CN102307369B - 支持无线传感网并行仿真和实物模拟的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持无线传感网并行仿真和实物模拟的装置及方法，该装置包括多个传感器节点：用于传输工作参数、映射为虚拟节点、实现在线调试；并集成至模拟分簇传感网；模拟分簇传感网：用于建立模型、支持网络的管理，以及在仿真中集成一个模拟特定应用的无线传感网、支持传感器节点的在线软件调试、支持模拟实际传感器网络的真实性能分析；并行事件调度器：与所述模拟分簇传感网通讯连接，用于针对多核计算机完成多线程规划、并行执行仿真事件、维护全局的事件队列；数据处理平台：与所述模拟分簇传感网通讯连接，用于接收、存储、分析和显示数据。本发明可以准确描述不同建模复杂度下的无线传感网性能以及节点调试信息。

Description

支持无线传感网并行仿真和实物模拟的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种支持无线传感网并行仿真和实物模拟的装置及方法，用于准确描述不同建模复杂度下的无线传感网性能以及节点调试信息，属于无线传感网仿真和系统建模技术领域。

背景技术

无线传感网(Wireless Sensor Networks，WSN)以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了一场信息感知革命。在继互联网之后，物联网正在凸显其所具有的革命性意义，而无线传感网作为物联网的重要支撑技术，其可以完成物理世界信息的智能采集和可靠传输，但无线传感网的高可靠、高能效运行是将其真正广泛应用的前提和挑战。相关技术的研究需要有效的仿真平台，支持大规模分簇无线传感网的模拟以验证技术的有效性；同时，对实现了相关技术的传感器节点进行嵌入式软件的调试也需要有效的测试平台，以支持节点和平台模型集成模拟网络，在相对真实的物理环境下运行以跟踪节点的工作数据，并模拟网络的运行状况。

目前，无线传感网的研究平台大致分为以下3种：

一、数学分析工具，其仅对模型验证有效，无法模拟整个网络的运行。

二、系统测试平台，其能够获取真实网络的运行参数，准确分析相关技术的有效性；，但是成本较高，可扩展性弱，还需要额外的数据处理平台。

三、仿真平台，其在对无线传感网进行系统建模的基础上，模拟节点、网络的工作过程，并集成数据存储、分析功能，验证相关技术的有效性，虽然其可信度与建模深度有关，但是能够方便对各种相关技术进行分析。

鉴于上述，仿真平台的设计和实现一直是无线传感网技术研究的热点和难点。

例如，申请号为201010100830.3的中国专利申请提供了“一种无线传感网仿真系统”，其包括多个组成单元，并建立了能量模型，支持仿真无线传感网的通信协议以及各种应用，统计各个传感器节点的能耗，客观实际地为研究方案提供参考性的技术指标。但是该申请提出的仿真系统的结构没有与传感器节点、传感器网络的相映射，在仿真不同技术时，系统的可扩展性较弱。所有业务的完成，包括仿真初始化、事件调度等，都需要存取数据库，仿真的规模会受限。

申请号为200810115664.7的中国专利申请提供了一种“网络化嵌入式系统的仿真方法及其装置”，该装置包括服务端设备、现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，简称FPGA)的网络仿真设备以及若干个传感器节点，能够实现半实物的网络仿真。但是该申请中的节点是通过有线方式连接到仿真平台的，所以仿真规模受限于仿真平台接口；另外，节点集成在仿真系统中，虽然能够完成节点的功能测试，但是信道模型是由FPGA模拟的，因此仿真的并行化程度不高。

申请号为200710045602.9的中国专利申请提供了一种“基于无线传感网体系下的信息融合系统性能测试床”，该测试床采用了模块化机制，通过无线仿真模块提供高保真度的无线传感网环境，并在传感器节点和汇聚节点挂载信息融合模块，实现信息融合系统的测试；性能评估模块定量计算各项评价指标。该申请主要针对无线传感网络的信息融合系统提供了评价和测试的方法和装置，但未支持无线传感网其他相关技术的研究，传感器节点描述没有涵盖其主要的资源和任务。

综上，现有的仿真平台存在多项缺陷，例如随着网络建模深度、网络部署规模的增加，仿真平台的计算复杂度提高；仿真的结果与网络的实际应用偏差较远，无法调试节点的嵌入式程序。

发明内容

本发明的目的是提供一种支持无线传感网并行仿真和实物模拟的装置及适用于该装置的支持无线传感网并行仿真和实物模拟的方法，以解决现有技术存在的上述问题，为无线传感网技术研究提供一种可扩展、灵活配置的平台。

为实现本发明的目的，本发明提供的支持无线传感网并行仿真和实物模拟的装置包括：多个传感器节点、模拟分簇传感网、并行事件调度器和数据处理平台；所述多个传感器节点用于传输工作参数、映射为描述实际节点的资源和任务并反映节点功能的虚拟节点、实现在线调试；并集成至所述模拟分簇传感网，以跟踪节点在应用网络中的工作过程，为节点的实际部署提供测试数据；所述模拟分簇传感网用于建立模型、支持网络的管理，以及在仿真中集成一个模拟特定应用的无线传感网、支持所述传感器节点的在线软件调试、支持模拟实际传感器网络的真实性能分析；所述并行事件调度器与所述模拟分簇传感网通讯连接，用于针对多核计算机完成多线程规划、并行执行仿真事件、维护全局的事件队列；所述数据处理平台与所述模拟分簇传感网通讯连接，用于接收、存储、分析和显示数据，以完成并行仿真网络的性能分析以及实物模拟网络的在线调试和测试。

为了实现本发明的目的，本发明提供的适用于上述装置的无线传感网并行仿真和实物模拟的方法包括以下步骤：根据无线传感网的应用需求建立无线传感器节点；实现事件执行时间的建模，并将时间模型的关键数据记录在数据库中；判断研究方式，如果采用仿真方式，按照分层模块化建立虚拟节点；如果采用实物模拟方式，按照支持实物模拟与仿真相融合建立简化的虚拟节点，实现与实物无线传感器节点的映射，并建立无线传感器节点与虚拟节点之间的通讯连接；按照应用需求建立模拟分簇传感网；事件调度器控制模拟分簇传感网进行并行仿真或实物模拟；将模拟分簇传感网执行过程的相关数据发送到数据处理平台，并完成数据的存储和分析。

本发明通过参数设置、派生对象的开发，建立应用相关的模拟网络，对实现高可靠、高能效无线传感网的相关技术的有效性进行仿真数据分析，并对实际节点的功能进行在线测试。本发明可以针对大规模无线传感网下的技术研究，以及无线传感器节点的嵌入式系统研究提供并行仿真以及实物模拟，以准确描述不同建模复杂度下的无线传感网性能以及节点调试信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明装置优选实施例的结构示意图；

图2是本发明装置实施例中传感器节点映射的虚拟节点的分层架构示意图；

图3是本发明方法优选实施例的流程图；

图4是本发明方法优选实施例中事件执行时间建模实现示意图；

图5是本发明方法优选实施例中实物节点集成到仿真平台实现实物模拟的方法示意图；

图6是本发明方法优选实施例中虚拟节点支持实物模拟的映射方法说明图；

图7是本发明方法优选实施例中带时间域的事件并行执行的算法示意图；

图8是本发明方法优选实施例中并行事件主动下发、优化调度的过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术存在的仿真平台计算复杂度提高、仿真的结果与网络的实际应用偏差较远、无法调试节点的嵌入式程序等诸多问题，本发明提供一种支持无线传感网并行仿真和实物模拟的装置及适用于该装置的支持无线传感网并行仿真和实物模拟的方法。

图1是本发明装置优选实施例的结构示意图，如图1所示，仿真模拟装置包括传感器节点101、模拟分簇传感网103、并行事件调度器104和数据处理平台105，其中传感器节点101映射为仿真虚拟节点102。

传感器节点101是装载了嵌入式软件的实物节点，通过有线无线方式与模拟分簇传感网103连接，并映射为虚拟节点102；按照参数配置，传感器节点101会发送运行状态信息，实现在线调试，以及跟踪节点在模拟现场网络中的工作过程。仿真虚拟节点102是用分层结构建立的软件模块，采用了组合组件形式，可以选择定制其组成功能组件，准确地描述实际节点的资源、任务，模拟节点功能。

模拟分簇传感网103负责实现网络管理模块1031，设置网络属性、组建传感网，以方便研究相关技术对无线传感网络性能影响的有效性；负责建立应用环境相关的无线信道1032和传感通道1033两种模型，以准确地跟踪网络的运行。管理模块1031支持网络的自生成和自维护，包括实现拓扑管理模块10311、同步管理模块10312、连接管理模块10313、安全管理模块10314和信息记录管理模块10315等以负责相应的功能。在网络仿真中，虚拟节点102以模拟分簇传感网103的内嵌模块形式，或者以数据通讯收取传感器节点101实际运行数据的形式，模拟传感器节点101的功能，并通过消息传递机制与传感通道1033配合，模拟完成物理参数的采集；与无线信道1032和传感物理信道1033有机结合，模拟分簇传感网络的运行过程，支持传感器节点101的在线软件调试，以及实际网络的真实性能分析。

并行事件调度器或者说事件调度器104负责针对多核计算机完成多线程规划，并行执行仿真事件，以支持大规模的无线传感网络的仿真。每个事件E都以元组形式描述，如E＝{IDi，FU，RU，Tstart，Tend}。ID是事件序号，FU定义事件相关的功能部件，即执行事件的组件标识；RU是事件执行中会使用的资源组件，Tstart是事件起始时间，Tend是事件结束时间。事件调度器104负责维护全局的事件队列，每个事件都具有五元组属性，队列按照Tstart升序排列的。事件调度器104依次查询事件队列中的当前事件，并判断可并行性；如果可并行，就将事件下发给其他处理器执行，而事件调度器继续分析处理随后的事件。

数据处理平台105负责接收、存储、分析和显示节点和网络的运行状况，包括节点采样数据、节点调试数据、网络运行数据等，以完成并行仿真网络的性能分析，以及实物模拟网络的在线调试和测试。数据处理平台105包括数据通讯模块1051，数据存储模块1052，数据分析模块1053和数据库1054组成。数据通讯模块1051负责与模拟分簇传感网103通讯，接收各种运行数据，并按照类型完成数据格式化；数据存储模块1052可以web服务方式提供数据库1054的各种操作：数据库连接，数据库表和记录的增、删、改等操作；数据库1054存放网络配置、网络运行相关的所有数据；数据分析模块1054可以是图形化的组件模块，为使用者提供了良好的运行界面，利用丰富的界面元素，支持配置网络、监控网络、调整网络以及网络运行性能分析和节点功能跟踪。

图2是虚拟节点102的分层架构示意图。仿真虚拟节点102用来模拟传感器节点101的工作过程，可用程序代码以组件形式实现模拟，或与实物节点映射，以收取实物节点运行的状态信息的形式实现模拟。仿真虚拟节点102采用了分层架构，方便实现不同模拟形式和应用功能的切换；按照节点的硬软件功能，建立了三层架构的仿真虚拟节点，分别为节点任务层201、管理层202和资源层203。

虚拟节点102的资源层203负责对节点的硬件资源建立模型，描述硬件资源的状态变化以及能量消耗。常用的硬件部件包括供电模块(通常为电池模块2031)、存储单元2032、中央处理单元CPU2033、多个传感接口2034、多个射频模块2035。其中电池模块2031提供了电池放电的模型，并记录电池电量随着其他资源部件的工作状态变化的情况。射频模块2035实现信号的收发功能，发送信号会按照无线信道1032定义的时变模型衰减，并通过无线信道1032传送给目标节点的射频模块2035。传感接口2034向传感物理通道1033发送采样消息，根据传感物理通道1033定义的模型模拟物理信息的采集，并获取采样数据的特征。

虚拟节点102的管理层202负责协调节点中的各个组件的工作，配合完成指定的应用任务。管理层202用于资源管理2021、移动管理2022、数据融合管理2033。资源管理2021可以提供公告板功能，节点中的各个组件可以向公告板注册能响应的消息类型；当组件发送特定消息到公告板后，会被转发给定制该信息的组件，完成消息响应操作。公告板模式为不同任务使用资源提供统一的接口。移动管理2022定义多种移动模型，支持节点按照移动模型定时移动位置，并通知图1中的连接管理模块10313，根据节点射频模块2035的覆盖范围属性重新建立网络的连接、更新拓扑。数据融合2023建立数据融合模型，为相关应用提供融合策略。

虚拟节点102的节点任务层201负责定义节点功能，模拟实物节点的工作流程。应用层2011完成应用相关的各项任务功能，可分解为数据传输20111、采样20112和计算20113的组合。数据传输任务时，应用层会将传输的数据发送给路由层2012、MAC层2013、物理层2014，并通知射频模块2035完成数据的发送；同时无线信道1032传递来的信号由节点的射频模块2035接收，并依次上传到应用层2011。数据采样时，应用层2011会通知采样驱动2015，完成一次物理信息的采集，采样驱动2015通知传感接口2034完成数据采集，并将采样数据的特征发送给应用层2011。计算主要是处理或存储采样数据、网络传输数据以及节点运行过程的状态数据，因此在计算时，应用层2011会发消息给数据处理存储2016，完成数据计算，并由数据处理存储2016通知CPU 2033和存储单元2032，完成状态变化。

图3是本发明方法优选实施例中动态集中式并行调度方法的执行流程图，展示了大规模无线传感网的仿真或模拟的整个操作过程，包括但不限于以下步骤：

步骤301中，根据无线传感网的应用需求建立无线传感器节点101，例如设计开发各无线传感器101的嵌入式软件、配置无线传感器101的相关运行参数等。

步骤302中，采用定义静态最小时间以及动态运行时间修正值的方法实现事件执行时间建模。事件执行时间建模的方法可以参照图4的详细说明。

步骤303中，按照事件类型将静态最小时间和运行修正关键值记录在数据库1054的数据表中，支持在并行调度仿真事件过程中计算事件的执行时间。

步骤304中，判断研究的方式，如果采用仿真方式，就执行步骤3051，按照分层模块化方法建立虚拟节点102，虚拟节点的分层架构如图2所示；如果采用实物模拟方式，就执行步骤3052，采用支持实物模拟与仿真相融合的方法，建立简化的虚拟节点，实现与实物无线传感器节点的映射；接着执行步骤3053，建立实物无线传感器节点101与虚拟节点之间的通讯连接。其中，将实物节点映射为虚拟节点的方法参照图5-6的详细说明。

步骤306中，按照应用需求建立模拟分簇传感网103，例如，定义网络的拓扑结构、信道模型和传感模型等。

步骤307中，模拟仿真无线传感网的工作过程，作为核心控制部件的事件调度器104采用动态集中式并行事件调度方法，控制模拟分簇传感网103的并行执行，以控制模拟分簇传感网进行并行仿真或实物模拟；事件调度方法参照图7-8的详细说明。

步骤308中，将模拟分簇传感网的执行过程中相关数据发送到数据处理平台105，完成数据的存储和分析，以图形化方式描述无线传感网相关技术的有效性。

图4是事件执行时间建模实现方法示意图。一般而言，离散事件模拟器只带有时间戳，记录时间起始时间，而执行花费时间设为0。原因在于：一、利用全局执行顺序，简化仿真，避免了事件执行倒置问题；二、实际的仿真过程花费的时间无法准确获取；三、调整事件的时间戳也可以对传输延迟建模。但对事件执行过程耗费的时间建立模型，仿真会更真实准确；并应用额外的分时信息，有效地实现并行仿真模型。

图4说明了对事件执行时间建模的过程，采用事件代码映射技术建立事件静态运行时间Tmin，时间动态修正策略建立动态运行时间Tmod，事件的执行时间为Tduration＝Tmin+Tmod，事件的执行时间域为{Tstart，Tend＝Tstart+Tduration}。

图4针对MicaZ型节点，对事件执行时间进行分析建模。MicaZ系统的功能程序401是运行MicaZ系统的节点完成特定功能的程序代码，功能程序401所示的程序是完成采样功能的，包括初始化传感器接口InitAD、采样数据sampleData等。图4采用了Avrora模拟功能程序401在MicaZ系统下运行，并分析运行的时间特征，并用特征值DurationInitAD记录初始化传感接口的执行时间，DurationSampleData记录单次采样数据的时间，并将Avrora模拟器对事件执行代码的分析结果放置到事件映射数据库403中。

图4的带事件戳的事件仿真程序402是离散事件仿真程序对事件的一般处理方式，在创建新事件时通过setStartTime方法定义事件的时间戳，通过scheduleAt方式或者发送消息的方式创建事件。

图4的执行时间建模后的事件仿真程序404描述了本发明中对事件执行时间建模的实现。静态运行时间Tmin是在Avrora模拟器对实际节点上的程序运行结果进行分析的基础上定义的，Tmin＝DurationInitAD+DurationSampleData；由于无线传感网中事件最终处理时间具有动态特征，和处理时的迭代次数、参数等有关，发送数据的时间与发送包长度相关，因此事件处理时间需要在静态运行时间Tmin基础上进行Tmod调整。数据采样的仿真会根据实际传感物理通道特征state，进行相应的重新采样，采样次数为retryCount，采样的修正时间和传感物理通道的模型相关，在仿真运行过程中动态计算。图4所示的采样事件时间建模方法可一般化为如下步骤：

通过Avrora模拟器，模拟运行MicaZ系统的实际节点完成特定事件功能程序的过程，分析事件的执行单元集合{E1，E2，......，En}，获取相应事件单元的执行时间特征值集合{T1，T2，......，Tn}，计算实际节点执行事件耗费的最小静态时间Tmin＝∑Ti(i＝1，n)。

针对无线传感网中节点的移动性，信道和物理传感通道模型的时变性，会造成不可预知的执行过程，本发明方法优选实施例在静态执行时间基础上进行时间动态修正的策略，以准确定义事件的执行时间。

事件单元Ei执行过程中按需判断节点工作状态、网络传输状态，动态确认运行数据，包括事件单元需要迭代的次数ni，以及执行过程中与时间相关的参数值{P1，P2，...，Pk}。

将动态运行数据做为参数发送给动态修正时间的API函数，计算修正时间Tmod＝Ti＊ni+∑Pi(i＝1，k)。

事件的执行时间定义为Tduration＝Tmin+Tmod，事件的结束时间定义为Tend＝Tstart+Tduration。

图5是将实物节点集成到仿真平台实现实物模拟的方法示意图。传感器节点101是集成了嵌入式软件是实际无线传感器节点，仿真虚拟节点102与各种网络环境模型和管理模型组成了模拟分簇传感网103。仿真虚拟节点102负责反映传感器节点101的实际运行情况，并将运行状态传递给模拟分簇传感网103。传感器节点101通过无线方式，采用网络协议栈与仿真虚拟节点102通讯，或者采用有线方式，如串口或者USB口将运行状态发送到仿真虚拟节点102，如通信连接501所示。实物节点101与模拟分簇传感网103之间采用无线、有线的通讯方式，以及模拟分簇传感网103提供的多核多线程机制能支持大规模的实物节点的网络模拟。

图6是虚拟节点支持实物模拟的映射方法说明图。实物节点601是集成了嵌入式软件的传感器节点101。无线传感仿真虚拟节点604是定义了三层结构的仿真虚拟节点102。虚拟实物节点602是模拟实物节点工作过程的仿真虚拟节点102，是在与无线传感仿真虚拟节点604的三层架构基础上改造为二次架构，其中传感器节点实际模拟层603替换了节点任务层201和资源层203，以有线或无线方式与实物节点601通讯，实时获取节点的运行状态，以及在网络中的承担的责任，将实物节点601映射为了仿真虚拟节点102，做为模拟分簇网103的一部分完成实际节点的网络模拟。图6的数据传输605负责将实物节点601的实际运行数据发送给传感器节点实际模拟层603，以完成节点的调试跟踪和在网络中运行性能分析。因此数据包括网络运行数据和节点功能调试数据两类，格式分别如网络数据606和调试数据607所述。

图6所示的实现实物模拟的仿真步骤如下：

建立一个新的组件：传感器节点实际模拟层603，替换仿真虚拟节点中任务层201和资源层203的功能，但是接口保持一致；支持与管理层、无线信道1032和传感物理信道1033之间的接口，方便使用各种仿真模型。

传感器节点实际模拟层603实现无线网络通讯，以及有线串口通讯模块，与实物节点连接，获取实物节点的运行状态，跟踪调试节点嵌入式功能实现；将实物节点映射到虚拟节点，并通过信道模型将虚拟节点组成应用相关的无线传感网络。

图7是带时间域的事件并行执行的算法示意图。每个事件en都有执行时间域{Tstart，Tend}，Tstart标识起始时间，Tend标识执行结束时间。事件en开始执行之前就已经结束的事件称为en的前导事件701，如事件en-2或事件en-1；事件执行结束后发生的事件称为en的后续事件703，如事件en+4或事件en+5；在{Tstart，Tend}时间域内执行的事件称为en的并行事件702，如事件en+1、事件en+2或事件en+3。事件的执行时间重叠，意味着事件之间的相关性小，数据和资源共享率低，具有并行性。事件en的时间域定义了一个并行化窗口，起始时间在并行化窗口中的事件可与事件en重叠执行。在每个事件的Tstart时间点启动事件704，下发事件给不同的处理核的工作线程；在每个事件的Tend时间点结束事件705，并收取事件处理结果。

图8是动态集中式的并行事件调度方法示意图。并行事件调度机制是针对共享内存的多核处理器系统提出的主动下发、优化调度的并行执行策略。事件调度器801是实现集中式管理、动态优化调度的核心部件；所有事件都会先放到待执行事件队列802中；每个CPU核803都有一个工作线程804，维护着一个事件处理任务的存储单元job805，每个事件处理任务的存储单元job805设置了自旋锁810，满足对称多处理内核系统需要的锁定服务。仿真程序中的功能部件806负责执行各类任务和管理。实线箭头807是事件流，虚线箭头808是同步数据流，互斥锁/条件变量809定义了一种同步机制，允许线程挂起，直到共享数据上的某些条件得到满足。

图8描述的并行算法涉及到如下定义。E＝{仿真模型中的所有事件}，F是待处理事件集合，

D＝{目前已下发的事件集合}，W＝{工作线程集合}；事件e的起始执行时间Tstarte，事件结束时间为Tende，当前的并行事件窗口为Twin，NULL表示工作线程维护的事件处理任务的存储单元为空，函数waitForOneThread的功能是实现查询空闲的工作线程，如果没有空闲线程就阻塞，直到某个工作线程空闲，函数waitForSomeThread的功能是等待某个工作线程结束，以更新并行窗口。

图8所述调度方法的具体步骤如下：

步骤811中，功能部件进行初始化操作，将静态事件放置到待执行事件队列F中；并定义并行窗口Twin＝∞。

步骤812中，事件调度器801获取待执行事件队列中的第一个事件Ecurrent；并判断事件的并行性，将Ecurrent的执行结束时间Tend与并行窗口Twin进行比较；如果Tend≤Twin，就执并行事件处理；否则就等待Twin改变后再次进行判断。事件并行性判定的一种算法可以通过一种程序代码描述如下，但不限于如下所述：

步骤813中，事件调度器801查询工作线程的状态，找到可用的工作线程；将待执行的事件Ecurrent放置到已下发事件队列D中；并将事件Ecurrent分配给工作线程；同时修改Twin＝min{Tend(e)|e^∈D}。

事件调度器分发事件的算法如下，但不限于如下所述：

步骤814中，工作线程检查本地事件处理状态，即下发事件的存储空间job的状态；如果job空闲，就处理事件；否则job自旋锁住，实现线程同步。

步骤415中，工作线程执行事件过程中产生的新的事件队列会登记到待执行事件队列F中；工作线程执行事件完毕，修改Twin＝min{Tend(e)|e^∈D}。工作线程的算法描述如下，但不限于如下程序代码所述：

图8所述的事件调度器801为核心的动态集中式调度架构能实现有效的负载均衡性。无线传感网络仿真中，由于节点的移动性，信道的时空变化特征，会出现不可预知的工作负载变化；集中式管理事件队列、下发独立事件给某个处理核的架构可以保证仿真不受工作负载动态变化的影响，不需要附加专门的负载均衡机制。事件调度器的工作过程是依次查询事件队列，按照事件的启动时间找到当前事件，判断其并行性checkParallization，如果可并行执行，就下发事件给其他的处理核distributeEvent；事件调度器实现的功能算法如下，但不限于如下程序代码所示：

综上所述，本发明可以对实现高可靠、高能效无线传感网的相关技术的有效性进行仿真数据分析，并对实际节点的功能进行在线测试，可以为大规模无线传感网下的技术研究以及无线传感器节点的嵌入式系统研究提供并行仿真以及实物模拟，准确描述不同建模复杂度下的无线传感网性能以及节点调试信息。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种适用于支持无线传感网并行仿真和实物模拟的装置的方法，其特征在于，

所述支持无线传感网并行仿真和实物模拟的装置，包括：多个传感器节点、模拟分簇传感网、并行事件调度器和数据处理平台；

所述多个传感器节点用于传输工作参数、映射为描述实际节点的资源和任务并反映节点功能的虚拟节点、实现在线调试；并集成至所述模拟分簇传感网，以跟踪节点在应用网络中的工作过程，为节点的实际部署提供测试数据；

所述模拟分簇传感网用于建立模型、支持网络的管理，以及在仿真中集成一个模拟特定应用的无线传感网、支持所述传感器节点的在线软件调试、支持模拟实际传感器网络的真实性能分析；

所述并行事件调度器与所述模拟分簇传感网通讯连接，用于针对多核计算机完成多线程规划、并行执行仿真事件、维护全局的事件队列；

所述数据处理平台与所述模拟分簇传感网通讯连接，用于接收、存储、分析和显示数据，以完成并行仿真网络的性能分析以及实物模拟网络的在线调试和测试；

其中，所述模拟分簇传感网包括应用环境相关的无线信道、传感通道和支持网络自生成和自维护的管理模块；

其中，所述数据处理平台包括数据通讯模块、数据存储模块、数据分析模块；

所述数据通讯模块用于与所述模拟分簇传感网通讯，接收各种运行数据，并按照类型完成数据格式化；

所述数据存储模块用于以web服务方式提供存放网络配置、网络运行相关数据的数据库的各种操作；

所述数据分析模块用于支持配置网络、监控网络、调整网络以及网络运行性能分析和节点功能跟踪；

所述方法，包括以下步骤：

根据无线传感网的应用需求建立无线传感器节点；

实现事件执行时间的建模，并将时间模型的关键数据记录在数据库中；

判断研究方式，如果采用仿真方式，按照分层模块化建立虚拟节点；如果采用实物模拟方式，按照支持实物模拟与仿真相融合建立简化的虚拟节点，实现与实物无线传感器节点的映射，并建立无线传感器节点与虚拟节点之间的通讯连接；

按照应用需求建立模拟分簇传感网；

事件调度器控制模拟分簇传感网进行并行仿真或实物模拟；

将模拟分簇传感网执行过程的相关数据发送到数据处理平台，并完成数据的存储和分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用定义静态最小时间以及动态运行时间修正实现事件执行时间的建模；具体包括以下步骤：

计算事件静态运行时间Tmin，动态运行时间Tmod；

事件的执行时间定义为Tduration=Tmin+Tmod，事件的结束时间定义为Tend=Tstart+Tduration，Tstart是事件起始时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在按照支持实物模拟与仿真相融合建立简化的虚拟节点步骤中，采用分层架构定义虚拟节点，各层的功能组件独立。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述事件调度器控制模拟分簇传感网进行并行仿真或实物模拟的步骤中是采用动态集中式并行事件调度的方法，该动态集中式并行事件调度的方法包括以下步骤：

定义事件队列E={E1,E2,E3,……}，及每个事件的执行周期Tduration；

将静态事件放置到待执行事件队列F中；并定义并行窗口阈值Twin=∞；

判断并行性，事件调度器获取待执行事件队列F中的第一个事件Ecurrent，将Ecurrent的执行结束时间Tend与并行窗口阈值Twin进行比较，如果Tend≤Twin，就执行下一步骤进行并行事件处理，否则就等待Twin改变后再次进行判断；

查询工作线程的状态，找到可用的工作线程，将待执行的事件Ecurrent放置到已下发事件队列D中，并将事件Ecurrent分配给工作线程，同时修改Twin=min{Tend(e)|e∈D}；

工作线程检查本地事件处理状态，如果存储空间空闲，就处理事件；否则存储空间自旋锁住，实现线程同步；

工作线程执行事件过程中产生的新的事件队列登记到待执行事件队列F中，工作线程执行事件完毕，修改Twin=min{Tend(e)|e∈D}；

执行判断并行性的步骤。

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