无线传感器网络OPNET能量建模方法与仿真刘波1，刘桂雄1*，何学文1,2（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2.江西理工大学，江西赣州341000)摘要:针对OPNET未提供能量模型的问题，提出无线传感器网络OPNET能量建模方法。重点分析能量建模过程及其实现机制，并引入一种能较准确描述电池放电过程的RM电池模型，实现了OPNET能量模型进程建模。仿真结果表明，能量建模过程实现机制是可行的且RM电池模型能更准确估算节点寿命。关键词:WSN；OPNET；建模；电池模型:TP301文献标识码:AModelingMethodandSimulationofEnergyModelinWSNBasedonOPNETLIUBo1，LIUGuiXiong1*，HEXueWen1,2(1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,510640,China;2.激angxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou,341000,China）Abstract:ConsideringtheproblemofnotprovidingenergymodelinOPNET,amodelingmethodinWSNispresented.Firstthemodelingprocessofenergymodelandthewayofitsrealizationareanalyzed.ThenbyintroducingRMbatterymodelwithhigherprecisionindescribingthebatterydischarge,theenergymodelinOPNETisestablished.TheresultsofsimulationshowsthatthemodelingmethodisvalidandabetterestimationofnodelifetimecanbeachievedusingRMmodel.Keywords:WSN、OPNET、modeling、batterymodelWSN节点一般以电池作为能量源，有限的能量使WSN协议涉及降低能耗以延长网络生存期成为重要的研究课题[1]。目前仿真是WSN协议研究的主要手段，利用网络仿真工具（如OPNET[2]、NS2[3]）实现能量模型建模是协议仿真研究的前提之一。在网络仿真工具方面，OPNET以其丰富的协议模型库和无线传输特性建模在无线网络仿真研究中得到广泛使用，但未提供能量模型又一定程度影响OPNET工具的完善性。在能量模型方面，现有网络仿真工具不是没有提供，就是过于简单（如采用线性模型的NS2）。NS2中每个节点设置能量初值，当节点每发送或接收一个数据包时减去一定能量（默认值为281.8mW），能量耗尽，节点即失效。然而作为节点能量源的电池由于受速率容量效应和恢复效应的影响呈现非线性放电特性[4]，引入准确的非线性模型将使能量建模更为可靠。Rakhmatov等（2001）推导出一种能够描述锂电池非线性放电特性的电池模型(RakhmatovBatteryModel，RM)，并在此基础上给出一种电池寿命估算算法，但该算法必须先知道电池整个放电过程，不能实时估算电池寿命[5]；Handy等（2003）对此算法做了改进，通过引入交互机制实现了模型参数实时获取，提出一种能够集成到网络仿真环境中的电池寿命实时估算算法，并简单介绍如何嵌入NS2[6]；Sausen等（2008）实现将该算法集成到NS2中，用RM电池模型代换线性能量模型[7]。本文基于OPNET提出一种WSN网络能量建模方法，进一步引入更为准确的RM电池模型，实现了OPNET能量模型建模与仿真。1.OPNET能量建模方法WSN节点一般由无线通信、处理器、传感器以及能量四个单元组成，其中能量单元通常由电池组成，如图1所示。节点能量单元建模问题可转化为电池模型建模问题，它与节点工作状态及其转换过程密切相关。WSN节点一般包括发送、接收、感知以及休眠等四种工作状态。不同工作状态下的电池负载(电流)不同，节点在四种状态之间的转换过程反映了节点电池的放电过程，进而影响电池寿命即节点寿命。确定节点工作状态及其转换过程是电池模型建模的前提。基于OPNET，下面将电池模型建模分为节点工作状态的确定、节点工作状态转换过程的实时确定及运用OPNETProto_C语言编程实现三个过程。⑴节点工作状态的确定。节点的OPNET仿真模型网络协议栈一般由应用层、网络层、MAC层和物理层构成，各协议层对应一个或多个OPNET进程模型。通过在MAC层进程与物理层进程中间引入一个新的进程可确定节点工作状态。该进程包含能量模型，负责直接向下或向上转发从MAC层或物理层收到的数据帧直至节点失效。通过判断能量模型进程的数据流确定节点工作状态。其中：从进程收到MAC层的数据帧至完全发送至物理层为发送状态；从进程收到物理层的数据帧至完全发送至M...