无线传感器网络的可靠性评估模型

解放军理工大学学报（自然科学版）　第ｌ１卷第４期２０１０年８月Ｖｏ１．１１　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１０　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＰＬＡ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　

无线传感器网络的可靠性评估模型　

何　明　，　董　强　，　袁黎苗　，　裘杭萍　，　曾晓光　

（１．解放军理工大学指挥自动化学院，江苏南京２１０００７；２．解放军海军南海舰队，广东湛江５２４００１）　

摘　要：为了解决测量无线传感器网络可靠性的问题，提出一种可靠性评估模型，此模型综合考虑了基于容　

错的网络抗毁性和基于能效的网络寿命这两个主要因素。通过确定　一覆盖和　一连通，可有效评估自然失效　

和能量约束条件下的网络可靠性，同时可以延长网络寿命并提高网络的鲁棒性。实验结果表明在无线传感器　

网络中可靠性与传感器密度存在一定关系。通过实现可靠性模型中的最优化目标，满足了传感器覆盖率和网　

络连通率要求，提高了无线传感器网络的安全性能。　

关键词：无线传感器网络；Ｋ一可靠性模型；Ｋ一覆盖；Ｋ一连通　

中图分类号：ＴＰ３１ｌ　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—３４４３（２０１０）０４—０３９２—０５　

Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

ＨＥ　Ｍｉｎｇ　，ＤＯＮＧ　Ｑｉａｎｇ　，　ＹＵＡＮ　Ｌｉ—ｍｉａｏ　，ＱＩＵ　Ｈａｎｇ—ｐｉｎｇ　，　ＺＥＮＧ　Ｘｉａｏ—ｇｕａｎｇ　

（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｍａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＰＬＡ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００７，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｍｍａｎｄ　Ｐｏｓｔ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｓｅａ　Ｆｌｅｅｔ　ｏｆ　ＰＬＡ　Ｎａｖｙ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ　５２４００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ａ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｗａｓ　

ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆａｕｌｔ—ｔｏｌｅｒａｎｃｅ　

ｗｅｒｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ａｓ　ｔｗｏ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｏ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｂｙ　ｍａｋｉｎｇ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｏｆ　Ｋ—ｃｏｖｅｒａｇｅ　

ａｎｄ　Ｋ—ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｗａｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｅｖａｌｕａｔｅｄ　ｉｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎａｔｕｒａｌ　

ｆａｉｌｕｒｅ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｓ．Ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ｗａｓ　ｐｒｏｌｏｎｇｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｏｂｕｓｔ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　

ｎｅｔｗｏｒｋ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｓｏｍｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　

ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ．Ｂｙ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｏａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ，ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅ－　

ｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｃｏｖｅｒａｇｅ　ａｎｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ　ｗｅｒｅ　ｍｅｔ．Ｔｈｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　

ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｐｒｏｍｏｔｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＷＳＮ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ）；Ｋ—ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ；Ｋ—ｃｏｖｅｒａｇｅ；Ｋ—ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ　

无线传感器网络ｗＳＮ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔ—　

ｗｏｒｋｓ）［】　是由一组稠密布置、随机撒布的传感器组　

成的无线自组织网络，以其随机布置、自组织、适应　

苛刻环境等优势，具有在多种场合满足军事信息获　

取的实时性、准确性、全面性等需求的潜力。然而，在　

大多数应用环境中对无线传感器网络的安全性有很　

高的要求。尤其是在军事领域等特殊的应用环境下，　

收稿日期：２００９一Ｏｌ一０４．　基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０９７４０８６）．　作者简介：何明（１９７８一），男，博士，副教授；研究方向：信息　安全、建模与仿真；Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｌｕｅ—ｈｏｒｓｅ＠１２６．ｃｏｒｎ．　通常要求系统能够满足关键任务的可靠性要求。因　

此，ＷＳＮ部署设计的基础是可靠性，对其开展可靠　

性研究是国内外关注的重要研究领域之一。　

实现ＷＳＮ安全的限制因素包括两个方面，一　

是传感器节点本身的限制，包括电池能量的限制，节　点ＣＰＵ、内存、存储容量方面的限制，以及缺乏足够　

的篡改保护等；另一个方面是无线网络本身的限制，　

包括通信带宽、延时、数据包的大小等方面的限制。　

本文重点研究ＷＳＮ的可靠性。影响其可靠性　

因素主要有：其一，基于网络组件（节点或链路）失效　

的网络抗毁性；其二，基于能量约束的网络寿命。因　第４期　何　明，等：无线传感器网络的可靠性评估模型　３９３　

此，要提高ＷＳＮ网络可靠性，就必须解决以下２个　

问题：　

（１）覆盖率问题。文献［２３提出了为不同应用领　

域提供区分服务的思想，其区分服务主要是指区域　

覆盖质量。在网络寿命最优化的目标下解决覆盖率　

问题非常重要，关于该问题的相关研究很多［３，４］。　

主要方法是将传感器分成有一些列的集合。这些方　

法的目标是产生最多的非连通集合，这对保存能量　

和延长网络寿命有直接影响。　

（２）覆盖问题。该问题会对目标监测和跟踪产生　

一定的影响。文献［５３提出如何在多项式时间内查找　

最大裂口路径和最大支持路径，即最差和最好的被　

监测到的区域。如何查找最小和最大曝光路径，即目　

标被监测的时间在文献［６］被讨论。文献［７］提出的　

一种基于概率覆盖模型的密度控制算法，能够在保　

证足够的网络覆盖能力的前提下，使冗余节点退出　

工作，减少网络的总能量消耗。文献［８３给出了固定　

的基于曝光覆盖和位置发现算法。文献ｆｉ９］描述了基　

于探测器的密度控制算法，即把一些节点放到节点　

稠密区域以确保长时间、健壮性的覆盖。在文献　

［１Ｏ］中，证明了基于ＣＤＳ方法选择的活动节点集满　

足完全覆盖和连通性的要求。覆盖质量即最好情况　

和最坏情况的覆盖距离在文献［１１］里进行了讨论并　

给出了算法。在文献［１Ｚ，１３３中，讨论了一些控制网　

络拓扑的节点调度方案，以延长无线传感器网络寿　

命。文献［１２３讨论了基于探测结果的分布式节点密　

度控制算法，文献［１２，１３］讨论了基于覆盖约束下邻　

居节点间覆盖关系的分布式节点调度算法，目的都　

是延长网络寿命。　

上述所有研究仅讨论了基于覆盖率或连通率约　

束的覆盖质量或者调度方案，没有考虑整体可靠性　

质量。为了测量和改进ＷＳＮ的网络可靠性，基于覆　

盖率和连通率双重约束，提出一种可靠性评估模型，　

其核心思想是在节约能量基础上设计错误容忍方　

案，它可以指导ＷＳＮ的拓扑控制，进而优化受　一覆　

盖和　一连通约束的网络抗毁性和网络寿命，以满足　

ｗＳＮ应用对ＱｏＳ的需求。　

１　ＷＳＮ网络结构和节点模型　

１．１　网络结构　

ＷＳＮ是由大量的密集部署在监控区域的智能　

传感器节点构成的一种网络应用系统。通常传感器　

节点数量众多，在任意时刻，节点间通过无线信道连　接，采用多跳、对等通信方式，自组织网络拓扑结构。　

传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数　

据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局　

任务。ＷＳＮ系统由大量无线传感器节点和ｓｉｎｋ节　

点组成。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个　

节点都可以收集数据，并通过多跳路由方式把数据　

传送到ｓｉｎｋ节点，ｓｉｎｋ节点也可以用同样的方式将　

信息发送给各节点。ｓｉｎｋ节点直接与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或通　

信卫星相连，通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或通信卫星实现任务管　

理节点（即观察者）与传感器之间的通信。　

图１典型的无线传感器网络结构　Ｆｉｇ．１　Ｃｌａｓｓｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＷＳＮ　

１．２节点模型　

ＷＳＮ的基本组成单位是节点，节点具有传感、　

信号处理和无线通信功能，由处理、通信、采集和供　

电四单元构成。对于节点间的信息交换通常需要处　

理单元和通信单元的参与。由于采集单元只是在源　

节点发生作用，不参与转发节点信息交换；因此，假　

定采集单元始终处于正常工作情况。　

２可靠性评估模型　

２．１假设　

（１）网络系统中的处理单元和通信单元都不可　

靠，但是只有正常工作和故障两种状态，处理单元与　

通信单元的故障相互独立，失效率可以不同。　

（２）能量约束，除从概率的角度分析可靠性外，　

还要考虑效能的因素。　

２．２定义　

无线传感器节点集合中的传感器节点数目用Ⅳ　

表示，查询区域用ｚ表示。另外，每个传感器节点有　

其最大传输功率，可以在其传输范围内与其他节点　

交互信息，定义传感器通信距离为Ｒ，感知能力随着　

距离增大而衰减，定义节点的感知距离为Ｒ。假设每　

个传感器节点感知和传输半径都是统一的，显而易　３９４　解放军理工大学学报（自然科学版）　第１１卷　

见，Ｒ　≤尺　。　

定义１　Ｋ一覆盖：指定一个无线传感器节点集　

合Ⅳ及其查询范围ｚ，在指定范围内的每个点都被　

至少Ｋ个传感器节点覆盖。点ｑ被传感器节点　覆　

盖定义为在ｑ和，　之间的欧里几德距离小于传感器　

感知半径尺　。　

定义２　Ｋ一覆盖率：Ｋ一覆盖范围与全查询范围Ｚ　

的比值。　

定义３　Ｋ一连通：如果在Ⅳ中任意２个传感器　

节点间有　个非连接节点路径，则称无线传感器节　

点集合Ⅳ是Ｋ一连通的。如果Ⅳ是Ｋ一连通集，则要拆　

分由Ⅳ产生的通信图，至少需要从Ⅳ删除　个传感　

器节点。　

图２　Ｋ一覆盖实例　

Ｆｉｇ．２　Ｋ—Ｃｏｖｅｒａｇｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　

以上定义的　一覆盖和　一连通，是设计和部署　

ＷＳＮ的２个重要特征参数。ＷＳＮ的覆盖程度越高，　

能够容忍节点失效的频率越高。在覆盖这个问题上，　

有时需要每个目标范围都被Ｋ≥１个传感器覆盖，　

以保证网络的鲁棒性。图１是一个５一覆盖的例子，为　

了运作正常，ＷＳＮ必须提供充分的连通性以保证５　

个传感器节点可以相互传输感知信息或者将信息传　

输到基站。　

本文将Ｋ一覆盖和Ｋ一连通作为可靠性模型的２　

个约束条件，在维持网络高性能运行的情况下，可以　

通过确定Ｋ一覆盖率和Ｋ一连通率来实现。　

文献［１５］提出如果每个传感器的传输范围至少　

是感知范围的２倍，那么，　一覆盖网络一定是　一连　

通网络。文献Ｅ１４３提出如果每个传感器的通信距离　

Ｒ　不少于感知距离Ｒ　的２倍，那么传感器集合的凸　

区域覆盖可以产生一个由该集合的节点构成的连通　

网络。在此基础上，在可靠性模型中，假设无线传感　

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【计算机研究与发展】_评估模型_期刊发文热词逐年推荐_20140726

序号科研热词推荐指数序号科研热词1面向用户11预测2隶属度函数12链路可靠性3随机行为网13边界网关协议4随机性检测14负载均衡5量化模型15评估模型6路径容量16评估指标树7贪心策略17证据理论8评估模型18自动化检测9证据理论19社会网络10蛋白质相互作用110片上网络11自相似111片上多处理器12网络安全112深度防御13移动自组网113正确性14相互独立性模型114模式匹配15相互作用预测115时间序列分析16模糊评价116无线传感器网络17标注文本117数据库安全18本地虚拟探测118效用19未标注文本119拓扑20无线mesh网络120性能分析21差异性评估121态势评估22密码算法122异常路由23容错123工业环境24存储系统124完整性25多分形125安全评估26图论分析126安全策略27可用性127安全态势评估28半监督分类128安全威胁态势29动态信任129安全域30信任评估130存储层次31ppi网络模型131多频道模型32ppi网络参数132多核处理器33i/o负载133域间路由系统34hurst指数134可信软件评估35co-training135单位成本延迟负载能力36内容审计37信息转换38信息融合39一致性40ieee802.15.441d-s证据理论2008年2009年

一种新型WSN抗毁性评价方法及其仿真实现

计算机系统应用　２０１　０年第１　９卷第４期　

一种新型ＷＳ　Ｎ抗毁性评价方法及其仿真实现①　

林力伟　许　力　叶秀彩（福建师范大学网络安全与密码技术重点实验室福建福州３５０００７）　

摘要：从特定的以数据为中心的无线传感器网络拓扑结构出发，首先给出了无线传感器网络连通性的一个新　

测度一连通系数，在此基础之上给出了抗毁性测度的新定义，针对面－临的两种攻击，给出了无线传感　

器网络抗毁性的两个新测度一容错度和抗攻击度，并对基于小世界模型的无线传感器网络抗毁性进行　

了抗毁性分析，仿真表明提出的评估模型更能客观，准确地评估以数据收集为中心的无线传感器网络　

的抗毁性。　

关键词：　无线传感器网络；小世界网络；连通性；抗毁性　

Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｅｖａｌｕａｔｅ　ｔｈｅ　Ｉｎｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｗ　ｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

ＬＩＮ　Ｌｉ－Ｗｅｉ，ＸＵ　Ｌｉ，ＹＥ　Ｘｉｕ—Ｃａｉ　

（Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｏｆ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ａｎｄ　Ｃｒｙｐｔｏｌｏｇｙ，Ｆｕｊｉａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ　３５０００７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：，Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｎｅｗ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃ—　ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ａ　ｎｅｗ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｗｏ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　

ｉｎｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄａｍａｇｅｓ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｍａｌ１．ｗｏｒｌｄ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｈｅ　ｉｎｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．　

【计算机科学】_可靠性模型_期刊发文热词逐年推荐_20140723

序号科研热词推荐指数序号科研热词1网构软件21软件可靠性模型2可靠性测试22可靠性3验证13马尔科夫模型4随机移走(random walk-base14非齐次泊松过程5链路可靠度15通信仿真6软件可靠性16软件费用模型7轨迹序列17软件老化8路由算法18软件模型检测9路由模型19软件最佳发布时间10路由协议110软件抗衰11自动web服务合成111软件复杂性12经验贝叶斯方法112软件可靠性增长模型13组播113软件可靠性14约束逻辑114谓词抽象15特定领域115论域划分16源认证116蓝牙17消息通信117网格服务部署18测试资源118网格工作流19模型驱动119统计测试20模型转换120统一的马尔可夫模型21模型121神经网络22树链混合122源程序验证23松弛隔离性123混沌序列24服务组合124测试有效性25服务更新125模糊-pid26有色petri网126模型选择与综合27最大熵原理127模型28数控系统128构件29授权129松分布30开放环境130数据吞吐量31建模131数据传输32并发控制132故障注入33崩溃/恢复133故障恢复34属性访问控制134拥塞控制35否定推理135抽象求精36合理性136扩频通信37可靠性模型137容错38可靠性增长模型138多版本较准39可靠性139多描述编码40可信度140基础设施网络41分布式实时嵌入式软件141基于体系结构的软件可靠性42依赖142可靠性度量43代理143可靠性增长模型44web服务144可靠性分析45petri网145可重构计算46p2p146可用性47netshot147可加模型48ad hoe网络148分层编码49分层多描述编码50关联性51像素空间分解52仿真工具2008年2009年53web软件54red算法55p2p流媒体56ns257msk58bacnet59agent

无线传感器网络的发展现状和未来趋势

近年来，随着科技的不断进步和物联网的快速发展，无线传感器网络成为了一个备受关注的领域。无线传感器网络是一种由大量分散部署在一定范围内的传感器节点组成的网络，这些节点能够通过无线通信进行数据的采集和传输，从而实现对周围环境的实时监测与感知。无线传感器网络的应用涉及农业、环境监测、智能交通、医疗保健等多个领域，对于提高生活质量和工作效率有着重要作用。

目前，无线传感器网络的发展已经取得了一定的进展。首先，在传感器节点的设计方面，目前主要采用的是微电子技术和无线通信技术相结合的方法。这不仅实现了传感器节点的小型化和高性能化，同时还大大降低了生产成本，提高了传感器的质量和可靠性。其次，在网络通信技术方面，由于通信距离、带宽和能源限制等问题的存在，无线传感器网络通信的研究一直备受关注。当前，研究者们正在致力于改善无线传感器网络的通信能力，以增强网络的鲁棒性和可靠性，并提高数据传输的速度和效率。

未来，无线传感器网络的发展趋势将会朝着以下几个方面发展。首先，无线传感器网络将更加智能化。随着人工智能技术的不断进步，无线传感器网络可以通过机器学习和数据分析技术对大量的感知数据进行处理和分析，从而实现对环境的智能感知和分析。其次，无线传感器网络将更加安全可靠。由于传感器节点广泛分布，其安全性和可靠性一直是无线传感器网络研究的热点问题。未来，无线传感器网络将采用更加先进的加密和认证技术，提升网络的安全性和可靠性，以应对各种安全威胁和攻击。第三，无线传感器网络将更加节能环保。由于传感器节点的能源供应一直是限制网络寿命和性能的主要因素之一，未来的研究将着重解决能源问题，研发更加高效和环保的能源采集和管理技术。第四，无线传感器网络将更加多样化。随着技术的不断创新和应用需求的多样化，未来无线传感器网络的应用将会更加广泛，涉及农业、环境监测、智能交通、医疗保健等多个领域，为人们的生活和工作带来更多便利。在无线传感器网络的发展和应用中，我们也需注意一些问题。首先，数据安全和隐私保护是一个重要的问题。由于无线传感器网络涉及到大量的个人和敏感数据，保护数据安全和隐私成为一个亟待解决的问题。其次，能源供应和能耗问题是一个关键问题。传感器节点通常是由电池供电，发展低功耗和高效能源供应技术对于延长节点寿命和提高网络性能至关重要。此外，无线传感器网络的部署和维护也是一个需要解决的问题。如何合理布置传感器节点以及解决节点的故障和维护问题，是需要进一步研究和改进的方向。

基于博弈理论的无线传感器网络融合路由研究

第２１卷第ｌ１期　２００８年ｌ１月　传感技术学报　

ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＮＳＯＲＳ　ＡＮＤ　ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ　ＶＯ１．２１　Ｎｏ．１１　Ｎｏｖ．２００８　

Ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ　Ｒｏｕｔｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｇａｍｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　

ＨＵＡＮＧＱｉ—ｒｕｉｎｇ　．ＬＪ【，Ｘｉａｏ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｋ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐａｔｈ　ａｎｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ｎｏｄｅｓ　ｏｎ　

ｏｖｅｒａｌｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ａ　ｇａｍｅ－ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ａｇｇｒｅｇａ—　

ｔｉｏｎ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ａ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｅｎｓｏｒｓ’ｐａｙｏｆｆｓ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　

ｓｉｎｃｅ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｏｐｔｉｍａｌｌｙ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐａｔｈｓ　ｉｓ　ＮＰ－Ｈａｒｄ（Ｎｏｎｄｅｔｅｒｍｉｎｓｔｉｃ　Ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ—Ｈａｒｄ）ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　

ｇａｍｅ—ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ　ｍｏｄｅ１．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐａｔｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ　

无线传感器网络中的路由协议研究

近年来，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）正在被广泛应用于工业自动化、环境监测、智能交通等领域，成为新一代信息化技术的重要组成部分。在WSN中，路由协议是数据传输的关键。因此，无线传感器网络中的路由协议研究备受关注。

一、路由协议的定义和分类

路由协议是指在一定的路由算法和路由协议信令的基础上，为数据在网络中寻找目的地址并传输的一种协议。根据其设计的目的和方法不同，路由协议可分为集中式和分布式两种。集中式路由协议将网络中的路由计算统一由中央节点完成，然后将路由表分发给其他节点。分布式路由协议则是将路由计算过程分散到每个节点，并通过节点间的通信实现路由信息的交换。在WSN中，采用分布式路由协议的情况比较普遍。

根据具体的路由算法不同，路由协议又可分为无层次、平面层次和分层三种。无层次路由协议没有明显的层次结构，每个节点都可以进行路由计算和信息交换。平面层次路由协议将网络分为若干平面，每个平面内的节点路由计算方式相同，不同平面间的节点需要交换路由信息。分层路由协议则将网络划分为若干层次，每个节点只在本层次内进行路由计算，通过层间协作实现信息传输。

二、套路协议的性能指标

路由协议的优劣可以通过一系列性能指标来评价。主要包括：

1. 能耗：WSN中的节点往往是由一小块电池供电，因此能耗是路由协议性能评价的重要指标之一。

2. 延迟：WSN中经常要求实时性很高，因此数据的运输时间成为了路由协议性能的重要方面。

3. 数据传输可靠性：WSN中节点的故障率较高，同时因为环境受到各种干扰，数据包丢失或重传的情况较为常见。因此，保证数据传输可靠性是路由协议的重要目标。

4. 网络拓扑结构：路由协议的设计包括网络拓扑结构的策略，如何将路由表分发到各个节点，拓扑结构的影响因素有节点通信距离、信道带宽等。

三、常见的路由协议

1.LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）：LEACH是WSN中应用性最广泛的集群协议，它采用分层结构以及分簇的方式降低整个网络的能耗，并利用定期轮换簇的方法来防止单个节点过早的能量耗尽。 2.TORA（Temporally-Ordered Routing Algorithm）：TORA是一种分层路由协议，它通过建立自组成的拓扑结构，自适应更新路由信息，进行满足多重目标的数据传输，同时其重传机制也很灵活。

无线传感器网络可靠性建模方法

２ｏ１２年５旯　第５期　电子测试　ＥＬＥｃＴＲｏＮｌｃ　ＴＥＳＴ　Ｍａｙ２０１２　Ｎｏ．５　

无线传感器网络可靠性建模方法　

吴巍　（辽宁石化职业技术学院辽宁锦州１　１２１０００）　

摘要：无线传感器网络部署设计的基础就是可靠性，因此，对无线传感器网络可靠性研究已经成为全世　界在这个领域中研究的一个重点内容。无线传感器网络可靠眭研究的一个有效方法就是建立数学模型。　为了能够更好地进行无线传感器网络可靠性的建模，本文先介绍了无线传感器网络结构和节点模型，然　后主要对无线传感器网络可靠性建模方法进行分析，提出了Ｋ一可靠性模型，并对无线传感器网络系统设　计时参考依据进行简单说明。经过实践证明，无线传感器网络的可靠性完全能够通过Ｋ＿可靠性模型进行　测量。　关键词：无线传感器网络；可靠性；建模　中图分类号：ＴＮ７１１．１　文献标识码：Ａ　

ｓｅｎｓｏｒ　‘ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｌｉａｂ　ｍｏｄｅｌｉｎ￣ｍｅｔｈｏｄ　

ＷｕＷｅｉ　（Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｐｅ￣ｏｃｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬｉａｏＮｉｎｇ，ＪｉｎＺｈｏｕ，１２１０００）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ　ｉｓ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ＳＯ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｄｏｍａｉｎ　ａｌｌ　ｏｖｅｒ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ．Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｉｓ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｗａｙ　ｉｓ　ｔｏ　ｂｕｉｌｄ　ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｎｏｄｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｎａｌｙｓｅｓ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ，　ｆｉｎａｌｌｙ，ａｄｖａｎｃｅｓ　Ｋ—ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｋ—ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅ１．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ｍｏｄｅｌ

friis公式

- 1 - friis公式

Friis式是一个重要的通信理论，在无线电理论领域中产生了重要的影响，并被广泛使用。其中最重要的一点是，它可以帮助人们测量和估计无线电信号强度，这对于确定无线电信号的可靠性非常重要。

Friis式是由 Rasmus Friis建的，他是一位来自丹麦的数学家。他是一位有着丰富的经验的专家，在无线电领域做出了大量的贡献。Friis式最早是用来解释振子信号传播的，它可以计算一个振子发射特定距离和方向上收到信号的强度，它最初是用圆柱波模型写出的，但它也可以用于任何类型的无线电波传播系统。

Friis式可以用来估计接收机在接收信号时所面临的噪声，这是一种在噪声环境中估计信号强度和质量的有用方法。该公式预测的信号强度取决于接收机以及发射机的特性，如发射功率、天线效率、频率等。值得一提的是，该公式提供的结果不仅可以用来计算信号强度，还可以用来计算信噪比（SNR），这些都是在评估无线电信号质量时非常重要的指标。

Friis式还可以用来计算改变天线特性后对信号强度的影响，这包括改变发射频率、发射功率和天线参数，也可以用来估算改变接收系统特性（如天线参数）所导致的信号强度变化。因此，Friis式可以作为一种有效的工具来估算各种无线信号在不同环境中的变化，从而保证整个无线通信系统的可靠性和稳定性。

Friis式的应用也非常广泛，它可以用于无线电传播中的多种应用，比如无线传感器网络、传感器簇、室内无线网络等，而且它还可 - 2 - 以用于其他领域，如无线视频传输、无线电话系统、无线广播系统等。

因此，Friis式是一种重要的通信理论，它被广泛应用于不同的无线电技术中，它的应用可以帮助评估和改善无线信号的强度和质量，从而提高无线通信系统的性能和可靠性。因此，Friis式的发现和应用是一个重要的突破，它改变了通信领域的无线通信方式，为未来的通信技术发展提供了基础。

IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析

无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的自组织、自适应的网络系统。它们被广泛应用于监测、控制和数据采集等领域，如环境监测、农业、医学、军事等。在无线传感器网络中，IEEE 802.15.4协议是一种常用的短距离无线通信标准，其具有低功耗、低成本、低时延等特点，适用于大规模的低功耗传感器网络。

本文将对IEEE 802.15.4无线传感器网络的性能进行分析，主要包括以下几个方面：网络拓扑结构、能耗、传输距离、数据吞吐量和网络延迟等。

一、网络拓扑结构

在IEEE 802.15.4标准中，传感器节点可以以星形、树形或网状等多种拓扑结构进行组网。星形拓扑结构是应用最为广泛的一种，主要由一个协调器(coordinator)和多个传感器节点组成。协调器负责管理整个网络，而传感器节点则通过协调器进行数据的传输和通信。树形拓扑结构中，节点之间的通信是单向的，数据从叶子节点沿着树状结构传输到根节点，再由根节点转发到其他节点。网状拓扑结构则是传感器节点之间通过多跳通信进行数据传输，具有较好的容错性和可扩展性。

不同的网络拓扑结构对于网络性能有着不同的影响。星形拓扑结构简单易部署，但存在单点故障；树形拓扑结构具有低能耗和低时延的特点，但不利于网络扩展和容错性；网状拓扑结构可以提高网络的容错性和覆盖范围，但节点之间的通信距离较远，会增加能耗和网络延迟。

二、能耗

能耗是无线传感器网络中非常重要的性能指标之一。IEEE 802.15.4协议采用了低功耗设计，能够在不同的工作模式下实现低能耗。传感器节点在非活动状态下可以进入休眠模式以节省能量，在活动状态下可以通过快速唤醒技术进行快速响应。

传感器节点的能耗受到很多因素的影响，如通信距离、数据传输速率、工作模式以及数据处理负载等。在星形拓扑结构下，协调器负责大部分的数据传输和处理任务，因此会消耗更多的能量；而在网状拓扑结构下，节点之间需要通过多跳通信进行数据传输，会增加能耗。