大型地震傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn).pdf

1、石油是重要的戰(zhàn)略物資，與國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政治安全和軍事安全息息相關(guān)，是制約國(guó)家發(fā)展的重要戰(zhàn)略要素。因此，為了保障國(guó)家的石油安全，需要減少我國(guó)對(duì)國(guó)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(gè)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(diǎn)，其數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)本質(zhì)上就是一種特殊的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)。
　　 傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)、運(yùn)行的操作系統(tǒng)

2、、使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的分布式數(shù)據(jù)處理方式都與實(shí)際應(yīng)用緊密相關(guān)。而且傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)感知的實(shí)際物理世界也將一定的不確定性引入運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)。所以對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)實(shí)際的應(yīng)用進(jìn)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?yàn)樗惴ㄍ诰W(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)，使用的都是特定的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)提供的特性，并沒有考慮到運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的實(shí)際硬件特性和節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)的特性。由于忽略了這些與應(yīng)用緊密相關(guān)的因素，在網(wǎng)絡(luò)仿真平

3、臺(tái)中很難模擬與操作系統(tǒng)或硬件緊密相關(guān)的特性，尤其是中斷處理、任務(wù)調(diào)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(diǎn)的行為與效率。所以，有時(shí)候網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上行得通的算法或協(xié)議，在實(shí)際節(jié)點(diǎn)中的運(yùn)行效果并不理想，不利于整個(gè)系統(tǒng)仿真的完整性與逼真度。而且由于網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)本身和實(shí)際系統(tǒng)的差異性，導(dǎo)致了算法或協(xié)議在仿真研究過程結(jié)束之后，必須結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用重新實(shí)現(xiàn)，不利于代碼的重用，加長(zhǎng)了開發(fā)周期與代碼維護(hù)的工作量。研究人員不得不在對(duì)算法或

4、協(xié)議進(jìn)行改動(dòng)之后，在不同的平臺(tái)上都實(shí)施一次同樣的改動(dòng)。受到實(shí)際節(jié)點(diǎn)的軟硬件平臺(tái)的限制，同樣的目的往往需要使用不同的方法。尤其對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議跨層設(shè)計(jì)的應(yīng)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(tái)緊密相關(guān)的部分除了算法思想，具體實(shí)現(xiàn)幾乎與網(wǎng)絡(luò)仿真器中的實(shí)現(xiàn)完全不同，不利于代碼的復(fù)用。
　　 基于以上考慮，本文使用多線程模擬多任務(wù)，信號(hào)模擬硬件中斷的方法實(shí)現(xiàn)了FreeRTOS模擬器，并將FreeRT

5、OS模擬器與網(wǎng)絡(luò)仿真器集成，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)。在兼顧網(wǎng)絡(luò)仿真器本身具有的擴(kuò)展性的基礎(chǔ)上，彌補(bǔ)了單純使用網(wǎng)絡(luò)仿真器的不足，對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的完整性、逼真度以及代碼的復(fù)用性方面進(jìn)行了增強(qiáng)。
　　 本論文以大型地震傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的研究和實(shí)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(luò)、多任務(wù)嵌入式OS模擬器的實(shí)現(xiàn)、FreeRTOS模擬器與網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的集成、總結(jié)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(dāng)前地震勘探儀器用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸追N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。結(jié)合當(dāng)前第五代和第六代地震勘探儀器使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給出了地震傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念，并簡(jiǎn)要討論了網(wǎng)絡(luò)的研究方法，以及采用仿真方法研究網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)仿真器應(yīng)該滿足的特性。為了克服當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)仿真的不足，提出了論文的研究?jī)?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(biāo)準(zhǔn)，分辨率的定量計(jì)算方法，以及各種影響分辨率和地震傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的因素

7、。本章也簡(jiǎn)要介紹了一些高分辨率地震勘探的方法，并定量計(jì)算了這些方法對(duì)道間距的需求。最后，討論了這些地震勘探方法對(duì)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(shì)。
　　 第3章討論了地震傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題，并簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前已經(jīng)存在的很多用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法和協(xié)議的跨層設(shè)計(jì)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(shí)例。在

8、現(xiàn)有無線技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)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(luò)的結(jié)構(gòu)和使用的技術(shù)路線。最后指出，適用于地震傳感器網(wǎng)絡(luò)的算法或協(xié)議的研究，以及地震傳感器網(wǎng)絡(luò)新結(jié)構(gòu)的研究，都需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)仿真的方法。
　　 第4章主要研究用于大型地震傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)的嵌入式操作系統(tǒng)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本章在討論了適用于仿真平臺(tái)的嵌入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn)及需求的基礎(chǔ)上，介紹了適用于仿真平臺(tái)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(shí)現(xiàn)方式之后，選擇了使用進(jìn)程模擬的方式。采用線程模擬任務(wù)，信號(hào)模擬中斷實(shí)現(xiàn)了FreeRTOS核心的模擬。采用異步I/O和層次化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了硬件外設(shè)的模擬。這種設(shè)計(jì)方法還適用于其它輕量級(jí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)的模擬。最終實(shí)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(gè)測(cè)試任務(wù)消耗了10KB左右的內(nèi)存。這樣對(duì)一個(gè)代表地震傳感器網(wǎng)絡(luò)

10、節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的FreeRTOS模擬器，若運(yùn)行有4個(gè)用戶任務(wù)，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(luò)仿真器集成的方法。在比較了不同的網(wǎng)絡(luò)仿真器后，綜合考慮了網(wǎng)絡(luò)仿真器應(yīng)具有的特性，選擇ns-3作為仿真平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)仿真器。使用了同步點(diǎn)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(shí)仿真系統(tǒng)的三個(gè)基本條件。采用了網(wǎng)格狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，泛洪的方式對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)