物聯網監測系統的可靠性保障機制與量化分析

俞文杰 童英華 田立勤

摘 要：針對物聯網監測系統的不可靠性，從監測系統感知層的傳感器節點到傳輸主干部分，分別對其可靠性進行分析，就感知層的拓撲結構選擇、監測區域的劃分、匯聚層設備的可靠性以及設備冗余進行了詳細分析，對傳輸部分的可靠性給出了量化分析公式。在節點部署時采用正六邊形部署方法，由于同等外接圓條件下正六邊形劃分所需要的傳感器節點數最少，因此整個監測區域的能量消耗也最少，減少了每個Sink節點接收數據的流量，增加了系統的生存時間。同時對于關鍵的簇頭節點進行冗余，量化分析了冗余倍數與該部分網絡可靠性及成本的關系，從而得出最優冗余方案。另外對匯聚層傳輸主干采用1+1保護方式，以確保監測系統傳輸主干的可靠性，最后給出了整個物聯網監測系統的可靠性量化公式。同時，所得出的相關理論對物聯網遠程監測在各行業中的應用和部署實施具有重要的理論和實際參考價值。

關鍵詞：物聯網監測系統；可靠性；正六邊形部署；冗余；量化分析

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-06

0 引 言

對物聯網監測系統來說，系統的可靠性是指物聯網監測系統在業務量增消變化的運行過程中，在各種破壞因素共存的條件下，對用戶服務需求持續滿足的能力[1]。造成物聯網監測系統不可靠的原因多種多樣，除了共因外，對于不同的物聯網監測系統，其根據實際情況的不同情況亦不同。物聯網監測系統不可靠的共因如下：

（1）設備部分：監測系統中感知部分的傳感器節點是整個監測系統的基礎，需求量最大，實際部署環境中由于部署方式、環境特點、人員管理等因素的影響，傳感器節點的可靠性較低。

（2）物聯網監測系統傳感器節點部署的地區多為環境惡劣的區域，能耗和通信條件受限。

（3）以物聯網監測系統中的環境監測系統為例，傳感器監測的數據存在多樣性，包括風速、濕度、霧霾程度等，導致對傳輸鏈路的帶寬要求較高。造成物聯網監測系統不可靠的原因是多方面的，包括監測區域內傳感器節點故障或老化，處理設備的數據存儲出現差錯，監測短距離路由傳輸數據的穩定性較差，遠程傳輸數據的篡改問題及傳輸線路被破壞等。監測供電設備中斷、監測環境對數據的干擾，及人為故意或無意破壞等均會導致監測系統不可靠。

已有研究通過不同的部署方式實現了監測區域的可靠性，如Liaqat為了提高網絡可靠性，避免能量空洞的出現，提出了正六邊形多級簇部署方案[2]。Bai提出在通信半徑與感知半徑滿足不同比例的條件下，實現全覆蓋和K連通最優部署方案[3]。對物聯網監測系統中檢測部分的設備部署、信息傳輸部分的可靠性進行量化分析，對實現監測系統的可靠性研究具有重要的理論和實際意義。田立勤等提出了正方形部署方案，并提出了結合雙冗余與重傳機制的傳輸主干可靠性保障機制[4]。劉睿瓊著眼于提高傳感器網絡節點的能效，設計了基于正六邊形網格的分簇路由HGRP算法[5]。Xing提出了不同容錯方式下，無線傳感網節點可靠性的計算公式，并對不同冗余方式在串、并聯結構中的可靠性進行了比較[6]。李建平從拓撲結構、協議棧和可靠性機制的角度，提出了基于神經網絡的可靠性評估模型[7]。Wang比較了三種MAC協議下，傳感器節點的可靠性以及生存時間[8]。聶晨華等提出利用動態故障樹模型研究可修復節點背景下WSN的可靠性[9]。徐雪鑫提出了通過不交和運算來計算各節點到Sink節點的可靠性表達式來快速計算可靠性的算法[10]。目前還沒有針對系統的完整保障可靠性的機制，考慮將整個系統劃分為幾部分，再通過對各部分可靠性的分步量化計算，提高各部分可靠性的保障機制，最后提高物聯網監測系統的整體可靠性。

1 物聯網監測系統的架構圖

物聯網監測系統的架構如圖1所示。物聯網監測系統通常由三部分構成，分別為感知層的節點監測網絡、網絡層數據傳遞網絡和應用層信息實時處理系統。這三部分分別完成物聯網監測系統原始數據的收集、轉發以及處理工作，最后實現應用層數據的顯示、數據挖掘、評估以及對未來的預測等功能。物聯網監測系統的感知層指監測系統的無線傳感器網絡，是由位于目標檢測區域內具有數據采集、保存、處理和傳輸的低成本、低損耗的傳感器節點組成。節點之間通過無線連接，將采集到的數據經節點轉發，最終到達匯聚節點，再經移動信號基站或北斗衛星傳輸到服務器端，由PC端的設備接收供用戶使用。

物聯網監測系統的感知層通常由傳感器節點、簇頭節點和Sink節點組成。無線傳感器節點常見的部署方式有正三角形、正方形、正六邊形等。網格部署可實現良好的覆蓋性及連通性。傳感器節點完成數據采集，通過節點將收集到的信息傳遞給簇頭節點。簇頭節點將無線傳感器采集到的數據進行融合，并將結果以單跳或多跳的方式傳遞給Sink節點，同時接收由Sink節點所發送的命令和信息，簇頭節點能量消耗較大。

網絡層的傳輸包括網關、移動信號基站、互聯網和北斗衛星。這部分主要負責將感知層傳輸的監測區域的數據通過3G/4G/衛星傳輸到服務器端，網關負責在無線傳感器網絡和互聯網或衛星通信之間實現連接。

應用層的信息實時處理系統主要是服務器端接收信息的終端設備，實現監測區域數據的可視化展現、數據查詢、挖掘、評估和對未來的預測。

2 物聯網監測區域的部署及量化分析

2.1 監測區域網格部署方法的比較

無線傳感器節點的部署需要選擇適合的拓撲結構，常見的網格部署方式如圖2所示，有正三角形、正方形和正六邊形等。當按正方形和正六邊形網格來劃分監測區域時，發現正六邊形重疊部分較少，傳感器節點利用率較高，有較好的節能特性，尤其是對于長距離傳送，優勢明顯[2]。

假設傳感器節點的感知半徑為RS，外接圓中心部署簇頭節點。以正三角形而言，傳感器節點部署在三個頂點，則按照正三角形劃分的傳感器節點的覆蓋面積為，每個節點的感知面積是πR2S，拓撲結構每增加一層，增加的簇頭節點數為12m（m為層數），如圖2（a）所示。

如圖2（b）所示，正方形節點的理想覆蓋面積是，同樣每個節點的感知面積是πR2S，拓撲結構每增加一層，增加的簇頭節點數為8m（m為層數）。

如圖2（c）所示，每個傳感器節點的感知半徑為RS，與正六邊形的邊長L相等，單個節點的感知面積相等均為πR2S，傳感器節點安置在正六邊形的頂點處，中心簇頭節點的理想覆蓋面積為，每層傳感器節點數為6m（m為層數）。

第一層拓撲結構如圖3所示，中間為Sink節點，與Sink節點所處的正六邊形相接的其他正六邊形的中心為簇頭節點。

經過比較，可得出正六邊形部署方式下節點的理想覆蓋面積最大，且按正六邊形的劃分所需要的傳感器節點數最少，從而整個監測區域的能量消耗也最少。同時減少了每個Sink節點接收數據的流量，延長了系統的生命周期。

2.2 監測區域正六邊形部署的量化分析

由上文可知，正六邊形部署策略所需節點數量最少，是一種最優部署策略。因此本文監測區域內節點的部署選擇正六邊形拓撲結構，如圖4所示。

無線傳感器節點會由于通信信號弱、基礎環境惡劣等問題會引起節點失效，導致監測數據不可靠。為確保監測數據的可靠性，需要在監測區域上采取相應的冗余策略，使局部節點失效，節點的鄰居節點也可對其需要監測的部分進行監測，降低數據的不可靠性。

正六邊形部署情況如圖5（a），（b）和（c）所示，根據節點部署時冗余覆蓋面積的不同，部署方法亦不同。假設每個傳感器節點的感知半徑為rS，圖5（a）為一個監測單元中傳感器節點感知面積相切的情況，此時傳感器節點之間有盲區，且當節點失效后，該節點負責的監測區域數據無法被采集，可靠性較低。

傳感器節點將監測區域全覆蓋，此時監測區域內無盲區，監測可靠性提高，如圖5（b）所示。傳感器節點部署在中心簇頭節點所能能感知的最大范圍處，該部署方法也可以實現監測區域的全覆蓋，如圖5（c）所示。

對于圖5（b）所示的節點部署情況，單個監測單元的最大監測距離為6rS，所形成的正六邊形邊長，但根據圖5（d）所示連續兩個監測單元的部署圖可以看出，當普通節點失效后，盲區面積較大，而圖5（e）構成的兩個監測單元在普通節點失效后，鄰居節點可以有效覆蓋其監測區域，有效減少監測的盲區。

監測區域的傳感器節點部署可采用圖5（c）所示的情況作為基本監測面。在圖5（c）中，一個基本監測面可監測的距離為4rS，圖5（e）中，兩個基本監測面可監測的最大距離為6rS，當i個基本監測面依次排列好后，最中間每橫排共有個傳感器節點2i+1，將距離分為均勻的2i+2份，每一份長度為傳感器的感知半徑rS，部署單個基本監測面可監測的最大距離為：

定理1：已知傳感器感知的半徑

為rS，則由i個簇形成的監測區域的面積Si為：

證明：一個基本監測面中的節點是一個簇結構，如圖6（a）所示，在簇外畫出與簇中所有節點感知區域相切的正六邊形，用整個正六邊形的面積減去若干f區域的面積和若干g區域的面積可得到一個基本監測面的監測面積。

由于節點感知區域相切于正六邊形，假設正六邊形的邊長為lS=k+rS，其中，正六邊形面積為：

f區域面積：為了計算f區域面積，首先計算四邊形abcd的面積，如圖6（b）所示，四邊形abcd的面積是直角三角形abd面積的兩倍，，S扇形（abc）=，因此f區域面積為：

g區域面積：為了計算g區域面積，首先計算ac1b的面積，如圖6（c）所示。

由于每兩個相交圓與外切線之間會有一個g區域，而每個角落上的圓與外切線會形成一個f區域，當監測區域由i個簇組成時，仍有6個角，因此f區域為6個，而每個監測面的第一個橫排共有2i個傳感器節點，于是整個監測區域共有4+2×（2i-1）個g區域。與監測區域相切的六邊形面積為：

為方便后文敘述，定義以下節點類型：

（1）自由節點：這一類節點失效后對監測系統的監測覆蓋無影響。

（2）制約節點對：將中間一排兩個簇頭節點間的兩個節點稱為制約節點對。

（3）角節點：將監測區域中四個角上的節點稱為角節點。

（4）邊節點：將最上排和最下排除去角節點的節點稱為邊節點。

在中間一排，兩個簇頭節點間的任何一個普通節點均為自由節點如圖6（d）所示，將它們中的任何一個去掉，對整個監測網的覆蓋來說都沒有影響。

由此可知每兩個簇頭節點間的普通節點是自由節點，因此自由節點的個數與簇個數i之間存在關系：

量化分析不同類型節點失效后造成的覆蓋盲區的面積。角節點失效后造成的覆蓋盲區的面積：

邊節點失效后造成的覆蓋盲區的面積：

兩個基本監測面的各部分覆蓋度如圖6（e）所示。圖中未考慮簇頭節點感知區域內覆蓋度，若簇頭節點一旦失效，整個監測面的數據都不能交付，因此簇頭節點需采取更有效的措施保證其可靠運行。在圖中將組成制約節點對的兩個節點共同覆蓋的區域認為是1覆蓋。通過制約節點對、邊節點、角節點三種基本節點失效面積的加減運算即可得到圖中較小的2覆蓋或3覆蓋不規則圖形的面積。

3 物聯網監測系統的可靠性分析

3.1 監測區域可靠性分析

3.1.1 感知節點向Sink節點傳輸數據的可靠性分析

在監測區域的傳感器感知節點采用無線通信方式實現數據信息的傳輸，且具有自組織網絡的特性，各節點之間可以相互聯系，將采集到的數據經感知節點逐級上傳。可采取多種路由方式，感知節點之間的通信連接方式為串聯。假設感知節點的可靠性為Rc（i），相關參數為Ci，則信息由感知節點傳輸到Sink節點的可靠性Rcom為：

其中，n為感知節點到Sink節點所經過的節點個數。

3.1.2 感知區域簇頭節點的可靠性分析

在監測系統中，冗余設備同時運行的情況下，只要有一個設備正常工作，該系統就是可靠的。不同于傳統的備份系統，必須等到設備故障時才切換，一旦切換出現問題，就會導致系統中斷。

假設監測系統中多級簇頭的傳輸部分可靠性為R，每個設備的可靠性為Ri。對簇頭設備進行冗余，且冗余設備之間為并聯方式。只有在冗余設備均不正常的情況下，該部分才是不可靠的，并聯的所有設備不可靠性為，整體系統的可靠性在一定范圍內與冗余設備的數量成正比，可靠性R可

表示為：

簇頭節點處于每個正六邊形區域的中心位置，監測區域最中心的六邊形中心部署Sink節點如圖7所示。假設層數為m，每增加一層，簇頭節點增加6m個，為了增加設備的可靠性，簇頭節點設備進行間隔冗余。每個簇頭節點的可靠性為Rj，不可靠性為，一個冗余的簇頭節點的不可靠性為：。該冗余的簇頭節點的可靠性為。則那么所有冗余的簇頭節點的可靠性為。

要想使該部分的可靠性最大，需要增加簇頭節點的冗余個數，在考慮節點費用的情況下，如果冗余節點的費用遠遠超過預期投資費用，那么這樣的冗余便沒有了實際意義，所以需要在費用和可靠性之間尋找一個最優解。

3.2 監測系統傳輸主干可靠性分析

物聯網監測系統在感知層采集到數據通過簇頭節點匯聚后傳送給Sink節點，之后通過GPRS/3G/4G、北斗衛星通信實現信息傳輸。物聯網監測系統數據傳輸部署的基礎條件薄弱，傳輸的數據種類不盡相同，通訊環境各不相同，傳輸時通訊信號差，存在不穩定的情況，從而導致傳輸數據的不可靠性增加。因此，為了提高傳輸主干的可靠性，可采取多種通信方式或采用主干設備冗余的方式。對于傳輸網絡，多采用1+1保護方式，即通常情況下通信路徑中有主用設備，在傳輸系統主用設備出現故障時切換到備用設備，使得傳輸系統可以完成正常的傳輸功能。

圖8為具有備用設備的主干傳輸網絡，設Ra為主用設備的可靠性，Rb為備用設備的可靠性，c為網絡切換功率。此時監測系統傳輸主干部分的可靠性由兩部分組成，一部分是監測系統傳輸主干中主用設備A的可靠性Ra，另一部分是在主用設備A出現故障時切換到備用設備B并成功傳輸的可靠性，為c×（1-Ra）×Rb，二者之和就是整個監測系統傳輸主干的可靠性R1+1，計算公式：

3.3 整個監測系統的可靠性分析

整個監測系統的可靠性主要包含以下部分：

（1）感知節點向Sink節點傳輸數據的可靠性；

（2）感知區域簇頭節點的可靠性分析；

（3）監測系統傳輸主干可靠性。

這幾個部分相互串聯，重點考慮關鍵節點簇頭的可靠性和傳輸主干的可靠性：

4 模擬仿真

假設有傳感器節點k，信息通過鏈路1傳輸到達簇頭節點的可靠性R1就是4個傳感器節點通信功能可靠性Rc（i）和相關參數Ci的累乘，通過鏈路2傳輸到達簇頭節點的可靠性R2就是5個傳感器節點通信功能可靠性Rc（i）和相關參數Ci的累乘。感知節點傳輸鏈路如圖9所示。

假設兩條鏈路的相關參數Ci均相同為0.96，傳感器節點通信功能的可靠性Rc（i）均為0.98，那么信息通過鏈路1傳輸到達簇頭節點的可靠性R1為：

可以看出，在傳感器節點的可靠性和相關參數相同的情況下，信息傳輸經過節點少的鏈路1的可靠性較鏈路2高。

假設每個傳感器節點的通信可靠性Rc為0.97，相關參數Ci依次為0.97，0.90和0.82，傳輸鏈路中傳感器節點的數據傳輸可靠性和所經過傳感器的個數成反比，對于簇頭節點應設置相對合適標準的權值，傳感器節點每經過一個節點，該節點的權值wk加1，當信息到達簇頭節點時，如果wk>W，則認為該信息不可靠，選擇丟棄。同時減輕了簇頭節點的任務，減少了擁塞，如圖10所示。

假設簇頭節點的可靠性均為Rj=0.97，當簇頭節點不進行冗余時，隨著拓撲結構層數的增加，感知區域簇頭節點的可靠性逐漸下降，當每個簇頭節點數量為kj=2，進行雙倍冗余時，同等拓撲層數情況下冗余后的可靠性有明顯提高。當每簇頭節點數量為kj=3，進行三倍冗余時，整體的可靠性趨近于1。然而并非冗余的個數越多越好，隨著簇頭節點冗余數的增加，費用急劇增長，可靠性保持平穩，所以選擇雙倍冗余既可提高監測系統的可靠性，又可避免費用過快增長，如圖11所示。

假設監測系統傳輸主干部分中，主用設備的可靠性為0.98，備用設備的可靠性為0.96，切換成功率為0.96，在傳輸主干部分采用1+1備份結構時，傳輸主干部分可靠性由公式R1+1=Ra+c×（1-Ra）×Rb計算可得：R1+1=0.98=0.96×（1-0.98）×0.96=0.998，可見1+1備份結構可有效提高傳輸主干部分的可靠性。

5 結 語

物聯網監測系統的可靠性決定了監測區域信息的準確性和服務質量，本文通過量化分析建議物聯網監測系統感知層部分采用正六邊形網格部署，實現監測區域的全覆蓋，避免監測盲區的出現，提高監測系統的可靠性，同時對監測區域關鍵節點的冗余和費用進行了量化分析。物聯網監測系統可靠性的研究方向還有很多，本文從節點的冗余和部分網絡的冗余來研究物聯網監測系統的可靠性，未來物聯網性能、可靠性、成本以及節點能耗優化等將是今后研究的重點。

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