無線傳感器網絡性能評價分析

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 野戰工程學院，江蘇 南京 210007)

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無線傳感器網絡性能評價分析

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 野戰工程學院，江蘇 南京 210007)

摘要：無線傳感器網絡具有成本低、體積小、自組織等優點，在軍事、環境監測、智能交通、智能家居等領域得到廣泛應用，如何評價其性能變得越來越重要。歸納了無線傳感器網絡性能的評價指標，闡述了無線傳感器網絡的綜合評價方法，分析了無線傳感器網絡性能評價的發展趨勢。

關鍵詞：無線傳感器網絡；性能評價；綜合評價

無線傳感器網絡是由一組具有感知、計算、通信和協同能力的傳感器節點構成的無線網絡，能夠協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并實時發布給觀察者[1]。近幾年，無線傳感器網絡技術得到了飛速的發展，更加廣泛地應用于各個領域。無線傳感器網絡的軍事應用模式從早期的定點環境監測，發展到現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模式[2]。隨著人們對傳感器網絡越來越依賴，如何評價其性能就顯得更加重要。對無線傳感器網絡性能的有效評價利于不同傳感器網絡之間進行比較，從而找出無線傳感器網絡的薄弱環節進行改進。

由于無線傳感器網絡應用范圍較廣，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絡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絡性能綜合評價方法進行介紹，最后分析了其發展趨勢。

1無線傳感器網絡性能評價指標

1.1網絡層方面

無線傳感器網絡的服務質量反映了網絡的運行狀況。由于無線傳感器網絡節點數量大，其資源能量受限，所以評估計算機互聯網和通信網服務質量的方法并不適用于無線傳感器網絡。龍吟等[3]提出了基于測試系統技術的無線傳感器網絡服務質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絡的數據傳輸可靠性，與節點電量、信道質量、吞吐量以及環境因素有關。

通信成功率：定義為網絡中所有源節點向Sink節點發送一定數量的數據包，Sink節點成功收到的數據包的總和與源節點發送的數據包的總和的比值。

吞吐量：用于衡量無線傳感器網絡的數據傳輸能力，與無線傳感器網絡的協議以及環境因素有關。

能量效率：定義為所有源到目的節點對中，傳送一個數據包的平均能耗。用于衡量無線傳感器網絡節點之間傳輸數據包的能耗，與無線傳感器網絡的協議棧以及環境因素有關。

路由魯棒性：用于衡量無線傳感器網絡在外界環境因素的擾動下仍然能夠保持系統原有性能的能力，主要與無線傳感器網絡的路由協議有關。

1.2抗毀性方面

網絡抗毀性是指網絡在自身老化或者遭受打擊時，導致節點失效的情況下網絡拓撲結構的可靠性。對于以傳送數據為目的的WSN來說，網絡中的節點相互連通并不一定意味著網絡有著較好的連通性，還與sink節點的連通有關，即與是否為有效的連通有關[4]。無線傳感器網絡面臨的打擊方式通常有2種：隨機性打擊和選擇性打擊。隨機性打擊就是網絡中的節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，有選擇地破壞網絡中部分節點。文獻[5]根據網絡打擊方式不同，提出兩種評價抗毀性的指標。

容錯度：在無線傳感器網絡中，網絡滿足一定抗毀度閾值的前提下，可以隨機移除網絡中節點數量的最大值與網路中所有節點數目之比，稱為網絡節點的容錯度。

抗攻擊度：在無線傳感器網絡中，網絡在滿足一定抗毀度閾值的前提下，可以按照一定的策略，選擇性地移除網絡中節點的數量的最大值與網絡中所有節點數目之比，稱為網絡節點的抗攻擊度。

1.3監測性能方面

無線傳感器網絡的任務并不僅僅局限于傳統網絡的數據傳輸，而是達到某種監測目的，即網絡能夠在一定時間內完成特定的監測任務。無線傳感器網絡的監測性能直接關系到收集信息的準確性、完整性、及時性[6]。文獻[7]從無線傳感器網絡的覆蓋性能和連通性能兩方面總結了無線傳感器網絡的監測性能評價指標。

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

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

覆蓋均勻度：文獻[8]將其表示為節點之間距離的標準差，標準差的值越小網絡覆蓋的均勻度越好。

覆蓋重數(覆蓋度)：對于給定的傳感器節點集合和給定的被監測區域，若該區域內的任意一點都被k個活躍節點覆蓋，則稱對該區域實行了k重完全覆蓋。被監測區域為k重覆蓋也稱網絡的覆蓋度為k。當k≥l時，則被監測區域內不存在覆蓋盲區。

連通度：網絡的連通度是指對于給定的傳感器節點集合和給定的被監測區域，若刪除該區域內的任意k個活躍節點才能使網絡不連通，則稱網絡的連通度為k，也稱網絡為k重連通[10]。

1.4定位技術方面

無線傳感器網絡在軍事偵察、地理環境監測或者交通路況監測等應用場合，獲取的監測信息必須要附帶相應的位置信息，不然這些數據就是不確切的，甚至有時候會失去采集的意義。由于經濟因素、節點能量制約等條件的限制，一般只有少量節點通過裝載GPS或通過預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無線傳感器網絡中各節點的定位[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。

錨節點密度：錨節點定位通常依賴人工部署或使用GPS實現。人工部署錨節點的方式不僅受網絡部署環境的限制，還嚴重制約了網絡和應用的可擴展性。而使用GPS定位，錨節點的費用會比普通節點高兩個數量級，這意味著即使僅有10%的節點是錨節點，整個網絡的價格也將增加10倍。另外，定位精度隨錨節點密度的增加而提高的范圍有限，當到達一定程度后不會再提高。

代價：定位系統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或算法所需的基礎設施和網絡節點的數量、硬件尺寸等；資金代價則包括實現一種定位系統或算法的基礎設施、節點設備的總費用。

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

2無線傳感器網絡性能綜合評價

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

在無線傳感器網絡性能綜合評價中，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，選取的測量指標應易于測量；3) 相關性，選取的測量指標相關性盡可能小。

在確定了WSN的性能指標后，可以通過線性加權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平均值。文獻[2]提出了基于路徑的無線傳感器網絡性能評價方法，通過對路徑上的節點的多個單項性能指標進行綜合處理，得出綜合性能參數值，可依據此綜合性能參數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條路徑上的測量數據，即：

(1)

對某一測量時刻，用加權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絡性能綜合評價是分別將該網絡中各路徑的性能評價指標綜合求值的結果，其值反映了網絡整體性能，由式(3)計算：

(3)

式中，PN為網絡性能評價指標，n為路徑數，Wi為各路徑的性能指標權重。對不同路徑可根據其在網絡中的重要程度賦予不同的路徑指標權重，以便更為合理地評價網絡的綜合性能。

文獻[14]在確定性能指標權重時結合主觀的權重分析方法(相對比較法)和客觀的權重確定方法(變異系數法)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，為科學決策提供依據。其具體步驟如下：

1) 基于變異系數法的指標權重計算

變異系數法是一種客觀賦權法。設m個對象，n個指標構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。此時，第j個指標的權重為：

(8)

2) 基于相對比較法的指標權重計算

相對比較法是一種主觀賦權法。設有n個指標f1，f2，…，fn，按三級比例標度兩兩相對比較評分，其分值設為aij。三級比例標度的含義是：

(9)

指標fi權重系數為：

(10)

3) 權重組合計算

3結語

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

無線傳感器網絡性能評價目前還缺乏統一標準，文中對性能評價指標進行了歸納，對制定統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范評價指標的選擇。

由于傳感器網絡應用不同，其側重的性能指標不同，所以各性能指標的權重不盡相同，如何對不同應用領域無線傳感器網絡綜合評價方法中性能指標的選取進行規范統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。