大型地震傳感器網(wǎng)絡仿真平臺的實現(xiàn).pdf

1、石油是重要的戰(zhàn)略物資，與國家的經(jīng)濟發(fā)展、政治安全和軍事安全息息相關，是制約國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略要素。因此，為了保障國家的石油安全，需要減少我國對國外石油資源的依存度，需要建立自己的石油勘探產(chǎn)業(yè)鏈。而石油勘探儀器是這個產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)。
　　 目前地震勘探儀器為了滿足高分辨率勘探的需求，普遍具有大道數(shù)、小道間距、單站單道的特點，其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)本質上就是一種特殊的分布式傳感器網(wǎng)絡。
　　 傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構、運行的操作系統(tǒng)

2、、使用的網(wǎng)絡協(xié)議，以及網(wǎng)絡內(nèi)的分布式數(shù)據(jù)處理方式都與實際應用緊密相關。而且傳感器網(wǎng)絡負責感知的實際物理世界也將一定的不確定性引入運行的網(wǎng)絡。所以對于傳感器網(wǎng)絡，需要對實際的應用進行全面的研究，包括使用的操作系統(tǒng)以及協(xié)議棧。通常單純模擬算法或協(xié)議是不夠的。因為算法往往在網(wǎng)絡仿真平臺中實現(xiàn)，使用的都是特定的網(wǎng)絡仿真平臺提供的特性，并沒有考慮到運行節(jié)點的實際硬件特性和節(jié)點上運行的操作系統(tǒng)的特性。由于忽略了這些與應用緊密相關的因素，在網(wǎng)絡仿真平

3、臺中很難模擬與操作系統(tǒng)或硬件緊密相關的特性，尤其是中斷處理、任務調度、內(nèi)存管理這些基本的底層功能，而這些基本功能極大地影響了節(jié)點的行為與效率。所以，有時候網(wǎng)絡平臺上行得通的算法或協(xié)議，在實際節(jié)點中的運行效果并不理想，不利于整個系統(tǒng)仿真的完整性與逼真度。而且由于網(wǎng)絡仿真平臺本身和實際系統(tǒng)的差異性，導致了算法或協(xié)議在仿真研究過程結束之后，必須結合實際的應用重新實現(xiàn)，不利于代碼的重用，加長了開發(fā)周期與代碼維護的工作量。研究人員不得不在對算法或

4、協(xié)議進行改動之后，在不同的平臺上都實施一次同樣的改動。受到實際節(jié)點的軟硬件平臺的限制，同樣的目的往往需要使用不同的方法。尤其對于傳感器網(wǎng)絡協(xié)議跨層設計的應用，要求可以直接操作底層硬件，以便高效率地完成數(shù)據(jù)的傳輸。這使得與硬件平臺緊密相關的部分除了算法思想，具體實現(xiàn)幾乎與網(wǎng)絡仿真器中的實現(xiàn)完全不同，不利于代碼的復用。
　　 基于以上考慮，本文使用多線程模擬多任務，信號模擬硬件中斷的方法實現(xiàn)了FreeRTOS模擬器，并將FreeRT

5、OS模擬器與網(wǎng)絡仿真器集成，構成了網(wǎng)絡仿真平臺。在兼顧網(wǎng)絡仿真器本身具有的擴展性的基礎上，彌補了單純使用網(wǎng)絡仿真器的不足，對傳統(tǒng)網(wǎng)絡仿真平臺的完整性、逼真度以及代碼的復用性方面進行了增強。
　　 本論文以大型地震傳感器網(wǎng)絡仿真平臺的研究和實現(xiàn)為核心，總體分為六大部分：緒論、高分辨率地震勘探、地震傳感器網(wǎng)絡、多任務嵌入式OS模擬器的實現(xiàn)、FreeRTOS模擬器與網(wǎng)絡仿真平臺的集成、總結與展望。
　　 第1章作為緒論，介紹了

6、油氣勘探的方法，地震勘探儀器的發(fā)展歷史，以及當前地震勘探儀器用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸追N拓撲結構。結合當前第五代和第六代地震勘探儀器使用的網(wǎng)絡結構，給出了地震傳感器網(wǎng)絡的概念，并簡要討論了網(wǎng)絡的研究方法，以及采用仿真方法研究網(wǎng)絡時，網(wǎng)絡仿真器應該滿足的特性。為了克服當前網(wǎng)絡仿真的不足，提出了論文的研究內(nèi)容。
　　 第2章從理論的角度討論了地震分辨率的概念，不同的分辨率標準，分辨率的定量計算方法，以及各種影響分辨率和地震傳感器網(wǎng)絡規(guī)模的因素

7、。本章也簡要介紹了一些高分辨率地震勘探的方法，并定量計算了這些方法對道間距的需求。最后，討論了這些地震勘探方法對地震勘探儀器的影響，以及地震勘探儀器的平均道數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸方式的發(fā)展趨勢。
　　 第3章討論了地震傳感器網(wǎng)絡的特點和設計時需要注意的問題，并簡要介紹了當前已經(jīng)存在的很多用于傳感器網(wǎng)絡的路由算法和協(xié)議的跨層設計方法。本章還討論了目前第五代和第六代地震儀器系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)傳輸方式，并給出了使用這些數(shù)據(jù)傳輸方式的代表儀器實例。在

8、現(xiàn)有無線技術的基礎上，結合全無線地震勘探系統(tǒng)需要滿足的特性，討論了一種可能的全無線地震勘探儀器，即全無線地震傳感器網(wǎng)絡的結構和使用的技術路線。最后指出，適用于地震傳感器網(wǎng)絡的算法或協(xié)議的研究，以及地震傳感器網(wǎng)絡新結構的研究，都需要結合網(wǎng)絡仿真的方法。
　　 第4章主要研究用于大型地震傳感器網(wǎng)絡仿真平臺的嵌入式操作系統(tǒng)模擬器的設計與實現(xiàn)。本章在討論了適用于仿真平臺的嵌入式操作系統(tǒng)的特點及需求的基礎上，介紹了適用于仿真平臺的Free

9、RTOS系統(tǒng)，及FreeRTOS模擬器在系統(tǒng)中所處的層次。在比較了不同的嵌入式操作系統(tǒng)模擬的實現(xiàn)方式之后，選擇了使用進程模擬的方式。采用線程模擬任務，信號模擬中斷實現(xiàn)了FreeRTOS核心的模擬。采用異步I/O和層次化的設計實現(xiàn)了硬件外設的模擬。這種設計方法還適用于其它輕量級多任務嵌入式操作系統(tǒng)的模擬。最終實現(xiàn)的FreeRTOS模擬器基本系統(tǒng)只消耗了120KB的內(nèi)存，平均每個測試任務消耗了10KB左右的內(nèi)存。這樣對一個代表地震傳感器網(wǎng)絡

10、節(jié)點運行的FreeRTOS模擬器，若運行有4個用戶任務，只需要消耗不到200KB的內(nèi)存。
　　 第5章主要討論將FreeRTOS模擬器與網(wǎng)絡仿真器集成的方法。在比較了不同的網(wǎng)絡仿真器后，綜合考慮了網(wǎng)絡仿真器應具有的特性，選擇ns-3作為仿真平臺的網(wǎng)絡仿真器。使用了同步點完成ns-3與FreeRTOS模擬器的同步和數(shù)據(jù)交換，并給出了真實仿真系統(tǒng)的三個基本條件。采用了網(wǎng)格狀的拓撲結構，泛洪的方式對仿真平臺進行了測試。測試結果表明，對