基于多因子分析的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型設(shè)計

芮立

摘 ?要： 采用判決反饋方法評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，僅從網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性因素方面考慮，未考慮影響網(wǎng)絡(luò)可靠性的多種因素，自適應(yīng)能力和可靠性評估效果差。設(shè)計基于多因子分析的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型，利用多因子分析過程將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的變量關(guān)系簡單化。由5個主指標(biāo)與20個有相互關(guān)聯(lián)的子指標(biāo)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估指標(biāo)體系，通過主成分分析方法分析指標(biāo)體系獲取11個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)主因子。將這些因子輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，構(gòu)建無線傳感器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估。實驗結(jié)果表明，該模型的可靠性評估精度均值為98%，該模型下的無線傳感網(wǎng)絡(luò)可靠性最高達到98%，極大提高了無線傳感器的安全性能。

關(guān)鍵詞： 多因子分析; 無線傳感器; 可靠性評估; 主成分分析方法; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 模型設(shè)計

中圖分類號： TN915?34; TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0156?05

Abstract： Only the stability factor of the network link is considered， and various factors affecting network reliability are not considered when the decision feedback method is used for wireless sensor network evaluation， resulting in poor adaptive ability and reliability evaluation effect. Therefore， a reliability evaluation model based on multi?factor analysis is designed for the wireless sensor network. The complex variable relationship of the wireless sensor network is simplified by using the multi?factor analysis process. The reliability evaluation index system of the wireless sensor network is built by using five main indexes and 20 interrelated sub?indexes. 11 main factors for the reliability index of the wireless sensor network are obtained by analyzing the index system with the principal component analysis method. These factors are input into the neural network model to build the reliability evaluation model of the wireless sensor neural network， so as to complete the reliability evaluation of the wireless sensor network. The experimental results show that the mean value for reliability evaluation accuracy of the model is 98%， and the maximum reliability of the wireless sensor network under the model reaches 98%， which can greatly improve the safety performance of the wireless sensor.

Keywords： multifactor analysis; wireless sensor; reliability evaluation; principal component analysis method; neural network; model design

0 ?引 ?言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）被大范圍應(yīng)用在各個領(lǐng)域內(nèi)[1]，WSN具備無線通信、成本低等優(yōu)點。在確保WSN的可靠性的前提下，提高網(wǎng)絡(luò)智能服務(wù)效率，同時以解決網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)絡(luò)冗余與環(huán)境干擾等性能指標(biāo)問題為目標(biāo)建立WSN，并且各個性能指標(biāo)相互制衡[2]。建立的WSN是否符合實際要求是由建立各個性能指標(biāo)和傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性之間的關(guān)系驗證。無線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者，越來越注重對網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究，設(shè)計高質(zhì)量的無線網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型具有重要的應(yīng)用意義[3]。以往采用判決反饋方法評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，僅從網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定性因素方面考慮，未考慮影響網(wǎng)絡(luò)可靠性的不同因素，自適應(yīng)能力以及評估效果差。因此，本文從無線傳感網(wǎng)絡(luò)可靠性評估指標(biāo)的多樣性出發(fā)，設(shè)計有效的無線傳感網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型，增強無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性[4]。

1 ?基于多因子分析的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型設(shè)計

1.1 ?多因子分析

為了全面評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性問題，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)收集大量的，能體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性的多個變量，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集可靠性多變量大樣本的過程導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集負擔(dān)加大。同時出現(xiàn)重復(fù)收集數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)冗余問題，導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個屬性不能依據(jù)各個變量響應(yīng)，存在差異的變量并不代表輸電網(wǎng)的屬性差異，因為大量變量之間在大部分情形下具有一定的關(guān)聯(lián)性。反應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性原變量中涵蓋的關(guān)鍵信息，通過在大量指標(biāo)中選取少量的綜合性變量體現(xiàn)，將繁雜的變量關(guān)系簡單化的過程為多因子分析[5]。

大量的原變量信息被少量的相互獨立因子變量替代，這一替代過程為多因子分析需要考慮的方向，數(shù)學(xué)模型為：

采用因子分析將各初始變量劃分成：

1） 公共因子由整個變量內(nèi)少量的因子形成;

2） 特殊因子由各變量自身存在的不同因素形成。

1.2 ?評估指標(biāo)的多因子分析

由5個主指標(biāo)與20個有相互關(guān)聯(lián)的子指標(biāo)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估指標(biāo)體系[6]，同時各子指標(biāo)與5個主指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)。多因子分析某地區(qū)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的20組穩(wěn)定性評估指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù)。通過多因子分析了解到，指標(biāo)樣本的巴特利球度檢驗幾率是0，檢測統(tǒng)計量是131.051。由此可得相關(guān)系數(shù)矩陣與單元陣差異明顯，并且依據(jù)KMO（Kaiser Meyer Olkin）的度量標(biāo)準(zhǔn)得知[7]，KMO<0.6時無法實施因子分析，本文KMO的值是0.826，能夠進行因子分析。

全部指標(biāo)變量的共同方差數(shù)據(jù)由表1多因子分析的原始結(jié)果呈現(xiàn)。[B1?B20]為原始指標(biāo)變量。采用因子分析方法獲取原始解下指標(biāo)變量共同方差用第2列描述，其是從原有20個指標(biāo)變量中獲取的20個特征值，那么可描述原指標(biāo)變量的全部方差，指標(biāo)變量的共同方差的平均值是1。第3列提取特征值時的共同方差是依據(jù)本文要求提取11個因子的條件提取，原始指標(biāo)變量的數(shù)量比因子變量的數(shù)量多，所以各指標(biāo)變量的共同度小于1。全部指標(biāo)變量依據(jù)表1因子分析的原始結(jié)果得知共同方差均較高，不同指標(biāo)變量信息被遺棄的幾率較低，則因子提取的整體效果較好[8]。

表1 ?多因子分析的原始結(jié)果

多因子分析貢獻率如表2所示。通過多因子分析可行性運算轉(zhuǎn)動后的因子載荷矩陣、貢獻率等信息結(jié)果。前11個合計貢獻率為94.852%，原20個指標(biāo)變量大部分信息包括在提取的11個主因子內(nèi)，因此可簡化提取11個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)主因子。

表2內(nèi)，因子編號為提取的11個主因子變量。公共因子[Gj]中的各變量[Xi]的因子負荷量的平方總計為特征值，其也是式（1）內(nèi)[dij]的平方總計。各因子解釋原始數(shù)據(jù)的能力為因子貢獻率，通過各因子解釋的總方差度量，等同于各因子相關(guān)的因子負荷的平方和，該平方和為式（1）內(nèi)[dij]的平方和。提取因子指標(biāo)解釋原指標(biāo)變量的能力為合計貢獻率，原始數(shù)據(jù)信息數(shù)量通過其體現(xiàn)。

評估指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)性隨著指標(biāo)變量的因子分析減少，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性也可通過指標(biāo)變量的因子分析結(jié)果，過濾低作用的指標(biāo)變量，實現(xiàn)簡化計算[9]，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)評估的準(zhǔn)確性。通過表1可得原指標(biāo)變量的94.852%信息由11個主因子指標(biāo)獲取，同時降低了評估指標(biāo)數(shù)量與評估成本，評估指標(biāo)的科學(xué)性有所提升，為建立后續(xù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型確立可靠分析基礎(chǔ)。

表2 ?多因子分析貢獻率

1.3 ?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估

1.3.1 ?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）的不斷發(fā)展，ANN受到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析人員的關(guān)注。大量的神經(jīng)元（Neural）相互連接形成的網(wǎng)絡(luò)為ANN。ANN在信號處理機制中具有大范圍并行分布處理等屬性，相互連接的神經(jīng)元間的連接權(quán)中反應(yīng)了信息的存儲過程[10]。

ANN具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算能力、高度并行運算以及自適應(yīng)性等優(yōu)點，基于這些優(yōu)點采用ANN可極大提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性運算自適應(yīng)性和精度。

圖1描述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)，[W]為其輸入層的單元數(shù)，[K]為隱含層的單元數(shù)，[N]是輸出層的單元數(shù)。輸入模式由各個隱單元運算1個核函數(shù)，所有核函數(shù)線性加權(quán)和為分類器的輸出，則有：

訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型內(nèi)的各個子網(wǎng)滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個目的。一個多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為一個子網(wǎng)。圖1內(nèi)要求分配器將特定目標(biāo)核函數(shù)分配給各子網(wǎng)，則依據(jù)不同子網(wǎng)的作用采用差異樣本進行訓(xùn)練。之后子網(wǎng)輸出數(shù)據(jù)特征通過分配器檢索，獲取的檢索數(shù)據(jù)結(jié)果反饋給對應(yīng)的子網(wǎng)。

圖1 ?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)

式中，期望輸出和真實輸出分別為[hrj]和[Qrj];網(wǎng)絡(luò)輸入向量的第[i]個元素為[irj]。

通過預(yù)處理器訓(xùn)練樣本后，向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中輸入訓(xùn)練樣本，可極大提高模型的訓(xùn)練效率。變換輸入數(shù)據(jù)的域，即線性映射為預(yù)處理器。-1～1之間為輸入數(shù)據(jù)的值，0.1～0.9之間為輸出數(shù)據(jù)的值，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時最靠近的域是輸出數(shù)據(jù)的值。為增強訓(xùn)練算法的性能，將訓(xùn)練樣本輸入與輸出數(shù)據(jù)的域通過處理器線性地轉(zhuǎn)換成上述的域。結(jié)束訓(xùn)練后，最終輸出的數(shù)據(jù)由后處理器進行線性轉(zhuǎn)換到真實域中。

1.3.2 ?無線傳感器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型

圖2為依據(jù)第1.2節(jié)的多因子分析結(jié)果獲取的11個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估指標(biāo)主因子，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型，采用該模型實現(xiàn)考慮影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性的多種因子情況下網(wǎng)絡(luò)可靠性的全面、準(zhǔn)確評估。

2 ?實驗分析

實驗測試本文模型評估某無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性的有效性時，對比分析本文模型、馬爾可夫模型與云模型對無線傳感網(wǎng)絡(luò)評估的實驗網(wǎng)絡(luò)可靠性和傳感器密度的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖2 ?可靠評估模型構(gòu)建流程

圖3 ?可靠性和傳感器密度關(guān)系

分析圖3可知，3種模型評估的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性隨著傳感器密度增大而增大;本文模型評估的網(wǎng)絡(luò)可靠性平均值為49%，最高可靠性達到98%，馬爾可夫模型和云模型評估的網(wǎng)絡(luò)可靠性平均值為43.5%和25%，本文模型評估的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性均值比其他兩種模型分別高5.5%和24%，說明本文模型評估下的無線網(wǎng)絡(luò)可靠性較高。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活數(shù)目隨時間變化越穩(wěn)定，時間越長，節(jié)點存活數(shù)目越高，說明無線傳感網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定，當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大小分別為100 m×100 m，200 m×200 m時，實驗檢測3種模型下無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活數(shù)目與時間的對比情況如圖4所示。

實驗統(tǒng)計3種模型對上述兩種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行可靠性評估的時間和精度情況，結(jié)果分別如表3與表4所示。

表3 ?3種模型可靠性評估時間

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圖4 ?節(jié)點存活數(shù)目隨時間變化狀況

分析表3中3種模型對兩種無線傳感網(wǎng)絡(luò)實施可靠性評估的時間得知，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大小為100 m×100 m時，本文模型可靠性評估時間均值比馬爾可夫模型、云模型可靠性評估時間均值分別低6.72 s，7.5 s;無線傳感網(wǎng)絡(luò)大小為200 m×200 m時，本文模型可靠性評估時間均值比馬爾可夫模型、云模型可靠性評估時間均值分別低7.26 s，8.5 s，說明本文模型對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時可靠性評估用時最短。

分析表4得知，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大小為100 m×100 m時，本文模型可靠性評估精度均值比馬爾可夫模型、云模型可靠性評估精度均值分別高12%，21%;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大小為200 m×200 m時，本文模型可靠性評估精度的平均值比馬爾可夫模型、云模型可靠性評估精度的平均值分別高13%，21%，說明本文模型更能精準(zhǔn)完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估。

3 ?結(jié) ?論

為了從多種角度充分考慮影響無線傳感網(wǎng)絡(luò)可靠性的因素，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估的精度和全面性，本文設(shè)計基于多因子分析的無線傳感器可靠性評估模型。通過5個主指標(biāo)與20個有相互關(guān)聯(lián)的子指標(biāo)建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估指標(biāo)體系后，通過主成分分析方法獲取11個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)主因子，達到過濾低作用指標(biāo)變量，降低評估指標(biāo)數(shù)量和評估成本，提高評估指標(biāo)科學(xué)性的目的;將11個主因子作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入值，構(gòu)建無線傳感器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型，能準(zhǔn)確評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

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