无线传感器网络可靠性建模方法(2)

　　4.无线传感器网络可靠性建模方法

　　无线传感器网络的可存活时间一般都受传感器节点能量消耗影响，这也就是所谓的平均网络寿命。平均网络寿命表示节点可能随机的灭失，可能改变拓扑结构，从而使监控需求不能得以满足。由此可见，无线传感器网络可靠性的改进需要将网络寿命得以延长。无线传感器网络的抗毁性在能量约束时都用平均抗毁性来进行表示。在能量约束时，消耗能量较快的就属重要节点。一般而言，都认为度越高节点就越重要，这些节点形成了骨干网，并且这些节点如果失效，那么网络更容易瓦解。可靠性无线传感器网络如下：

　　K-可靠性：N为无线传感器节点集合，Z为查寻范围，m为用以平衡平均寿命和平均抗毁性的影响因素。K-可靠性可以定义为受K-覆盖率约束的平均寿命和平均抗毁性值的权重，如式（1）所示：

　　K-可靠性=m×RL+（1-m）×RI……（1）

　　基于K-可靠性模型的拓扑控制定义如下：

　　Max{K-可靠性}=max{m×RL+（1-m）×RI}……（2）

　　上式要符合K-覆盖率≥，用来表示传感器密度，网络寿命和网络抗毁性间的权重值用m表示。

　　在固定传感器密度环境中维持K-可靠性前提下,从原始传感器节点集合的取得子集,对资源受限的无线传感器网络是至关重要的。但是对于多项式时间复杂度的可靠性模型的集中或分布拓扑控制算法如何解决这个问题也有一定的难度。同时，将时延和业务量的网络可靠性模型引入其中。在传感器网络中，时延阈值用Tm来表示，并且在指定时延阈值时要根据实际需要来进行，路径筛选因子F(Tu)的定义也是如此。

　　……（3）

　　得

　　。……（4）

　　上式将时延超过承受能力的点路径给剔除掉了，只需要将真正发挥效用的源节点及其到达汇聚点的路径保留下来。

　　依据具体环境来确定传感器网络源节点u到汇聚点的业务量，用Wu来表示，各源节点到汇聚点路径的可靠性测度B通过业务量对路径连通率加权得到：

　　……（5）

　　又考虑到汇聚点的可靠性，汇聚点的可靠度用Rsink来表示，进一步修正整个网络的可靠性，得：

　　A=B·Rsink……（6）

　　5.仿真操作

　　在本小节中，我们采用K-可靠性模型对无线传感器网络的可靠性进行测量仿真，将ERCTNA算法与LEACH和BCDCP协议进行比较，如图1所示。仿真中我们使用的参数如下：基站位置(50m,175m)；门限距离=75m；门限距离=104.42m；=50nJ/bit；=5nJ/bit/message；=10pJ/bit/m2；=0.0013pJ/bit/m4；Messagesize为4000bits；=1J。

　　在仿真中，当节点的剩余能量少于初始能量2‰时我们认为节点死亡，网络的生存时间为第一个节点死亡的轮数，采用K-可靠性模型对网络可靠性进行测量后，从图中能清晰地看出，ERCTNA的网络生存时间长于LEACH和BCDCP，并且随着网络覆盖范围的增大，ERCTNA相对与LEACH和BCDCP在生存时间上的优势更为明显；另外ERCTNA的优化传输模式在节能方面的优点随着网络大小的增大表现的更为明显。

6.结论

　　在无线传感器应用过程中，服务质量在一定程度上由传感器覆盖表现出来，而传感器覆盖通常与无线传感器网络的节能和网络连通性有密切关系。本文提出了K-可靠性模型，在一定程度上使网络寿命得以延长，进而使无线传感器网络的鲁棒性得以提高。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。这里需要注意的是：系统可靠性的局部指标就是任务可靠度的着眼点，其局部指标与任务的特征有着密切关系，主要表现的是系统分布式的局部指标。无线传感器网络可靠度的度量主要是将这些局部指标综合起来，对无线传感器网络中各种单元对其可靠度影响进行考察。针对可靠性有密切关系的关键单元进行可靠性处理，将系统的可靠度进行整体提高。以上这些在无线传感器网络系统设计时可作为参考依据。另外，由于在无线传感器网络中能量因素是非常重要的指标，因此，对其可靠性的研究在未来还需要加强对能量因素的研究。

　　参考文献：

　　[1]徐冉,高随祥,董萍,黄菲.无线传感器网络的可靠性计算[J].计算机应用研究.2009(03):23-24.

　　[2]孙利民等编著.无线传感器网络[M].清华大学出版社,2005:45-46.

　　[3]李凤保,李凌.无线传感器网络技术综述[J].仪器仪表学报.2005(S2):31-32.

　　[4]吴佳伟.智能电网中无线传感器网络技术的应用研究[J].供用电.2010(04):79-80.

　　[5]黄菲,高随祥,孙波,董萍,徐冉.无线传感器网络传输可靠性计算[J].应用数学学报.2008(05):91-92.

　　[6]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述.通信学报.2004.25(4):41-42.

　　[7]任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络.软件学报.2003,14(7):55-56.

　　[8]崔莉，鞠海玲，苗勇，李天璞，刘巍，赵泽.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展.2005.42（1）：163-174