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无线传感器网络的自组织可靠性研究

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第2卷第2期　
2005年4月
复杂系统与复杂性科学　
COMPLEXSYSTEMSANDCOMPLEXITYSCIENCE
Vol.2No.2Apr.
2005
　
文章编号:1672-3813(200502-0020-04
无线传感器网络的自组织可靠性研究
雷　鸣,李德识,陈　健,孙　涛
(武汉大学电子信息学院,武汉430079
摘要:在大量研究关于复杂网络鲁棒性和容错性等理论的基础上,针对网络自身失效和外界有针对性攻击两种情况,对各种情况的无线传感器网络拓扑结构进行了分析,得到了优化的网络自组织模型,并提出了传感器网络的修正路由算法。仿真结果表明,该算法使得传感器网络的生存能力大幅度提高。
关键词:复杂网络;无线传感器网络;鲁棒性;容错性;路由中图分类号:TP39
文献标识码:A
ResearchonSelf2OrganizationReliabilityofWirelessSensorNetwork
LEIMing,LIDe2shi,CHENJian,SUNTao
(SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430079,China
Abstract:Basedonin2depthstudyofrobustnesstheoryofcomplexnetwork,aimingonthetwosituations:deficiencyofWSNnodesandunderexternalattack,thispaperanalyzestheerrortoleranceabilityofdifferenttopologiesofWSN,obtainsoptimizedself2organizedtopologicalmodelsofWSNandproposesarefinedroutingalgorithmbasedonWSN.SimulationresultsindicatethatsuchalgorithmcanincreasethesurvivabilityofWSNunderdifferentsortsoffailuresremarkably.
Keywords:complexnetwork;wirelesssensornetwork;robustness;errortolerance;routing
1　概述
近年来,随着科学技术的发展、工农业生产规模的提高、环境保护力度的加强以及军事侦察水平的升级,
人类对于外界的监测能力的需求越来越迫切。在这种需求的激励下,无线传感器网络(WirelessSensorNet2work成为新兴的研究热点。
无线传感器网络(WSN是由许多个带有各种传感器,具有通信和定位能力的网络节点,通过自组织,自动路由形成的一种网络。人们可以将节点散布在高温、高湿、有害气体以及敌方控制区域等我方人员不可能到达的地方,实现连续实时数据采集,以达到无人监测的目的。随着片上系统(SystemonChip技术的发展,将传感器节点集成到一个微芯片上,像智能尘埃(SmartDust等微型传感器网络成为了未来的发展趋势。在不久的将来,成百上千,甚至数以万计的传感器节点形成一个网络将成为可能。
然而,由于能源有限、应用环境恶劣,无线传感器网络容易出现因为能源耗尽或者受到自然界破坏而出现部分节点的失效,此外,敌方的反侦查行动会针对我方的传感器网络进行有目的性的破坏,上述因素都会直接或间接地导致整个网络的瓦解。在复杂网络的范畴中,上述几种现象都被抽象成为这样两种情况
收稿日期:2005-03-08
基金项目:国家863计划资助项目(2004AA639690
作者简介:雷鸣(1981-,男,湖北武汉人,硕士研究生,从事无线传感器网络方向研究。
[1]
:

第2卷第2期　　雷　鸣,等:无线传感器网络的自组织可靠性研究・21・
1节点随机的失效(randomfailure,节点的失效是随机的,每个节点失效的概率相等;2有针对性的攻击
(intentionalattack,有目的性的针对连接较多的节点破坏。
2　复杂网络的鲁棒性研究
图1a中,如果是节点的随机破坏,那么整个网络被破坏的几率是1/7,因为该星型网络的中心节点被破坏的几率是1/7,假设每个节点被破坏的几率是相同的;但如果是有针对性的攻击,那么只要攻击是对中心
[2]
节点的,网络被破坏的概率就是1,此时,中心节点被称为网络的软肋(Achilles’Heel。B中,网络对两种破坏的容错性都大大提高,但是由此所带来的网络资源消耗也增大了。在这里,网络资源的消耗可以认为正比于网络的平均度(averageofdegree,图1a的网络消耗是6/7,而图1b的增大了一倍,是12/7。
图1　不同连通结构的网络比较图2　两种失效情况的鲁棒性指标比较
[1]
Cohen定义了一个阀值fc作为网络鲁棒性的量度,当失效节点数超过fc整个网络会瓦解。那么,这个
tot
rand
target
值越大,则鲁棒性越好。对于随机的和有针对性的破坏,这个阀值是不同的,定义:fc=fc+fc
如图2所示,这是Scale2Free网络的fc指标关于λ的曲线图,可以看出,随着λ的增大,对于随机失效的鲁棒性能在下降,而对于有针对性破坏的鲁棒性能在增强。通过调整λ的值,大约在λ=215的时候,鲁棒性达到最优。在保持网络资源的开销,即网络的平均度不变的情况下,使网络的对于上述两种失效的鲁棒性达到最大,就需要使网络中节点的连接方式更加合理,换言之,网络需要最优化的拓扑结构。而自组织系统的拓扑结构主要取决于自组织的方法,也就是路由协议。
3　两类传感器网络路由协议
许多实际的网络,例如Internet,其网络结构都是无尺度(Scale2Free的,即节点的增加服从偏好连接原
-λ
则,度服从幂率分布(powerlaw,P(k～k。另外一些网络则服从ER随机模型,网络中的每两个节点按
[3]
照概率p相连,其度分布服从Poisson分布。
[4]
泛洪(FLOODING算法将接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点,这个过程重复执行,直到数据包到达目的地或者预先已经达到设定的最大跳数。该方法所形成的网络类似于ER随机模
[5]
型,每个节点的负载情况差不多,其度分布近似于Poisson分布,因此,对于这样的网络拓扑结构,在控制网络资源消耗的情况下,对于随机失效的抵抗性较弱,但对于智能破坏的抵抗能力较强。
[6]
LEACH是第一种用于无线传感器网络的层次式路由协议。其后的大部分层次式路由协议如PEGASIS、TEEN等都是在它的基础上发展而来。LEACH算法在每一轮由准备阶段和就绪阶段组成。在准备阶段,随机选择节点为聚类头节点,成为聚类头节点的节点向周围广播信息,其他节点根据接受到广播信息的强度来选择所要加入的聚类,并告知相应的聚类头节点。在就绪阶段,节点持续采集监测数据,传送到聚类头节点,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　复杂系统与复杂性科学・22・2005年4月
由聚类头节点对数据进行必要的融合处理,发送到终端节点。这样形成的网络接近无尺度模型,其度分布近似服从幂率分布,对于随机失效的抵抗能力较强。
4　针对可靠性的路由协议
综合上述两类方法的思想,本文针对网络可靠性设计的路由算法主要流程描述如下:
1遵循就近原则,由sink基站指定信号最强的一批节点予以激活,以确保最小的误码率。2被激活的节点立即对外广播ID、负载及其距离基站的跳数等信息。3未激活的各节点根据阀值函数T来选择下一跳的节点ID,建立数据链路,并将本节点激活,然后执行第2步。
4每一个被激活节点进入就绪阶段,开始采集并发送数据。
上述方法中,所定义阀值函数为T=nhop×RSSI×L,其中nhop为节点到基站的跳数,RSSI为接收信号强度,L为节点的负载数。由于无线射频的发送能量与距离的平方成正比,多跳路由的能源消耗比单跳路由[7]
少,因此,可以通过调节权值α,β以均衡跳数和信号强度,使之尽可能达到能源有效性。由于节点被激活的随机性,在能量达到优化的情况下,网络的随机性增强。
[8]
按照Scale2Free模型,网络的生长服从偏好连接(preferentialattachment原则,那么,新加入的节点更倾向于连接到负载比较大的节点,调节λ以调整节点负载数L权值,实现局部偏好连接。随着偏好连接的权重加大,网络的无尺度特性增强。采用贪婪算法(greedyalgorithm的思想,首先满足能量最优的条件下,综合调整α,β,λ,以均衡网络的随机性和无尺度性。此外,该算法为每个节点增加了一个随机的冗余下一跳目标ID作为备用。当目标节点无法正确转发数据时,源节点可以迅速重新建立数据链路,以确保数据被可靠发送。图3是1024节点的情况下,按照上述原则的自组织效果图。如图中所示,主链路呈现较强的无尺度特性,冗余链路则呈现较强的随机特性。
α
β
λ
5　性能分析
鉴于传感器网络的特点,我们假设节点在所监测区域内是均匀分布的,而且对于路由建立时间,数据上行时间暂不考虑,因此,网络效率可以简单地定义为:E=M/N,就是网络中每一轮能够成功上传数据的节点比例。
第一种情况,随机失效。随机选择k%的节点,使其失效。那么,该节点以及以该节点为中继的所有节点全部认为失效。第2种情况,有意破坏。直接选择k%的负载最大的节点,
使其失效,导致的结果与上述相同。
针对这两种失效的情况,我们对上述路由
图3　1024节点的自组织完成效果图
算法进行了分析。通过调整λ值,即可看出网
络效率E发生明显变化。当网络中有5%的节点失效的时候,结果如图4所示。
从图4a中可以看出,随着λ的增大,网络对于随机节点失效的鲁棒性在慢慢减弱,而对于有针对性攻击的鲁棒性在逐渐增强。图4b显示对于同等概率的两种失效情况,网络总体鲁棒性在λ=016左右时达到最大。

第2卷第2期　　雷　鸣,等:无线传感器网络的自组织可靠性研究・23・
图4　当5%节点失效时,网络效率曲线
6　总结与展望
21世纪是信息的时代,无线传感器网络越来越受到重视,其实用性与可靠性毋庸置疑是十分重要的。
受到网络资源、应用环境等条件的制约,无线传感器网络的路由与有线网络以及现有的无线网络比较起来有
其特殊的地方。本文将复杂网络鲁棒性的基本思想融入路由算法的设计,取得了初步的成果。计划进一步优化上述算法,并移植到节点上,在进行真实节点的路由实验的基础上,进行应用开发。
参考文献:
[1]PaulGerry,TanizawaT,HavlinH,etal.Optimizationofrobustnessofcomplexnetworks[J].EurPhysJB,2004,38:187-191.
[2]WangXiaoFan,ChenGuanRong.Complexnetworks:small2world,scale2freeandbeyond[J].IEEEControl&SystemMagzine,
2003,3(1:6-20.
[3]NewmanMEJ.Thestructureandfunctionofcomplexnetworks[J].SIAMRev.2003,45(2:167-256.
[4]HedetniemiS,LiestmanA.Asurveyofgossipingandbroadcastingincommunicationnetworks[J].Networks,1988,18(4:
319-349.
[5]AlbertR,JeongH,BarabasiAL.errorandattacktoleranceofcomplexnetworks[J].PhysicaA,2004,340:388-394.[6]HeinzelmanW,ChandrakasanA,BalakrishnanH.Energy2efficientcommunicationprotocolforwirelessmicrosensornetworks
[A].ProceedingsIEEEHawaiiInternationalConf.onSystemSciences[C].2000:1-10.
[7]ShihE,etal.Physicallayerdrivenprotocolandalgorithmdesignforenergyefficientwirelesssensornetworks[A].ProcACM
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[8]AlbertR,Barab

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/d7ad580c7cd184254b3535b9.html

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