论文研究-基于OPNET的车用Adhoc网可靠性评估研究.pdf

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通过搭建车用Ad hoc网络(VANET)的仿真平台,将一个真实的车辆节点移动模型与标准的无线移动Ad hoc网络模型进行结合来对车用网络的可靠性进行评估。反映了车辆的移动特性对整个VANET可靠性的影响,利于更详细、更直观的刻画VANET的重要特性,为将来VANET相关协议的设计提供具体、详实的参考数据和建议。
第10期 陈远,等;基CSIM的大规模RFID数据仿真器研究与实现 3809 围而从主读取率线性衰减至0。设主读取区边缘与阅读器之 因此在t时刻,对象的坐标可为 间的距离为Dm,则有公式(1): x=dI+U xI (6) (1) y1+Uy×t 根据等比定理,得到 对于每个应用场景中的标签和阅读器,仿真模型首先为它 Rmajor/Dmajor =(Rmajor-R)(dist-Dmajor (2)们每个指定一个初始坐标和移动速度,并根据业务流程的具体 因此,读取率为 需求规划其运动路径。当仿真开始后,场景中的标签和阅读器 R=Rmaior-lRmaior x( dist-Dmnior)]/ maior (3)则开始按预先设定好的路径随时间改变其相对坐标,当任意标 通过观察噪声环境下读取率的物理特性曲线还可以发瑰,签进入仼意阅读器的读取范围时,则根据单阅读器仿真模型读 读取率并非严格按照线性比例衰减,而是表现为在线性衰减基取标签数据,生成数据流。 础上有个相对均匀的落差,因此可以通过引入一个均匀分布的 噪声衰减随机函数来更加精确地对不同噪声环境下的读取率 4基于CSM的RFm数据生成器实现 的衰减情况进行模拟。假设环境噪声系数为N,则均匀噪声衰 在RFID应用场景中,存在着各种各样的业务实体,如各 减随机函数为 uniforn(N)。因此,读取率R与标签和阅读器种静止和活动的阅读器传送带、标答以及义车等,这些业务实 的间距相关,单阅读器的读取率仿真模型可统一由式(4)体随着时间改变其状态,各实体间的状态变化是相对独立的 表示 且只与时间的跃迁有关。只要时间跃迁的间隔足够小,则可将 0≤list< Majon 两个时间点间的状态近似看成是不变的,因此,RFID应用场景 maior [Maier x(dist-Dmaiorl or scist <Drange (4) 可由离散事件动态系统进行描述。该时间跃迁的间隔与仿真 在进行单阅读器仿真时,首先计算出标签与阅读器间的直 场景状态改变的周期有关,例如,当需要仿真某一仓库三天内 线距离,然后根据读取率仿真模型算出该位置上的读取率,再产生的数据时,由丁仓库内货物的位置和数量很少发生改变 借助伯努利随机函数或一项分布随机数生成器判断本次是否即状态转换周期很慢,则可将间隔设为1mim,即认定场景在 能成功读取标签数据。 1min内的状态近似不变;反之,若需要仿直某生产流水线场景 1d中产生的数据时,其状态更新频繁,将跃迁问隔设为1s更 3多阅读器的空间仿真模型 为合适。跃迁间隔时间过大会导致某些中间状态数据的缺失, 过小则会生成大量冗余的近似状态数据。因此,选取最适合当 在一个典型的RFID仓储管理场景中,带有标签的货物可 前场景的跃迁间隔时间将是保障RFID仿真数据实时性的关 能静止放置丁货架上,也可能位于移动的传送带上。同样, 键所在。 RFID阅读器可能安装于静止的门上,也可能位于移动的叉车 上,或是由管理人员于持的小型终端设备上。标签和阅读器构4.1CSM介绍 成了一个相对位置不断发生改变、不断运动的动态系统。因 CSM是 Mesquite Software公司出品的面向进程、基于 此,对一个完整RFD场景进行建模可以抽象为对该场景中的离散事件模型的仿真开发包。CSM实现了进程( processes) 阅读器和标錾的空间位置及相对运动建模。首先,必须给仿真和资源(mwre)的概念来创建仿真模型,可通过C或C++ 场景建立一套坐标系,标签和阅读器可以表示为坐标系中的对语言调用它来编写仿真程序M。在CSIM的仿真模型中,进程 象,其位置由坐标表示,其相对运动可以表示为对象坐标随时用于对系统中的活动实体建模,如银行的客户等,CSM的进程 间以一定的速率发生变化。偎设某物品由坐标(x,y)以速度不等同于计算机的进程,它只工作于虚拟的环境下,但是同样 D向坐标(题2,y2)移动坐标系设定为以左下角为原点的笛卡尔具有挂起、等待和活动状态。在系统仿真时,进程需要访问或 坐标系,横轴表示x坐标的增量,纵轴表示y坐标增量,不允许占有一部分资源的控制权,CSM提供∫两种资源仿真模型,即 负数坐标,其仿真模型如图4所示。 facilitie和 storages facilities一次只能由一个进程访问,即具 主读取率 主读取区比例 有互斥性,而 storages则可满足一定数量的进程同时访问。在 进程通信方面,CSIM实现了 event和 mailbox两种机制用于进 读取率%主读取区 程的同步与消息交换 范围 低 4.2RFI业务实体建模 近则读据与标间的距离远0 在RFID业务场景中存在着各种业务实体,通过对典型的 图3单阅读器的读取率模型 图4空间仿真坐标系 RFID仓储管理、工作流管理等场景的研究,可以归纳总结出容 设速度n可分解为分别与x轴和y轴平行的两个分速度器实休逻辑实体和路径实休三类。其中,容器实休可看做是 U1、,直线的点斜式和斜截式无法表示垂直于x轴的直线,因业务中标签数据的载体,包含如下几类 此根据运动路径直线的两点式和单位时间内运动的欧几里德 a)Tag,单个RFID标签。 距离,两个分速度为 b) Package,多个RHD标签的集合,有0或1个标签用于 (x2-x1)x(n,-y)=(y2-y1)x(n-x1) (5)表示包裹本身,月包裹可以嵌套。 (”-x1)2+(y-y c) Storage,一个矩形区域,以左下角与右上角坐标确定其 3810 计算机应用研究 位詈和大小,行数和列数确定其划分的空间,每个空间内可容 数量与逻辑实体个数相等的事件集合 纳一定数量的标签,用于表示货架或仓储。可默认填充一定数 event main: /主进程激活事件 量的标签,表示存货。 在每次进行系统仿真时间的跃迁时,主进程首先把激活过 而罗辑实体则是对这些数据载体的各种操作,包含: 的逻辑实体个数 already_done设为0;随后将子进程的事件集 a) Reader,单个RFD阅读器的仿直模型 合ev_ar全部激活,让所有子进程进入等待状态;再将仿真时 b) Tag generator,标签生成器,生成指定数量的标签。 钟向前跃迁一个最小单位;最后通过等待主进程激活事件 g) Tag dispatcher,标签分发器,将一个标签流按一定规贝 main,将自身挂起。此时调度器将根据子进程的争用情况,将 分解成多个流 控制权交给优先级最高的子进程。主进程实现伪代码如下: d) Tag aggregator,标笭聚合器,多个标答流合并成一个流。 void main e) Tag packer,打包器,可看成是将连续标签流中指定数量 的标签聚合成多个离散的 package /尚无逻辑实体进程被激活 alreay_ done=0; f) Tag unpacker,拆包器,可看成是将 package打散成标签 //激活所有逻辑实体过程 流的设备。 for( int i=0; i< sub_count; i++) 路径实体则表示数据载体的传输和运动以及逻辑实体自 //将仿真时钟前进一最小单位 身的运动路径,包含如下几类 advanceSystem Clock() a) Transporter,运送带有标签物品的设备,其上带有一个阅 ′交出控制权给逻辑实体进程 main-> wait() 读器,可用于表示叉车等主动式运输设备。 while(true) b) Pipes,标签或包裹的运动路径,可用丁表示传送带等被 动运输设备,具有起点和终点,能将其上的数据实体以一定速 而每个子进程执行时,通过创建子进程时分配的ⅢD将事 度作单向传输 件集合ev_mr中的对应事件指派给该进程。首先,子进程将进 e) Moving path,运动路径,用于表示可运动的实体如 reader人等待自身被激活事件发生的挂起状态,一且主进程激活了所 和 transporter的运动路径,无方向,可循环往复。 有子进稈并交出控制权后,则子进稈开始执行自身逻辑操作, 4.3整体设计 执行完毕后将已激活过的逻辑实体个数加1。当该数量与逻 一个复杂的业务场景内具有大量种类繁多的逻辑实体,每辑实体个数相等时,则说明每个逻辑实体都已经被激活并执行 个实体都具有其特性参数、初始坐标或者移动速度等配置信过一次了,则通过激活主进程事件的方法把控制权交还给主进 程,而子进程则再次进入等待自身被激活的下一次时间跃迁状 息。因此,为了能够高效地管理和生成描述这些仿真信息,态中。子进程的实现伪代码如下 RFD数据仿真生成器可分为模拟器和设计器两个组件,并用 id sub_routine( int id )I XML文件来描述这些仿真配置信息。设计器将提供各种业务 实体的控件,并具有鼠标拖拽的图形操作界面,能方便地生成 /等待时间跃迁发生 ev_arr)id]. wait(); 务场景的配置文件。而模拟器则通过解析设计器生成的配 /执行逻辑操作 置文件动态创建逻辑实体的对象实例,并执行仿真输出结果。 perform( /已激活实体数增加 4.4架构与实现 由于逻辑实体每个对象实例的状态转变都相对独立,且是 所有逻辑实体被激活过一次后交还控制权给主进程 if alreay_done ==sub_count) main->set() 并行发生而非串行,每个逻辑实体的对象实例都必须承载于 个CSIM的 process上。但是,进程模型必然牵涉到争用问题, 必须保证所有进程都能均匀地处于活动状态,而不会由于长时4.5大规模实时数据的生成 间挂起而处于饥饿状态。为了解决这个问题,就必须依赖 当仿真器开始工作时,仿真时钟不断以一个最小时间跃迁 CSIM所提供的进程同步机制,即经过某段时间跃迁,所有的进 单位为周期,驱动业务场景内的各个业务实体进行相对运动执 程都必须被均匀地唤醒一次,执行相应的坐标移动或数据读取 行逻辑功能,并计算岀场景中各个阅读器读取的标签数据。由 的工作,而且进程唤醒必须是乱序的而非按一定顺序线性进 于仿真时钟比真实时钟要快上许多倍,且根据EPC标准,一个 行,从而用进程间的争用来模拟现实世界的随机不确定性。 该架构可用主从进程的模式实现,即每个逻辑实体都表现 典型的〈r,o,t)元组将包斧96bit的标签m96ht的阅读 为一个子进程,而用一个主进程维护系统仿真时间与∫进稈的 器D以及64bit双精度浮点数时间戳,总计256bit。因此,以 10ms为时间跃迁间隔仿真带有100个阅读器的某流水线一天 调度,用事件来刘执行顺序进行同步。首先可以定义如下全局 内产生的数据量将高达25.7GB。 变量 const int sub count 如此海量且高速牛成的数据使得硬盘的写入速度可能赶 //逻辑实体的个数 不上数据生成的速度,因此可首先将各个阅读器读取到的标签 int alreay done /激活过的逻辑实体个数 数据以时间戳为序源源不断写人一个本机内存缓冲区中,或通 event set冰 过网络传输至几台不同的缓存服务器上;再周期性地执行数据 第10期 陈远,等;基CSIM的大规模RFID数据仿真器研究与实现 3811 合并;最后再将数据储存于文件或数据库中,从而保证大规模线性关系。由此可见,多逻辑实体造成的多进程并不会严重影 数据生成的实时性。仿真系统的结束条件可以是仿时钟执响本仿真数据生成器的性能,并且在生成大规模数据集和进行 行到某个时间点,或生成的数据已达到一定规模,或业务系统较长时间的仿真时,本仿真数据生成器也能具有较好的性能。 已经处理了一定数量的标签。 5仿真实验与分析 为了验证RFD仿真数据生成器的实用性,本文接下来将 回孤 10 从准确性和性能两方而分别考察单阅读器仿真与多阅读器场 100200300400500 2345678910 景仿真的能力。 应用场景中阅读器数量/个 仿真时间/天 5.1单阅读器仿真准确性实验 (a)不同阅读器数量的实际时间耗费曲线(b)不同仿时间的实际时间耗费曲线 图6多阅读器场景仿真性能实验结果 根据单阅读器仿真模型,在其读取范围内每隔0.5直线距 离分别进行50次读取,算得该点的读取率。重复此过程206结束语 次,即可求得每一考察点上的平均读取率,并绘制出读取率仿 直特性曲线。理想状态下的读取器参数设置为:Dm=20 本文研究了基于CSIM的大规模RFID数据仿真生成器的 Pnmn=75%,Rnm=90%;而噪声状态下的读取器参数设置为:实现。首先通过对RFD阅读器的物理特性饼究,出了单阅 Dm=20,Pa=25%,Rnm=90%,噪声系数N=0.3。实验读器仿真模型,并通过引入坐标系和相对运动对多阅读器的复 结果如图5所示。 杂应用场景进行建模,最后在CSIM仿真开发包基础上提出了 1 基于离散事件动态系统的RFID仿真数据生成器构建方案,并 用实验结果证明该生成器具有较高的实用性和推广价值。 0.6 本文提到RFID数据仿直生成器将用于RFID中间件和相 盛 燃0.4 0.4 关数据清洗与复杂事件处理的研究中。通过考察更多RFID 0. 业务场景,增加业务实体以提高仿真器的适应性;通过对真实 10 HFI数据流深人研究改进仿真算法以提高仿真器的精确性 标签与阅读器间的距离 标签与阅读器间的距离 以及把二维坐标仿真拓展到三维空间仿直,都将是下一步的主 (a)理想开放空间下单阅读器的 b)噪声环境下单阅读器的 读取率仿真特性曲线 读取率仿真特性曲线 要工作。 图5单RFI阅读器仿真实验 参考文献 将图5屮的仿真读取率特性出线与图2中对应的不同场 [1 WU E, DIAO Yan lei, RIZVI S. High-performance ccmplex event 景下物理读取率特性曲线相比较可以看出,单读器仿真效果 prccessing over streams.]//Proc of ACM SIGMOD International 基本与其物理特性吻合,且随机性抖功特性也较为均匀,说明 Conference on Management of Dala. New York, ACM Press. 2006 本文提出的单阅读器仿真模型能有效地仿真现实场景中的物 407-418. 理阅读器特性。 [2 WANG FIl-sheng, LIU Shao-mng, IIU! Pei-ya, et nl. Bridging phy 5.2多阅读器场景仿真性能实验 cal and virtual worlds complex event processing for RFID data treams[ C]//Proe of EDBT. 2006: 588-607 在进行多阅读器场景仿真时,当其中的阅读器逻辑实体数 [3 JEFFERY SR, GAROFALAKIS M, FRANKLIN M J. Adaptive 量越多,则对应的CSIM进程也越多,进程间的同步和调度耗 leaning for RFID data streams [C //Pluc of the 32 nd International 费也会相应增大。而且,如果仿真时间越长,所需要的CPU运 Conference on vldB. 2006.163-174 行实际时间也会增大。为了验证本仿真器是否具有较好的仿[4] RAO Jun, DORAISWAMY S, THAKKAR H. A deferred cleansing 真性能,首先构建一个最简单的打包业务场景,即一个标签生 method for RFID data analytics[C//Proc of the 32 nd International 成器通过一个传送带源源不断地将标签输送至一个打包器,打 Conference on VLDB. 2006:175-186 包器将每10个标答打包后再将包裹通过另一个传送带运送到5 EPC tag data standards,vr1.I[R].[s.L.]: EPCGlobal Inc, 一个货架之上。在该场景中以100为增量,分别在不同的坐标 2004 均匀放置100~500个阅读器,仿真时间为3d,可得到实际时 [6 SCHWETMAN H. Introduction to process -oriented simulation and CSIM[C//Proc of the 22nd Wint 间耗费的出线如图6(a)所示。而在相同的打包应用场景屮, E Press,1990:154-157 均匀布置100个阅读器,并以1d为增量分别仿真从1~10d7]CsM8 simulation engine(C++erm)[R].Ausn: Mesquite 的数据生成,可得到实际时间耗费曲线如图6(b)所示。 Software Inc. 1999 从图6中可以看出,在相同场景和仿真时间条件下,实际8| SCHWETMAN H. Object-oriented simulation modeling with C++/ 时间耗费与阅读器数量增长近似呈线性关系;而在相同的场景 CSIM C]//Proc of the 27th Winter Simulation Conference. Pisca 和阅读器数量条件下,实际时间耗费也与仿直时间长短近似呈 away: IEEE Press, 1995: 529-533

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