无线传感器网络可靠性建模方法

　　摘要：无线传感器网络部署设计的基础就是可靠性，因此，对无线传感器网络可靠性研究已经成为全世界在这个领域中研究的一个重点内容。无线传感器网络可靠性研究的一个有效方法就是建立数学模型。为了能够更好地进行无线传感器网络可靠性的建模，本文先介绍了无线传感器网络结构和节点模型，然后主要对无线传感器网络可靠性建模方法进行分析，提出了K-可靠性模型，并对无线传感器网络系统设计时参考依据进行简单说明。经过实践证明，无线传感器网络的可靠性完全能够通过K-可靠性模型进行测量。

　　关键词：无线传感器网络；可靠性；建模

　　[中图分类号]TN711.1[文献标识码]A[文章编号]20082106

　　WirelessSensorNetworkReliabilityModelingMethod

　　WuWei

　　(LiaoningPetrocchemicalVocationalAndTechnology，LiaoNing,JinZhou,121000)

　　【Abstract】Thebaseofdesignofwirelesssensornetworkdeploymentisreliability,sothestudyofwirelesssensornetworkreliabilityisveryimportantinthisdomainallovertheworld.Reliabilitystudyofwirelesssensornetworksisaneffectivewayistobuildamathematicalmodel.Thispaper,firstly,introducesthestructureandnodemodelofwirelesssensornetwork,secondly,analyseswirelesssensornetworkreliabilitymodelingmethods,finally,advancesK-reliabilitymodel.ThepracticeprovesthatthereliabilityofwirelesssensornetworkcanbemeasuredthroughK-reliabilitymodel.

　　【Keywords】wirelesssensornetworks;reliability;modeling

　　1.引言

　　近年来随着微机电系统(MEMS)、无线通信和数字电子技术等方面的进步，使得人们能够生产和开发出低成本、低能耗、多功能、小尺寸以及短距离通信的传感器节点。无线传感器网络(WSN)是由大量具有传感、计算和通讯能力的节点组成。人们将传感器网络任意部署在被关注的区域中去自主监控重要事件，并且将收集和处理后的结果传输到汇聚节点(基站)并完成指定的任务。这些网络被广泛地应用于交通和定位系统、环境监测、侦测核、化学和生物武器的攻击等。

　　为了有效地规划网络的应用和延长无线传感器网络的寿命，在进行无线传感器网络的设计和部署之前，进行无线传感器网络可靠性的建模分析是至关重要的。本文提出了无线传感器网络结构和节点模型，目的是能够更好地进行无线传感器网络可靠性的建模，本文讨论的重点是无线传感器网络可靠性建模方法-K-可靠性模型。

　　2.无线传感器网络可靠性相关理论知识

　　无线传感器网络可靠性研究既是要对传感器节点间的连接性进行考虑，也需要对传感器节点本身的特点和传感器节点的覆盖性进行考虑，这是因为无线传感器网络是由大量能量有限的电池供电的传感器节点组成。从目前所发表的文章中发现并没有对无线传感器网络可靠性有一个统一的定义。有的认为无线传感器网络的可靠性就是指网络中link节点与其它节点之间的连通性，即节点能否将数据发送至link节点。节点(node)通过单跳或者多跳的方式直接将数据发送给基站(BaseStation)或者经由其它节点有限次的转发至基站。无线传感器网络的可靠性对无线传感器网络对传感器节点失效的容差性进行了描述，无线传感器网络如何在很大程度上由无线传感器网络可靠性来决定或者评价，而无线传感器网络可靠性的评估主要通过建立数学模型来进行。

　　3.无线传感器网络结构和节点模型

　　3.1无线传感器网络结构

　　无线传感器网络是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成。通常传感器节点数量众多；在任意时刻，节点间通过无线信道连接，采用多跳、对等通信方式，自组织网络拓扑结构；传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局任务。无线传感器网络由大量无线传感器节点和汇聚节点(sink)组成，传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过多跳路由方式把数据传送到sink，sink也可用同样的方式将信息发送给各节点。

　　3.2节点模型

　　无线传感器网络的基本组成单位是节点，节点具有传感、信号处理和无线通信功能，由处理单元、通信单元、采集单元和供电单元4部分构成。对于节点间的信息交换通常需要处理单元和通信单元的参与。由于采集单元只是在源节点发生作用，不参与转发节点信息交换。因此，假定采集单元始终处于正常工作。同样，对于供电单元假定其正常工作。

　　3.3数学模型

　　接收方收到信号的能量可表示为：

　　PR=f（PE,D,，WB，H，CE）

　　其中，发送方发送的能量用PE来表示；发送方与接收方之间的距离用D来表示；信号的波长用来表示；信道带宽用WB表示；接收方天线的长度用H来表示；环境状况系数用CE来表示。

　　通过比较的方法判断传输是否有效：

　　设置能量门限值PT

　　当时，传输有效；当时，传输有效。当网络建立时，PT，PE，，WB，H是确定的，而CE和DN都服从正态分布。假设网络中有n个节点和一个基站，建立一个马尔科夫矩阵W，用0或1表示两点之间是否连通。一次传输从第一个节点到下一节点成为第1步，从下一节点到下下个节点称为第2步，以此类推。