無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評價分析

欒健，王強，何曉暉，管芳林，邊恩江，何杰

(中國人民解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評價分析

欒健，王強，何曉暉，管芳林，邊恩江，何杰

(中國人民解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、體積小、自組織等優(yōu)點，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、智能家居等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如何評價其性能變得越來越重要。歸納了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的評價指標，闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的綜合評價方法，分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評價的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；性能評價；綜合評價

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組具有感知、計算、通信和協(xié)同能力的傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并實時發(fā)布給觀察者[1]。近幾年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，更加廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軍事應(yīng)用模式從早期的定點環(huán)境監(jiān)測，發(fā)展到現(xiàn)代的可隨機散布的情報獲取模式以及具備攻擊毀傷能力的自主反應(yīng)模式[2]。隨著人們對傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越依賴，如何評價其性能就顯得更加重要。對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的有效評價利于不同傳感器網(wǎng)絡(luò)之間進行比較，從而找出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)進行改進。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍較廣，其性能評價指標也不一而同。文中首先歸納了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的評價指標并闡述各指標的詳細定義，其次對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能綜合評價方法進行介紹，最后分析了其發(fā)展趨勢。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評價指標

1.1網(wǎng)絡(luò)層方面

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量反映了網(wǎng)絡(luò)的運行狀況。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量大，其資源能量受限，所以評估計算機互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的方法并不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。龍吟等[3]提出了基于測試系統(tǒng)技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量評價并對各個評價指標進行了量化，評價指標如下。

丟包率：用于衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，與節(jié)點電量、信道質(zhì)量、吞吐量以及環(huán)境因素有關(guān)。

通信成功率：定義為網(wǎng)絡(luò)中所有源節(jié)點向Sink節(jié)點發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包，Sink節(jié)點成功收到的數(shù)據(jù)包的總和與源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包的總和的比值。

吞吐量：用于衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議以及環(huán)境因素有關(guān)。

能量效率：定義為所有源到目的節(jié)點對中，傳送一個數(shù)據(jù)包的平均能耗。用于衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)包的能耗，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧以及環(huán)境因素有關(guān)。

路由魯棒性：用于衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在外界環(huán)境因素的擾動下仍然能夠保持系統(tǒng)原有性能的能力，主要與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議有關(guān)。

1.2抗毀性方面

網(wǎng)絡(luò)抗毀性是指網(wǎng)絡(luò)在自身老化或者遭受打擊時，導(dǎo)致節(jié)點失效的情況下網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的可靠性。對于以傳送數(shù)據(jù)為目的的WSN來說，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點相互連通并不一定意味著網(wǎng)絡(luò)有著較好的連通性，還與sink節(jié)點的連通有關(guān)，即與是否為有效的連通有關(guān)[4]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的打擊方式通常有2種：隨機性打擊和選擇性打擊。隨機性打擊就是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都是以一個相同的概率遭受破壞，選擇性打擊就是按照一定的策略，有選擇地破壞網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點。文獻[5]根據(jù)網(wǎng)絡(luò)打擊方式不同，提出兩種評價抗毀性的指標。

容錯度：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)滿足一定抗毀度閾值的前提下，可以隨機移除網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量的最大值與網(wǎng)路中所有節(jié)點數(shù)目之比，稱為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的容錯度。

抗攻擊度：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)在滿足一定抗毀度閾值的前提下，可以按照一定的策略，選擇性地移除網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)量的最大值與網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點數(shù)目之比，稱為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的抗攻擊度。

1.3監(jiān)測性能方面

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)并不僅僅局限于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，而是達到某種監(jiān)測目的，即網(wǎng)絡(luò)能夠在一定時間內(nèi)完成特定的監(jiān)測任務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測性能直接關(guān)系到收集信息的準確性、完整性、及時性[6]。文獻[7]從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能和連通性能兩方面總結(jié)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測性能評價指標。

覆蓋率：文獻[8]將其定義為所有節(jié)點覆蓋范圍的總和與整個被監(jiān)測區(qū)域面積的比值。

覆蓋效率：曹峰等[9]首次提出覆蓋效率的概念，定義為所有節(jié)點覆蓋范圍的并集與所有節(jié)點覆蓋范圍總和的比值，用來衡量節(jié)點覆蓋范圍的利用率。

覆蓋均勻度：文獻[8]將其表示為節(jié)點之間距離的標準差，標準差的值越小網(wǎng)絡(luò)覆蓋的均勻度越好。

覆蓋重數(shù)(覆蓋度)：對于給定的傳感器節(jié)點集合和給定的被監(jiān)測區(qū)域，若該區(qū)域內(nèi)的任意一點都被k個活躍節(jié)點覆蓋，則稱對該區(qū)域?qū)嵭辛薻重完全覆蓋。被監(jiān)測區(qū)域為k重覆蓋也稱網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度為k。當(dāng)k≥l時，則被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)不存在覆蓋盲區(qū)。

連通度：網(wǎng)絡(luò)的連通度是指對于給定的傳感器節(jié)點集合和給定的被監(jiān)測區(qū)域，若刪除該區(qū)域內(nèi)的任意k個活躍節(jié)點才能使網(wǎng)絡(luò)不連通，則稱網(wǎng)絡(luò)的連通度為k，也稱網(wǎng)絡(luò)為k重連通[10]。

1.4定位技術(shù)方面

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、地理環(huán)境監(jiān)測或者交通路況監(jiān)測等應(yīng)用場合，獲取的監(jiān)測信息必須要附帶相應(yīng)的位置信息，不然這些數(shù)據(jù)就是不確切的，甚至有時候會失去采集的意義。由于經(jīng)濟因素、節(jié)點能量制約等條件的限制，一般只有少量節(jié)點通過裝載GPS或通過預(yù)先部署在特定位置的方式獲取自身坐標。因此，必須采取一定的機制或算法來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的定位[11]。文獻[12]提出的評價指標如下。

定位精度：分為絕對精度和相對精度。絕對精度是測量的坐標與真實坐標的偏差，一般用長度計量單位表示。相對誤差一般用誤差值與節(jié)點無線射程的比例表示，定位誤差越小定位精確度越高。

錨節(jié)點密度：錨節(jié)點定位通常依賴人工部署或使用GPS實現(xiàn)。人工部署錨節(jié)點的方式不僅受網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的限制，還嚴重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴展性。而使用GPS定位，錨節(jié)點的費用會比普通節(jié)點高兩個數(shù)量級，這意味著即使僅有10%的節(jié)點是錨節(jié)點，整個網(wǎng)絡(luò)的價格也將增加10倍。另外，定位精度隨錨節(jié)點密度的增加而提高的范圍有限，當(dāng)?shù)竭_一定程度后不會再提高。

代價：定位系統(tǒng)或算法的代價可從不同的方面來評價。時間代價包括一個系統(tǒng)的安裝時間、配置時間、定位所需時間；空間代價包括一個定位系統(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量、硬件尺寸等；資金代價則包括實現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點設(shè)備的總費用。

節(jié)點密度：節(jié)點密度通常以網(wǎng)絡(luò)的平均連通度來表示，許多定位算法的精度受節(jié)點密度的影響。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點密度增大不僅意味著網(wǎng)絡(luò)部署費用的增加，而且會因為節(jié)點間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能綜合評價

綜合評價方法將反映無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的多個指標信息綜合起來，根據(jù)各自的權(quán)重，計算一個綜合指標，由此來反映網(wǎng)絡(luò)整體的性能狀況，可以對被評價網(wǎng)絡(luò)做時間和空間上的整體對比，兼具全面性和綜合性。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能綜合評價中，需考慮的測量指標的選取原則[13]有：1) 全面性，選取測量指標無需很多，但要盡可能全面；2) 易測性，選取的測量指標應(yīng)易于測量；3) 相關(guān)性，選取的測量指標相關(guān)性盡可能小。

在確定了WSN的性能指標后，可以通過線性加權(quán)法進行多指標綜合評價。其基本步驟為：先確定各性能指標的權(quán)重，其次對決策矩陣作標準化處理，最后求出各性能評價指標的線性加權(quán)平均值。文獻[2]提出了基于路徑的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評價方法，通過對路徑上的節(jié)點的多個單項性能指標進行綜合處理，得出綜合性能參數(shù)值，可依據(jù)此綜合性能參數(shù)值對同一路徑在不同時間或同一時間不同路徑之間進行性能比較分析。矩陣A表示m個時刻，n條路徑上的測量數(shù)據(jù)，即：

(1)

對某一測量時刻，用加權(quán)平均方法計算其路徑性能評價值：

(c=1,…,l+k,i=1,…,m,j=1,…,m)

(2)

基于路徑的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能綜合評價是分別將該網(wǎng)絡(luò)中各路徑的性能評價指標綜合求值的結(jié)果，其值反映了網(wǎng)絡(luò)整體性能，由式(3)計算：

(3)

式中，PN為網(wǎng)絡(luò)性能評價指標，n為路徑數(shù)，Wi為各路徑的性能指標權(quán)重。對不同路徑可根據(jù)其在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度賦予不同的路徑指標權(quán)重，以便更為合理地評價網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。

文獻[14]在確定性能指標權(quán)重時結(jié)合主觀的權(quán)重分析方法(相對比較法)和客觀的權(quán)重確定方法(變異系數(shù)法)進行組合計算，有效地解決了以往單一的客觀分析法或單一的主觀分析法計算所造成的片面性和局限性，為科學(xué)決策提供依據(jù)。其具體步驟如下：

1) 基于變異系數(shù)法的指標權(quán)重計算

變異系數(shù)法是一種客觀賦權(quán)法。設(shè)m個對象，n個指標構(gòu)成的矩陣決策矩陣為：

X=(xij)m×n

(4)

記：

(5)

(6)

則：

(7)

式中，為xj的變異系數(shù)。此時，第j個指標的權(quán)重為：

(8)

2) 基于相對比較法的指標權(quán)重計算

相對比較法是一種主觀賦權(quán)法。設(shè)有n個指標f1，f2，…，fn，按三級比例標度兩兩相對比較評分，其分值設(shè)為aij。三級比例標度的含義是：

(9)

指標fi權(quán)重系數(shù)為：

(10)

3) 權(quán)重組合計算

3結(jié)語

綜合評價方法利于傳感器網(wǎng)絡(luò)在時間和空間上進行性能評價。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合評價中采用模糊評價方法等也是一種選擇。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評價目前還缺乏統(tǒng)一標準，文中對性能評價指標進行了歸納，對制定統(tǒng)一的性能評價指標體系起到促進作用，可以嘗試建立無線傳感器性能評價指標體系標準以規(guī)范評價指標的選擇。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不同，其側(cè)重的性能指標不同，所以各性能指標的權(quán)重不盡相同，如何對不同應(yīng)用領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合評價方法中性能指標的選取進行規(guī)范統(tǒng)一還有待進一步研究。

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Analysis of Wireless Sensor Network Performance Evaluation

LUAN Jian, WANG Qiang, HE Xiao-hui, GUAN Fang-lin, BIAN En-jiang, HE Jie

(College of Field Engineering, PLA Univ. of Sci. & Tech. Nanjing 210007,China)

Abstract:Wireless sensor network (WSN) has the advantages of lower cost, smaller volume and self-organization. In recent years, WSN is used in almost all of the fields, including military, environmental monitoring and surveillance, intelligent transportation and smart home systems. Thus, it is more and more important. how to evaluate the performance of WSN. This paper summarizes the performance evaluation index of WSN, introduces its comprehensive evaluation method and forecasts the development of performance evaluation for WSN.

Keywords:wireless sensor network; performance evaluation; comprehensive evaluation

收稿日期：2014-11-26

中圖分類號：TP212

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)03-0165-03

作者簡介：欒健(1989-)，男，吉林蛟河人，碩士研究生，研究方向為機電一體化。