面向多狀態節點的移動WSNs 的區域覆蓋可靠性分析*

史記征，劉 毓

（1.重慶安全技術職業學院網絡與信息安全系，重慶 404020；2.重慶三峽學院電子與信息工程學院，重慶 404020）

0 引言

無線傳感網絡（Wireless Sensor Network，WSNs）由微型傳感節點構成［1］，這些節點具有感測、通信能力。目前，WSNs 已廣泛應用于智慧農業、智能交通、康復醫療等領域。由于這些節點屬微型節點，它們的功能容易受到多類因素影響，如濕度、下雨天以及電量不足、硬件故障。

一旦節點功能受損，節點間的連通率下降，影響了數據傳輸的可靠性。文獻［2-6］研究了WSNs 數據傳輸的可靠性問題。然而，除了數據傳輸的可靠性，區域絡覆蓋率也是影響WSNs 性能的一個重要因素。從區域面積角度，可將覆蓋問題分解成區域覆蓋［7］、點覆蓋［8-9］、k-覆蓋［10-11］。對于任意一類應用，覆蓋質量也是反映WSNs 的關鍵指標。只有有效地覆蓋監測區域，才能準確地收集區域內數據。

通常節點需多跳路徑才能將數據傳輸至信宿。這使得信宿周圍的節點能耗速度快于其他節點。為了解決這個問題，引用多個靜態信宿［12］。利用多個信宿，減少源節點離信宿距離，進而緩解信宿周圍節點的能耗速度。然而，如何部署靜態信宿，進而有效地平衡網絡內的能耗也是一項挑戰工作。

此外，文獻［12］考慮了兩類狀態節點。兩類狀態不足于評價多個信宿的覆蓋和可靠性問題。由于硬件故障、能耗等問題，一個節點可能存在多個狀態。盡管文獻［13］提出識別節點狀態的方法，但是其沒有闡述評估可靠性的方法。

因此，節點多個狀態的WSNs 網絡模型是一項值得研究的議題。通過考慮多個狀態，提高評估WSNs 可靠性。

為此，提出區域覆蓋-可靠（Area Coverage Reliability，ACR）指標。該指標包含了以下信息：1）節點的多狀態特性；2）覆蓋區域要求；3）兩個節點間距離；4）歐式距離；5）節點的傳輸半徑；6）節點剩余能量；7）鏈路可靠性。

同時，利用Monte Calro 仿真方法評估ACR 指標。在仿真過程中，節點采用隨機的值日率，并考慮硬件失敗、節點能量狀態信息以及覆蓋率對ACR 的影響。仿真數據為構建WSNs 提供參考。

1 系統模型

圖1 網絡模型

每個節點有4 個狀態：活動、轉發、休眠和失效。在活動狀態時，節點能夠感測、傳輸和接收感測數據；在轉發狀態時，節點能夠傳輸和接收感測數據，但不能感測數據；在休眠狀態時，節點暫時性關閉所電路，節點既不能感測數據，也不能傳輸和接收數據；相反，在失敗狀態，因故障，節點既不能感測數據，也不能傳輸和接收數據。

1.1 能耗模型

式中，Eelec表示發射電路每發射（傳輸）單比特數據所消耗的能量。εfs、εamp分別表示在自由空間、雙徑衰落傳輸模型下的能量消耗因子。

圖2 能耗模型

1.2 鏈路可靠性定義

對于任意兩個節點si、sj，它們間的鏈路Lij滿足以下兩個條件，才認為鏈路Lij是可靠的。

2 ACR 指標

2.1 節點狀態的隨機產生

信宿在不同的位置，節點可能處于不同狀態。假定信宿每隔t s 更換一次位置。因此，節點每隔t s 更新一次狀態。接下來，推導節點處于不同狀態的概率。

首先，通過式（3）計算節點si處于休眠狀態的概率：

2.2 節點所感測的區域

2.3 鏈路可靠性

具體而言，若滿足1.2 的鏈路可靠性定義，則鏈路可用。如果鏈路Lij可用，則表明節點si有能力將數據傳輸至節點sj。反之，若鏈路Lij不可用，則表明無論節點si處于活動還是轉發狀態，節點si可能沒有足夠能量向節點sj傳輸數據。

為了構建矩陣M，引用一個隨機值，且該隨機值由鏈路的終端節點產生。令ξLij表示由鏈路Lij的終端節點si產生的隨機數，其在0 至1 范圍內。如果ξLij小于ξth，并且節點si和節點sj處于活動或轉發狀態，則Li，j=1，如式（8）所示：

式中，ni=1 和nj=1 表示節點si和節點sj處于活動或者轉發狀態。若不處于活動或者轉發狀態，ni=0、nj=0。

2.4 計算ACR 流程

信宿沿著監測邊界移動，假定總共K 進行迭代。信宿每隔t s 更新一次新的位置，總共有次位置。

對于每次特定位置，先估計節點的狀態。節點當前的狀態受隨機的值日率、硬件元素以及剩余能量影響。然后，再判斷節點狀態。如果節點處于活動狀態，就依式（8）計算所感測的區域。再依據式（9）計算所有活動節點共同感測的區域：

3 性能仿真

3.1 仿真參數

圖3 計算ACR 的流程圖

表1 仿真參數

隨機產生不同的網絡拓撲結構，再利用拓撲結構評估ACR 性能。在每種拓撲結構中，傳感節點在特定位置。對于特定的拓撲結構，仿真20 000 次，取平均值作為最終的仿真數據。

3.2 節點數對ACR 和能耗的影響

考慮N 從50，60，70，80，90，100 變化。對于每個N，隨機產生24 個網絡拓撲，且θ=50%。

圖4 顯示了4 種拓撲結構下不同節點數對ACR 的影響。從圖4 可知，節點數的增加，并沒有提高ACR 值。具體而言，在拓撲4 中，節點數從70 增加至80 時，ACR 從0.691 90 增加至0.900 18；而在拓撲3 中，節點數從60 增加至70 時，ACR 反而從0.999 52 下降至0.737 76。原因在于：節點數越多，成功通信的節點數也越多，這就導致節點過早因能耗殆盡而失效，使得后面仿真的通信不成功，最終導致ACR 值下降。

圖4 節點數對ACR 的影響

圖5 能耗隨節點數的變化情況

圖5 顯示了節點數對能耗的影響。依據圖5 可知，ACR 值越大，能耗就越大。例如，在N＝90 時，拓撲2 結構中，在ACR=0.914 56 時的能耗為2.207 38 mJ；而在拓撲3 結構中，在ACR=0.999 67 時的能耗為0.850 14 mJ。這說明，ACR 結合了值日率、隨機節點狀態、節點能量以及拓撲結構因素。并不隨單一因素影響。

3.3 值日率α 和Areq 對ACR 的影響

本次實驗考慮大型網絡，且節點數N=200，300，400，500 變化。θ 從50%～95%變化。下頁表2、表3 分別顯示了α=0.8、α=0.9 的情況。

從表2 和表3 可知，α 值的增加，使更多節點保持喚醒狀態，這就使得表3 的ACR 值大于表2中的ACR 值。例如，在表2 和表3 中，當N=300時、θ＝50%，值日率從0.8 至0.9 增加，ACR 值增加了11%。

表2 值日率對ACR 的變化影響（α=0.8）

表3 值日率對ACR 的變化影響（α=0.9）

此外，從表2 和表3 可知，在每種拓撲結構中，θ=50%增加至θ=90%，ACR 值隨之下降。例如，在拓撲結構中，且N=200，θ 從50%增加至90%，使得ACR 值下降了2.1%。原因在于：在同一種情況下，θ值的增加，需要更多節點覆蓋區域。

4 結論

維持連通和最大化網絡可靠性是構建新區域監測方案的挑戰技術。為此，本文提出區域覆蓋-可靠ACR 指標。該指標包含了節點狀態、鏈路可靠性以及區域覆蓋要求等信息。仿真結果表明，提出的ACR 指標能夠有效地評估網絡連通和最大化網絡可靠性。本文考慮了不具有充電能力的傳感節點。后期，將考慮可充電傳感節點構成的WSNs。這將是后期研究工作的方向。