτή η ανάλυση αποτελεί το θεωρητικό υπόβαθρο για την ανάπτυξη των αλγορίθμων και των σχέσεων πάνω στις οποίες κάθε προσομοιωτής θα εξετάζει την επικοινωνία. Στο τρίτο μέρος παρουσιάζεται η υλοποίηση που πραγματοποιήθηκε για κάθε λογισμικό προσομοίωσης. Αυτή έγινε με σεβασμό στην πολιτική και αρχιτεκτονική που προωθεί ο καθένας από αυτούς. Κύριος άξονας ανάπτυξης κάθε εφαρμογής ήταν η ενσωμάτωση των μοντέλων εξασθένισης ισχύος σήματος στις δομές εξέτασης της επικοινωνίας, και ο διαχωρισμός του ρόλου πομπού και δέκτη για τους αισθητήρες και τις πύλες. Στο τέταρτο μέρος εκτελείται σενάριο υπολογισμού ισχύος για θέσεις κόμβων σε δύο δίκτυα αισθητήρων. Για τα δίκτυα αυτά έχουμε μετρήσεις ισχύος από ανεξάρτητη εργασία τις οποίες και συγκρίνουμε με τα αποτελέσματα των προσομοιωτών. Στη δοκιμή αυτή παρουσιάζεται χαρακτηριστικά και η ροή μιας εργασίας από την προετοιμασία των δεδομένων μέχρι την τελική παρουσίασή τους. Τέλος, η εργασία κλείνει με την κριτική των τριών προσομοιωτών, τόσο ανεξάρτητα όσο και σε σύγκριση μεταξύ τους. Δίνονται τα τελικά συμπεράσματα της εκπόνησης της εργασίας με τις εμπειρίες και τα προβλήματα που παρουσιάστηκαν. Αναφέρεται μια προοπτική ανάπτυξης και βελτίωσης των συγκεκριμένων υλοποιήσεων όπως και μια γενικότερη θεώρηση του θέματος.

The present diploma thesis examines Wireless Sensor Networks (WSNs) Simulation through modifying and programming simulation software. Three simulators are examined: Shawn, Castalia and Omnet++. All of them are programmed in C++. Shawn and mostly Omnet++ are not considered strictly simulators; rather, simulation frameworks for building simulators. Castalia was built using the Omnet ++ framework, so that makes it an Omnet++ simulator. Source code modification and coding in general are done under the concept of high density WSNs implementation. In such a network two kinds of nodes are accepted: sensors and gateways. Sensors are devices transmitting radio signals and gateways are the receivers of this transmission. These nodes reside in an open area with various types of vegetation. This diploma thesis consists of four parts: Part One analyses the theoretical framework while exploring separately the simulators’ structure. Their different policies concerning the formation and performance of simulations are presented, while their inadequacies are stated, based on this thesis’s needs. Part Two supplies a short explanation of the RF Propagation phenomenon and presents a variety of large-scale signal attenuation models, which will be used to calculate node connectivity. This analysis results to the theoretical framework for algorithm and function development. These algorithms are compiled in the communication model of each simulator. Part Three presents a custom implementation for each simulator, with respect to their particular architectures and policies. The programming techniques used and generated code are presented in detail. The major goal of each simulator was the integration of the signal loss models in the simulation process and the distinction between sensors and gateways over the transmitter/receiver functionality. Part Four presents a simulation scenario for two WSNs. Each WSN consists of a number of sensors and a gateway. The received signal strength at the gateway of each network for is calculated for all sensors, using the three simulators we built. Independent measurements of signal strength are provided for the sensors of these networks, which we compare with the calculated data of the simulators. The process of simulation is presented from preparation to the final presentation of results. The simulators are assessed both independently and in relation to one another. The final conclusions of the procedure are given as well as the experiences and the problems that were faced. Ways the matter could be explored further are also mentioned, followed by an analysis of some thesis’s issues in a broader perspective.