無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性研究

（無錫市工業(yè)設(shè)備安裝有限公司，江蘇 無錫 214074）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡而言之就是由大量微小傳感器節(jié)點所構(gòu)成的一種分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)抗毀性主要衡量的就是該系統(tǒng)提供可靠服務的能力[1]。該網(wǎng)絡(luò)由于并不依賴固定設(shè)備支撐，既能夠快速部署，又不受有限網(wǎng)絡(luò)的約束，易于組網(wǎng)，所以在環(huán)境檢測、醫(yī)療救護等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。但與此同時，由于硬件故障、遭遇入侵或者能量耗盡等諸多原因的影響，該網(wǎng)絡(luò)又時刻面臨著節(jié)點失效的問題。因此，研究探討無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性就具有尤為重要的意義和作用。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點在其中具體承擔數(shù)據(jù)采集工作，還承擔著簇頭節(jié)點或是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的角色。各個傳感器節(jié)點彼此之間會遵循一定的通信協(xié)議從而組成多跳網(wǎng)絡(luò)，并會把感知數(shù)據(jù)傳輸至相應的網(wǎng)關(guān)節(jié)點。然后網(wǎng)關(guān)節(jié)點把所感知的數(shù)據(jù)作相應處理后會通過衛(wèi)星等方式傳輸至基站，然后基站再借助Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸至各種終端，為其提供數(shù)據(jù)服務。

圖1-1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種基于應用的無線網(wǎng)絡(luò)，具有資源受限、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、強網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性、以數(shù)據(jù)為中心、多跳路由、系統(tǒng)實時性、感知數(shù)據(jù)冗余度、節(jié)點容易實效等特征[2]，為了確保信息的準確性，所以對于單個節(jié)點的要求必須降低，容許存在大量冗余節(jié)點。目前是為了增強系統(tǒng)的容錯性，使其具有一定的自適應性，會允許大量節(jié)點覆蓋檢測區(qū)，同時這還能夠減少盲區(qū)或是空穴的出現(xiàn)。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性能提升策略

1.路由控制

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在著諸多冗余節(jié)點，路由控制就是將網(wǎng)絡(luò)冗余特性利用起來，通過對備份機制的引入以達到網(wǎng)絡(luò)抗毀性得以提升的作用。細化來說，又存在鏈路冗余以及簇頭冗余兩種情況。鏈路冗余會在Sink節(jié)點以及源節(jié)點兩者之間建立多條鏈路，如此就能夠使得單一鏈路的負擔得以減輕，從而使受損的出現(xiàn)概率降低。如此，即便某一鏈路發(fā)生了故障，其他依然能夠?qū)崿F(xiàn)繼續(xù)工作，繼續(xù)承擔傳輸數(shù)據(jù)信息的功能。簇頭冗余主要是每個簇頭單元內(nèi)將會設(shè)置許多細小分支，倘若發(fā)生故障或是簇頭不足，那么其他備份簇頭就會重新肩負起數(shù)據(jù)收集、處理以及傳輸?shù)裙δ埽^續(xù)發(fā)揮應有的作用。路由控制的優(yōu)勢在于一不需要升級硬件，二不需要改動硬件，僅通過路由優(yōu)化來實現(xiàn)抗毀性能的增強，所以有利于減少網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本。但是需要注意的是，利用這種途徑來提升抗毀性能是以路由復雜程度上升以及通訊性能下降為代價的。

2.網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)主要是指在已經(jīng)布設(shè)了的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過將新的基礎(chǔ)設(shè)施引入原來的網(wǎng)絡(luò)中，借此來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)性的提升。目前主要的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法一是引入中繼節(jié)點，二是構(gòu)建小世界網(wǎng)絡(luò)。由于長距離通信會存在傳感器節(jié)點耗能過多的問題，與普通傳感器節(jié)點對比來說，而中繼節(jié)點卻在可靠性、能量儲備、計算性能等方面有更加優(yōu)秀的表現(xiàn)，通過中繼節(jié)點的設(shè)置，可以對網(wǎng)絡(luò)通信負載予以有效均衡，從而使網(wǎng)絡(luò)能耗表現(xiàn)得以改善，使網(wǎng)絡(luò)連通度與冗余度得到提升，進而獲得獨立的多條通信路徑，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)抗毀性能的提升。當前中繼節(jié)點布局算法主要是研究怎樣通過布設(shè)盡可能少的中繼節(jié)點來讓網(wǎng)絡(luò)具備較好的容錯性能，所以通常情況下主要有完成布設(shè)后通信路徑最短、中繼節(jié)點使用數(shù)量最少這個兩種指標來評價布局算法。而在復雜網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域，小世界網(wǎng)絡(luò)由于有著良好的拓撲屬性，所以一直是熱門研究對象。小世界網(wǎng)絡(luò)既擁有較小的平均路徑長度，還擁有較大的聚類系數(shù)，是使網(wǎng)絡(luò)性能得以提升的關(guān)鍵所在。倘若能夠使所構(gòu)建的WSNs拓撲帶有小世界網(wǎng)絡(luò)特征，那么就能夠讓網(wǎng)絡(luò)有著較好的連通性并且功耗也不高。

3.拓撲演化

拓撲演化主要是指通過擴大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模或者配置硬件參數(shù)的方式，使目前的網(wǎng)絡(luò)拓撲朝著較優(yōu)抗毀性能方向演化。相比于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法，借助拓撲演化方法所獲得的網(wǎng)絡(luò)拓撲都是同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，不具備典型異質(zhì)性特征，即鏈路與節(jié)點彼此之間沒有存在較為明顯的差異。目前構(gòu)建k-連通網(wǎng)絡(luò)與無標度網(wǎng)絡(luò)生長是主要的兩種拓撲演化方法。其中k-連通網(wǎng)絡(luò)是通過對節(jié)點發(fā)射功率的調(diào)節(jié)來對網(wǎng)絡(luò)連通性能予以改善，進而幫助網(wǎng)絡(luò)拓撲獲得較佳的抗毀性能。無標度網(wǎng)絡(luò)生長則是依靠引入新增節(jié)點，利用“偏好依附”機制[3]來助力網(wǎng)絡(luò)生長的實現(xiàn)，確保所生成的網(wǎng)絡(luò)拓撲將擁有無標度網(wǎng)絡(luò)特征，進而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)抗毀性能的提升。

結(jié)語

總而言之，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)通信主要是依靠網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)，倘若節(jié)點失效那么就會導致整個網(wǎng)絡(luò)的服務質(zhì)量受到影響，甚至可能導致整個網(wǎng)絡(luò)無法做到正常運行。文章主要從路由控制方面、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方面以及拓撲演化方面，這三個方面提出了網(wǎng)絡(luò)抗毀性能的具體提升策略，以期能夠給予相關(guān)人員一定的參考。