智慧家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲可靠性評估研究

李忠成

摘要：結(jié)合智慧家庭系統(tǒng)應(yīng)用研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可靠性評估方法，提出一種網(wǎng)絡(luò)連通度、可用度和可靠度隨時間演進的仿真評估模型，將網(wǎng)絡(luò)連通度、可用度和可靠度計算算法應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)可靠性評估。通過智慧家庭服務(wù)平臺系統(tǒng)仿真驗證與結(jié)果分析，給出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連通度、可用度和可靠性隨時間變化趨勢。結(jié)果表明，該評估模型可以快速準確實現(xiàn)對各種拓撲結(jié)構(gòu)的可靠性分析，為同類系統(tǒng)應(yīng)用中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可靠性分析與評估提供了有效手段。

關(guān)鍵詞：智慧家庭 網(wǎng)絡(luò)拓撲 研究

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0075-02

1 智慧家庭系統(tǒng)設(shè)計

智慧家庭系統(tǒng)是綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)將家庭設(shè)備智能控制、家庭環(huán)境感知、家人健康感知、家居安全感知以及信息交流、消費服務(wù)等家居生活有效地結(jié)合起來，創(chuàng)造出健康、安全、舒適、低碳、便捷的個性化家居生活。

智慧家庭系統(tǒng)設(shè)計按照物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)分為三層：數(shù)據(jù)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層包括ZigBee節(jié)點及其所組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、各類傳感器、音視頻采集設(shè)備等感知器以及安防門禁系統(tǒng)等執(zhí)行器。各種傳感器信息通過ZigBee節(jié)點轉(zhuǎn)送到網(wǎng)關(guān)；應(yīng)用層發(fā)出的命令信息通過ZigBee節(jié)點發(fā)給執(zhí)行設(shè)備來完成特定操作。ZigBee協(xié)調(diào)器在網(wǎng)關(guān)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間，負責(zé)無線組網(wǎng)、信息匯集和用戶命令下發(fā)。網(wǎng)絡(luò)層主要由ZigBee家庭內(nèi)部網(wǎng)、Internet網(wǎng)和移動蜂窩網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)連接組成。網(wǎng)關(guān)作為三網(wǎng)之間的橋梁，負責(zé)收集家庭內(nèi)部網(wǎng)中的節(jié)點信息和狀態(tài)并進行處理，再向Internet和蜂窩網(wǎng)進行發(fā)送。應(yīng)用層設(shè)計包括家居安防監(jiān)控、家庭信息管理、家居環(huán)境監(jiān)測和控制等功能。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估

在智慧家庭系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是其物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性在某種程度上代表了整個智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性主要表現(xiàn)為：在一定環(huán)境和時間內(nèi)完成傳感器數(shù)據(jù)信息的準確采集和傳輸，以及可連接到因特網(wǎng)、自動組網(wǎng)，能夠高效應(yīng)對突發(fā)事件，并在給定條件下保持自身系統(tǒng)穩(wěn)定。

智慧家庭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是多應(yīng)用系統(tǒng)彼此之間相互結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與可靠是系統(tǒng)可靠性分析建模的核心。一般使用圖論分析方法評估物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，主要從抗毀性和生存性兩個方面來判別?？箽员硎緸樵诖_定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)遭受外界破壞力作用時，導(dǎo)致連接受損，但網(wǎng)絡(luò)還能夠保持通信的能力。抗毀性與網(wǎng)絡(luò)具體拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)，網(wǎng)絡(luò)是否具有抗毀性，可以用網(wǎng)絡(luò)連通度和黏聚度來衡量。生存性表示網(wǎng)絡(luò)受到外界一定的破壞力作用時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和通信鏈路出現(xiàn)故障，但網(wǎng)絡(luò)仍能夠保持通信順暢的概率。網(wǎng)絡(luò)生存性與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備質(zhì)量、破壞力大小和所處工作環(huán)境有關(guān)。評估網(wǎng)絡(luò)生存性一般用亮度可靠度來表示，包括端到端的可靠度、K端可靠度以及全端可靠度。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輻射功率小，其鏈路客觀因素影響比較敏感。障礙物會造成無線鏈路失效，在智慧家庭系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時需確保關(guān)鍵鏈路能夠避開障礙物阻擋，使傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息能迅速準確地傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，因此需要對網(wǎng)絡(luò)鏈路可靠性進行評估。常用的評估方法有蒙特卡羅法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、petri網(wǎng)絡(luò)方法、狀態(tài)空間法、因子分解法等。

一般網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點、通信鏈路構(gòu)成。假設(shè)一個給定網(wǎng)絡(luò)G，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為N，網(wǎng)絡(luò)通信鏈路數(shù)為L。如果網(wǎng)絡(luò)G的可靠性用R來表示，則R取決于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點硬件設(shè)備質(zhì)量Pn、網(wǎng)絡(luò)連接鏈路可靠性L1，以及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)T，它們之間對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系為：R∝（Pn，Ll，T）。該式表明：節(jié)點設(shè)備可靠性、鏈路可靠性越高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)T的連通性越高，網(wǎng)絡(luò)可靠性也越高。

網(wǎng)絡(luò)連通可靠度是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)評估中判斷網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要依據(jù)，它根據(jù)部件故障率和節(jié)點鏈路連接可靠度來判斷網(wǎng)絡(luò)是否可靠。網(wǎng)絡(luò)連通率表示網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備彼此之間的連接狀態(tài)，它也是判斷網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。一般用連續(xù)運動離散化算法來計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通率。如果認定在一定的時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不會發(fā)生改變，而對于某一時刻的拓撲結(jié)構(gòu)不 變網(wǎng)絡(luò)，則可采用節(jié)點遍歷算法對連通率進行計算。其計算方式為相鄰連接的節(jié)點個數(shù)除以所有非故障節(jié)點個數(shù)。

對智慧家庭系統(tǒng)中給定連接值的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)G，N個節(jié)點，E為所有邊的集合。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與邊均不相連，網(wǎng)絡(luò)拓撲為靜態(tài)拓撲，設(shè)定拓撲固定不變。將傳感器節(jié)點可靠性與鏈路可靠性綜合為傳輸路徑可靠性R（i，j）。在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性時，首先認為所有節(jié)點都完全可靠。網(wǎng)絡(luò)連接鏈路可靠性R（i，j）之間相互獨立，其一般通過連接節(jié)點可靠性來判定。評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性有多種方法，目的都是要了解在受到外界干擾或破壞情況下的網(wǎng)絡(luò)可靠性程度。一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)G的可靠性可以用所有節(jié)點對之間的可靠性Rel（i，j）的均值描述為若節(jié)點i、j之間有M條最小路徑，則：。

綜上所述，計算智慧家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)鍵是找出網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)節(jié)點間的路集、最小路集以及不交最小路集。

3 仿真實驗分析

較好的拓撲結(jié)構(gòu)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性有決定性作用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)具有一定的靈活性，其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也不是固定的，使得從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來研究網(wǎng)絡(luò)可靠性成為可能。為了研究智慧家庭系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響，選擇典型的四種拓撲結(jié)構(gòu)進行仿真實驗，分別是：具有8個節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、具有8個節(jié)點的帶狀網(wǎng)絡(luò)、延長至具有20個節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和延長至具有20個節(jié)點的帶狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

選擇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域為長寬均是100m的正方形區(qū)域作為實驗區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)按需安裝智慧家庭系統(tǒng)設(shè)備，并隨機布置50個傳感器節(jié)點，每個節(jié)點的通信距離為20m、感知距離為10m、初始能量為1J。假定系統(tǒng)中節(jié)點之間傳輸數(shù)據(jù)的能量消耗為45nJ/bit，接收數(shù)據(jù)的能量消耗為30nJ/bit，數(shù)據(jù)分組大小為64字節(jié)，信道衰落參數(shù)是0.3。所有仿真實驗都在主頻2.3GHz、內(nèi)存4GB的Win7操作系統(tǒng)的MATLAB2014a平臺上進行。仿真實驗主要包括四種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連通度、網(wǎng)絡(luò)可靠度和網(wǎng)絡(luò)可用度仿真實驗，并結(jié)合它們的仿真時間和平均可用度進行分析。

從仿真實驗系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性隨仿真節(jié)點能量耗盡時間變化趨勢來看，對于不同的拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)可靠性隨時間變化各不相同，8個節(jié)點的帶狀網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的可靠性，比20個節(jié)點的帶狀網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的可靠性要高。當(dāng)仿真時間較短時，由于初始時能量充足，網(wǎng)絡(luò)連通順暢，網(wǎng)絡(luò)可靠性比較好，但隨著仿真時間向前推移，網(wǎng)絡(luò)連通度逐步下降，下降幅度也比較均勻。從節(jié)點個數(shù)來看，8個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)比20個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)可靠性高；總體而言，8個節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)比帶狀網(wǎng)絡(luò)可靠性高，20個節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)比帶狀網(wǎng)絡(luò)高。原因主要是帶狀網(wǎng)絡(luò)一個節(jié)點出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)傳輸可靠性下降較快。

在智慧家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用度仿真實驗中，設(shè)定平均可用度數(shù)值范圍為0-1。在平均修復(fù)時間一定的情況下，8個節(jié)點的帶狀網(wǎng)絡(luò)可用度比較高，集中在0.75-0.9之間，但隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的增多，其可用度降低比較明顯，20個節(jié)點的帶狀網(wǎng)絡(luò)可用度基本集中在0.1-0.3之間。原因主要在于20個節(jié)點的帶狀網(wǎng)絡(luò)過于冗長，數(shù)據(jù)傳輸過程中受到自身和外界的干擾越來越大，最終影響其通信質(zhì)量。同樣8個節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與20個節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可用度區(qū)別也較大，8個節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可用度也比較高，集中在0.75-0.95之間，但隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的增多，20個節(jié)點的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可用度基本集中在0.1-0.18之間。

最后通過智慧家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平均可用度與仿真時間的對比分析得出，帶狀網(wǎng)絡(luò)的可用度比網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的可用度稍高，當(dāng)都是8個節(jié)點的帶狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)時，帶狀網(wǎng)絡(luò)的仿真耗時比網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)要短，但隨著節(jié)點數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)的可用度隨之下降，仿真時間都會延長。這是因為隨著節(jié)點的增多，節(jié)點故障以及節(jié)點之間的連接故障也隨之增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)可用度下降明顯，20個節(jié)點帶狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)仿真時間相差不大，可用度都比較低。

4 結(jié)語

通過對智慧家庭系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的可靠性研究，提出一種網(wǎng)絡(luò)連通度、可用度和可靠度隨時間演進的網(wǎng)絡(luò)可靠性仿真模型，將網(wǎng)絡(luò)連通度、可用度和可靠度計算算法應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性評估中，并進行仿真實驗驗證與分析，結(jié)果表明，該評估模型可以快速準確地實現(xiàn)對智慧家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)可靠性分析，能夠為同類系統(tǒng)應(yīng)用中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的可靠性快速分析與評估提供了有效的參考手段。

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