本書是基于物聯(lián)網(wǎng)OPNET仿真的一本學(xué)習(xí)參考書，本書闡述了物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)過(guò)程，介紹了OPNET物聯(lián)網(wǎng)仿真的基本模型，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)層基本路由算法、綠色物聯(lián)網(wǎng)、智能物聯(lián)網(wǎng)、寬帶物聯(lián)網(wǎng)、半實(shí)物仿真、窄帶物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)緩存等進(jìn)行了建模與仿真。全書共分為11章。不僅介紹了經(jīng)典的算法，還包括作者新的研究成果。本書側(cè)重于實(shí)際的模型仿真，可作為學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)仿真和OPNET的進(jìn)階參考書。本書可作為物聯(lián)網(wǎng)和通信專業(yè)高年級(jí)本科生或研究生的教材或?qū)W習(xí)參考書，也可供相關(guān)專業(yè)工程人員或研究人員參考。
無(wú)線通信技術(shù)以及嵌入式、微電子機(jī)械系統(tǒng)、超大規(guī)模集成電路等領(lǐng)域取得的快速發(fā)展，使得微型化智能化和網(wǎng)絡(luò)化的新型傳感器的設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)現(xiàn)成為可能，從而為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代信息世界向物理世界的全面滲透鋪平了道路；另一方面，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)及新一代通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，毫無(wú)疑問(wèn)，物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)演化勢(shì)必在不久的將來(lái)對(duì)人們生活的方方面面產(chǎn)生巨大影響。物聯(lián)網(wǎng)是在傳感器網(wǎng)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，并不斷向核心網(wǎng)延伸，實(shí)現(xiàn)更加智能化的應(yīng)用。所以說(shuō)傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的基石，或者說(shuō)是其重要組成部分。由于終端設(shè)備的數(shù)量不斷增大，長(zhǎng)期和大規(guī)模傳感器網(wǎng)部署在實(shí)際運(yùn)用中具有極高的難度。在多數(shù)情況下，雖然許多研究人員并非缺乏條件來(lái)部署真實(shí)的傳感器節(jié)點(diǎn)，但是可利用的節(jié)點(diǎn)數(shù)量往往較少，根本無(wú)法發(fā)揮傳感器網(wǎng)長(zhǎng)期和大規(guī)模部署的優(yōu)勢(shì)，因此他們所設(shè)計(jì)的算法和協(xié)議很難在真實(shí)環(huán)境中得到驗(yàn)證。因此，網(wǎng)絡(luò)仿真不失為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的另一種途徑，可以解決大多數(shù)研究人員因沒(méi)有條件搭建對(duì)部署環(huán)境及硬件成本有很高要求的大規(guī)模傳感器網(wǎng)所帶來(lái)的困擾。雖然物聯(lián)網(wǎng)近幾年取得了較大的發(fā)展，也產(chǎn)生了一些成功的示范應(yīng)用，但是仍然面臨很多技術(shù)問(wèn)題需要研究人員解決，在大規(guī)模部署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用前必須對(duì)相關(guān)理論和算法進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，這就迫切需要搭建物聯(lián)網(wǎng)的仿真平臺(tái)，尤其是為了滿足面向大范圍規(guī)�；兄囊�，而需要搭建大規(guī)模傳感器網(wǎng)仿真平臺(tái)。由于物聯(lián)網(wǎng)涵蓋了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)，因此，優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET Modeler成為一個(gè)很好的選擇。雖然OPNET幾乎內(nèi)置了目前所有新網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的仿真模型，但是這些模型主要是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化了的協(xié)議和算法，并沒(méi)有自帶物聯(lián)網(wǎng)和大規(guī)模傳感器網(wǎng)仿真模塊，需要重新搭建一個(gè)龐大的仿真系統(tǒng)，這又對(duì)廣大物聯(lián)網(wǎng)研究者提出了難題。為了幫助廣大物聯(lián)網(wǎng)研究人員跨越這個(gè)挑戰(zhàn)，筆者在書中詳細(xì)講解了一個(gè)成熟的基于OPNET Modeler的基本物聯(lián)網(wǎng)仿真模型IoT_Simulation，以及基于該模型的其他擴(kuò)展仿真模型，還提供了各模型的源碼供廣大物聯(lián)網(wǎng)研究者下載學(xué)習(xí)。全書共分為11章。第1章描述物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程，以及和以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、5G等為代表的新技術(shù)的共融與演進(jìn)。同時(shí)也提出了物聯(lián)網(wǎng)仿真的必要性。第2章介紹OPNET仿真的基礎(chǔ)知識(shí)，包括常用函數(shù)和一個(gè)基本的包交換例程；第3章詳細(xì)介紹基于OPNET的一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)基本仿真模型IoT_Simulation，介紹了作為基本模型的網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點(diǎn)模型、結(jié)果收集模型、能量模型和動(dòng)畫模型的實(shí)現(xiàn)，第3章是本書的核心。后續(xù)章節(jié)基于第3章的基本模型展開。第4章介紹OPNET的模型調(diào)試，列舉讀者在使用模型中可能遇到的問(wèn)題和解決方法。第5章介紹基于地理路由、移動(dòng)多媒體地理位置路由、定向擴(kuò)散路由以及Zigbee網(wǎng)絡(luò)層路由算法的實(shí)現(xiàn)和仿真。第6章綠色物聯(lián)網(wǎng)仿真主要介紹了REER和KCN兩個(gè)協(xié)作通信模型。第7章智能物聯(lián)網(wǎng)仿真介紹了移動(dòng)代理。第8章寬帶物聯(lián)網(wǎng)仿真介紹了多路路由模型以及物聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)模型。第9章介紹半實(shí)物仿真的入門實(shí)驗(yàn)、仿真基礎(chǔ)及半實(shí)物仿真實(shí)例。第10章介紹窄帶蜂窩仿真的發(fā)展、搭建及實(shí)例。第11章介紹無(wú)線網(wǎng)絡(luò)緩存仿真的模型建立、結(jié)構(gòu)及分析。本書內(nèi)容由筆者多年的研究工作整理而成，在成書的過(guò)程中得到華中科技大學(xué)出版社王紅梅編輯的大力支持，在此表示誠(chéng)摯的感謝。在本書編寫過(guò)程中廣泛參考了許多專家、學(xué)者的文章、著作以及相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，筆者在此一并表示衷心感謝。由于水平有限，書中的缺點(diǎn)、錯(cuò)誤在所難免，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
陳敏，華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、博導(dǎo)，嵌入與普適計(jì)算實(shí)驗(yàn)室主任，2012年入選國(guó)家第二批"青年千人計(jì)劃"。二十三歲獲博士學(xué)位。曾先后任國(guó)立漢城大學(xué)和加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)博士后、韓國(guó)首爾大學(xué)助理教授。2011年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃。陳敏教授主要從事認(rèn)知計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)感知、情感計(jì)算通信和機(jī)器人技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療大數(shù)據(jù)、人體局域網(wǎng)等領(lǐng)域的研究工作。在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊和會(huì)議上發(fā)表論文200余篇，發(fā)表論文谷歌學(xué)術(shù)引用總數(shù)超過(guò)9000次，H-index = 48，SCI他引次數(shù)超過(guò)2500次。擔(dān)任IEEE計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)大數(shù)據(jù)技術(shù)委員會(huì)主席。獲IEEE ICC 2012、IEEE IWCMC 2016等國(guó)際大會(huì)佳論文獎(jiǎng)。榮獲 2017 年度 IEEE通信學(xué)會(huì)Fred W. Ellersick Prize。
目錄
1物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)(1)
1.1物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程(1)
1.1.1國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程(1)
1.1.2從應(yīng)用需求看物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展(3)
1.2物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念(9)
1.2.1物聯(lián)網(wǎng)的特征(9)
1.2.2物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)理念(10)
1.3物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)(12)
1.3.1物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)(12)
1.3.2關(guān)鍵技術(shù)(14)
1.4物聯(lián)網(wǎng)與WSN、M2M、BAN和CPS(21)
1.4.1WSN、M2M、BAN與CPS簡(jiǎn)介(22)
1.4.2物聯(lián)網(wǎng)幾種技術(shù)之間的共性(25)
1.4.3物聯(lián)網(wǎng)幾種技術(shù)之間的區(qū)別(25)
1.5人本物聯(lián)網(wǎng)(27)
1.5.1人體局域網(wǎng)(27)
1.5.2基于云平臺(tái)的醫(yī)療人體局域網(wǎng)(34)
1.5.3第二代RFID系統(tǒng)(35)
1.5.4基于機(jī)器人技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的智能健康物聯(lián)網(wǎng)(42)
1.6物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù),云計(jì)算與軟件定義網(wǎng)絡(luò)(45)
1.6.1物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)(45)
1.6.2物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算(47)
1.6.3物聯(lián)網(wǎng)與軟件定義網(wǎng)絡(luò)(50)
1.7物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)仿真(53)
2OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真簡(jiǎn)介(54)
2.1OPNET概述(54)
2.1.1網(wǎng)絡(luò)仿真簡(jiǎn)介(54)
2.1.2OPNET簡(jiǎn)介(54)
2.1.3OPNET網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(56)
2.1.4OPNET編輯器簡(jiǎn)介(57)
2.1.5OPNET常用文件格式(60)
2.2OPNET常用函數(shù)介紹(61)
2.2.1函數(shù)命名規(guī)則(61)
2.2.2分布函數(shù)集(61)
2.2.3進(jìn)程函數(shù)集(62)
2.2.4事件函數(shù)集(64)
2.2.5接口控制信息函數(shù)集(66)
2.2.6中斷函數(shù)集(69)
2.2.7分組函數(shù)集(72)
2.2.8隊(duì)列函數(shù)集(75)
2.2.9統(tǒng)計(jì)量函數(shù)集(76)
2.3OPNET網(wǎng)絡(luò)建模和仿真方法(77)
2.3.1OPNET建模基本特性(77)
2.3.2OPNET建模機(jī)制(79)
2.3.3OPNET仿真機(jī)制(84)
2.4仿真結(jié)果的處理(89)
2.4.1收集統(tǒng)計(jì)量(89)
2.4.2查看和導(dǎo)出仿真結(jié)果(90)
2.4.3發(fā)布仿真結(jié)果(91)
2.5包交換網(wǎng)絡(luò)例程(92)
2.5.1概述(93)
2.5.2創(chuàng)建包交換網(wǎng)絡(luò)(94)
2.5.3收集統(tǒng)計(jì)量并配置仿真(106)
2.5.4運(yùn)行仿真并分析結(jié)果(107)
OPNET物聯(lián)網(wǎng)仿真基于5G通信與計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)智能應(yīng)用目錄3傳感器網(wǎng)絡(luò)OPNET仿真(110)
3.1網(wǎng)絡(luò)模型(110)
3.1.1打開模型(110)
3.1.2網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(111)
3.1.3網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)部署(112)
3.1.4模型文件的分類(117)
3.1.5頭文件(118)
3.1.6全局變量(119)
3.1.7包結(jié)構(gòu)(119)
3.2節(jié)點(diǎn)模型(120)
3.2.1普通傳感器節(jié)點(diǎn)模型(120)
3.2.2結(jié)果收集節(jié)點(diǎn)模型(132)
3.3結(jié)果收集模型(136)
3.3.1模型介紹(136)
3.3.2性能參數(shù)(138)
3.3.3代碼實(shí)現(xiàn)(138)
3.4能量模型(143)
3.4.1MAC層能量模型(143)
3.4.2網(wǎng)絡(luò)層能量模型(147)
3.5動(dòng)畫模型(147)
3.5.1新建自定義探針(148)
3.5.2創(chuàng)建動(dòng)畫宏(149)
3.5.3調(diào)用動(dòng)畫(151)
3.6其他技巧(155)
3.6.1網(wǎng)絡(luò)傳輸半徑的確定(155)
3.6.2調(diào)試日志(157)
3.7綜合實(shí)驗(yàn)(158)
3.7.1實(shí)驗(yàn)一：增加路由方案(158)
3.7.2實(shí)驗(yàn)二:不同參數(shù)路由方案比較(161)
3.7.3實(shí)驗(yàn)三:多隨機(jī)種子多參數(shù)做Errorbar圖(166)
3.7.4實(shí)驗(yàn)四:增加普通傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層統(tǒng)計(jì)項(xiàng)(172)
4大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)OPNET模型調(diào)試(175)
4.1查看OPNET日志文件(175)
4.2使用OPNET Debugger調(diào)試(177)
4.2.1ODB調(diào)試概述(177)
4.2.2ODB斷點(diǎn)功能簡(jiǎn)介(180)
4.2.3ODB信息追蹤功能簡(jiǎn)介(182)
4.2.4ODB映射功能簡(jiǎn)介(184)
4.2.5使用ODB調(diào)試IoT_Simulation模型實(shí)例(186)
4.3OPNET與VC6聯(lián)合調(diào)試(191)
4.3.1環(huán)境變量的設(shè)置(191)
4.3.2修改OPNET有關(guān)與VC6聯(lián)合調(diào)試的標(biāo)識(shí)(192)
4.3.3仿真時(shí)OPNET與VC6聯(lián)合調(diào)試的步驟(193)
4.4仿真模型的跟蹤調(diào)試(195)
4.4.1實(shí)例一：找到IoT_Simulation的源節(jié)點(diǎn)(195)
4.4.2實(shí)例二：跟蹤數(shù)據(jù)包的處理流程(198)
4.4.3實(shí)例三：異常情況的調(diào)試(205)
5OPNET網(wǎng)絡(luò)層仿真(211)
5.1地理路由(211)
5.1.1地理路由概述(211)
5.1.2貪婪路由算法(214)
5.2移動(dòng)多媒體地理位置路由(219)
5.2.1多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)概述(219)
5.2.2移動(dòng)多媒體地理位置路由(220)
5.2.3MMSN的OPNET仿真(223)
5.3定向擴(kuò)散路由(227)
5.3.1定向擴(kuò)散路由簡(jiǎn)介(228)
5.3.2模型實(shí)現(xiàn)(229)
5.4ZigBee協(xié)議仿真(235)
5.4.1ZigBee概述(235)
5.4.2OPNET官方ZigBee模型(239)
5.4.3開放源代碼IEEE
802.15.4/ZigBee仿真模型(243)
5.4.4基于IEEE 802.15.4的體域網(wǎng)仿真(248)
6綠色物聯(lián)網(wǎng)仿真(254)
6.1REER路由協(xié)議(254)
6.1.1REER協(xié)議(255)
6.1.2REER代碼實(shí)現(xiàn)(261)
6.1.3性能分析與實(shí)驗(yàn)(275)
6.2KCN路由協(xié)議(277)
6.2.1KCN協(xié)議(277)
6.2.2KCN代碼實(shí)現(xiàn)(278)
7智能物聯(lián)網(wǎng)仿真(289)
7.1移動(dòng)代理概述(289)
7.1.1移動(dòng)代理(289)
7.1.2基于移動(dòng)代理的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由規(guī)劃(291)
7.1.3移動(dòng)代理能量消耗(293)
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