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(wù)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(yīng)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(dān)數(shù)據(jù)采集工作，還承擔(dān)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(yīng)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(yīng)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(wù)。

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(yīng)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(yīng)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(dān)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(dān)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(yīng)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(fù)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(fù)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)?；蛘吲渲糜布?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(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量受到影響，甚至可能導(dǎo)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。