Research on Survivability Evaluation Index System Based on ANP for Wireless Sensor Network in Emergency Communications*

WANG Haitao，ZHU Shicai，CHEN Hui，WU Liancai，CHEN Lei

(1.Training Department，PLAUST，Nanjing 210007，China;2.Institution of Communication Engineering，PLAUST，Nanjing 210007，China)

Research on Survivability Evaluation Index System Based on ANP for Wireless Sensor Network in Emergency Communications*

WANG Haitao1*，ZHU Shicai2，CHEN Hui1，WU Liancai2，CHEN Lei2

(1.Training Department，PLAUST，Nanjing 210007，China;2.Institution of Communication Engineering，PLAUST，Nanjing 210007，China)

Establishing scientific and rational evaluation index system can evaluate and validate the survivability of WSN in emergency communications efficiently，and then necessary measures can be taken to enhance its survivability.First，the survivability of evaluation index set in emergency communications is screened，and the evaluation model frame based on ANP is established.Next，the index weight is determined and the survivability index system of WSN is established by the analytic network process.At last，the WSN used SRPC protocol and RLEACH protocol is synthetically evaluated by it.Analysis and validation results showed that，the index system can relatively evaluate the survivability of WSN synthetically and efficiently.

emergency communications;wireless sensor network;survivability;index system;analytic network process EEACC:7230

当城市遭到突发灾害或紧急事故时，应急通信能够向应急指挥中心及时、准确、畅通地传递受灾区域的信息，是决策者正确指挥抢险救灾的重要保证和有效手段，避免了信息孤岛的产生。无线传感网WSN(Wireless Sensor Network)不依赖固定网络基础设施、能快速展开、自动组网和全天候实施监控的特性决定了它在应急通信中具有举足轻重的地位。WSN能够对特定目标区域进行实时环境感知，对紧急突发事件做出快速响应，并能有效协调救援力量实施抢险救灾和灾后重建。然而，相对常规应用的WSN，应急通信中WSN更易遭受攻击或出现故障(如战场通信、抢险救灾等场合)，甚至造成部分网络瘫痪，从而影响网络基本服务的提供，威胁网络的生存能力。科学合理的生存性评价指标体系可用于对应急通信中WSN可生存性进行定量分析和评价，客观评判网络协议和算法的优劣，进而改进和优化网络协议及算法以增强WSN的生存能力，改善网络提供的应用服务。

1 研究背景

1.1 基本概念

无线传感网的可生存性是指无线传感网在遭受攻击、故障或者意外事故后能够在一定的响应时间内恢复网络的基本属性和基本服务，完成网络的关键任务。可生存性强调WSN在各种网络环境中提供关键服务的能力，即使网络遭受攻击或者部分功能瘫痪，如果能够提供关键服务也认为该网络是可生存的。在特定应用场合用来评价WSN可生存性涉及的各种影响因素的完备集合称为WSN可生存性评价指标体系［1］。针对不同的应用领域，WSN生存性评价指标体系也有所差异，应急通信中WSN生存性指标体系较常规WSN更加注重网络适应性和网络服务性，要求WSN能够准确感知网络情景来调整生存策略，及时恢复应急通信中WSN的基本服务，进而演变增强生存能力。

20世纪90年代末，美国Saaty T L教授在层次分析法AHP(Analytical Hierarchy Process)基础上为刻画网络层内各指标间的依赖性和影响性以及网络层对控制层的反馈作用提出了网络分析法ANP (Analytic Network Process)。ANP考虑了复杂动态系统中各指标间的相互作用，基于ANP建立的指标体系更符合实际情况。ANP的基本结构如图1所示，主要包括控制层和网络层，控制层又包含目标层和准则层，所有的决策准则P1，P2，…，Pn只受目标层控制且相互独立;网络层的内部是互相影响的网络单元，由所有受控制层支配的元素组构成［2］。

图1ANP的基本结构

1.2 相关工作

现阶段，国内外对无线传感网可生存性评价指标的研究较少。用来建立评价指标体系的方法主要有模糊综合评价法、层次分析法、网络分析法和德尔菲法(Delphi)等［3］。AHP假设同层元素相互独立，只考虑上层元素对下层元素的支配和影响，用来构建复杂、层间相互反馈和层内互相联系的生存性系统的指标体系往往存在偏差［4］。文献［5］从攻击阶段和攻击内容等方面综合分析了网络可生存性，通过形式化描述给出了一种网络生存性评价指标体系，该指标体系能够评估网络不同阶段的可生存性，增强了定量评估的可操作性，但强调的是网络的安全可靠性，不能用来定量评估应急通信中WSN的可生存性。文献［3］利用ANP和极大不相关法定量分析了各指标间的相关性，建立了无线自组织网络的评价指标体系;文献［6］将模糊综合评价法和层次分析法相结合(称为AHP_Fuzzy法)来评价网络可生存性，先利用层次分析法确定各评价指标的权重，然后应用Fuzzy法建立模糊矩阵并量化评价结果来建立评价指标体系。但是，文献［4］和文献［6］的指标体系都不适合评价应急通信中WSN可生存性，主要原因在于:文献［4］中的评价指标集不能全面、有效描述应急通信中WSN可生存性;文献［6］没有考虑生存性指标间的影响和反馈，并且该指标集用于评价应急通信中WSN可生存性时过于繁琐而缺乏实用性。此外，从指标体系来看网络抗攻击力权重最大，在应急通信中应重点考虑的网络适应性的权重却最小，不符合应急通信中WSN可生存性的特点。本文通过建立应急通信中WSN可生存性的ANP模型框架，利用网络分析法确定指标权重并构建了应急通信中WSN可生存性指标体系。分析和验证结果表明，该指标体系可以客观有效评价WSN的可生存性。

2 可生存性指标体系的构建

无线传感网的可生存性指标涵盖面较广，除了考虑网络吞吐量、端到端时延和分组丢失率等传统IP网络性能和服务质量指标外，还要重点考虑网络安全性、网络抗毁性、网络适应性、网络生存时间、网络响应时间和网络恢复时间等生存性紧耦合指标，进而对网络生存性进行综合评价。本文在综合考虑应急通信特点［7］和无线传感网特征［8－9］的基础上建立WSN可生存性评价指标体系。该评价指标体系包含一级指标4个，二级指标11个，如表1所示。

网络分析法的提出主要是解决指标间的依赖性和不同层间的反馈性，表1所示的WSN生存性指标体系中，二级指标间相互影响，相互依赖。举例来说，表1中网络的认知学习能力影响网络服务恢复率和攻击识别能力，网络连通度和节点密度又影响网络生存寿命和网络服务时效性等。本文结合ANP理论并通过分析评价指标间的关系，建立了分层网络结构的WSN可生存性指标体系ANP评估模型，如图2所示。图2中，双向箭头清晰描述了各指标之间的相互影响关系，粗虚线框表示框内评价指标的一级指标相同。

表1 评价指标集及描述

图2 可生存性评价指标体系的ANP模型

3 指标体系中指标权重的确定

3.1 求解权矩阵

如图2所示的ANP评估模型中，控制层元素组Ci(其中i=1，2，3，4)中的指标元素为Cij(其中j=1，2，…，N)，以元素组Ci为准则，Ci中元素Cik(k=1，2，…，M)为次准则，对多名专家(专家数量通常大于10)进行问卷调查，专家采用1～9标度法给各指标间的相对重要性打分，最后综合考虑专家们的打分，对元素组中的元素进行两两对比，判断指标间的相对重要性，构造权矩阵Wij，如果Wij=0则说明元素组Ci和Cj相互独立，没有依赖性。下面以构造权矩阵W31为例说明判断矩阵的求解过程，通过12位领域专家对各指标之间的相对重要性进行打分即形成问卷调查表2，表2结合应急通信中WSN的特征解释了打分的重要依据。

(1)根据问卷调查表中的专家打分情况，以控制层元素组C1中元素为次准则，和C3中元素C3k(其中k=1，2，3)依次进行相对重要性对比，构建判断矩阵，分别如表3和表4所示。表中，CR称为随机性一致比率，当CR＜0.10时认为判断矩阵具有满意的一致性，否则需要调整判断矩阵。

表3 以C11为次准则的判断矩阵

表2 专家问卷调查表

表4 以C12为次准则的判断矩阵

(2)计算判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量，并进行一致性检验，其中一致性检验的具体步骤可参考文献［2］;若满足一致性检验，则归一化处理这些特征向量，便可得到对应的权重向量，权重的大小反映了该元素对准则的影响程度。

(3)将计算所得的权重向量依次作为权矩阵W31的列向量，可得如下权向量:

3.2 构造未加权超矩阵

按照计算权矩阵W31的过程，依次计算其他所有权矩阵W12，W13，…，W44，则可构造如下未加权超矩阵W:

未加权超矩阵由二级指标对应的16个权矩阵组成，反映了指标间的相互联系及相对重要性。代入数据可得如下未加权超阵，如式(3)所示。

3.3 计算加权超矩阵

对控制层元素Ci进行两两比较，计算一级指标的权矩阵A，按照3.1节步骤建立判断矩阵，计算最大特征值及其对应的特征向量并进行归一化处理，可得如下一级指标权矩阵:

将权矩阵和未加权超矩阵相乘即得到加权超矩阵:

根据式(5)代入数据可得加权超矩阵，如式(6)所示。

3.4 计算极限超矩阵

加权超矩阵W'中元素W'ij直接反映了各指标间的相互影响程度和依赖程度，ANP分析法中引入了极限超矩阵，它将加权超矩阵反复自乘直到该矩阵不再变化或者是达到稳定状态，这样便间接反映了指标体系中各指标元素的相互依赖和影响关系，若加权超矩阵的极限收敛且唯一，即¯W'=(W')∞=(W')k存在，则¯W'的列向量就是所有二级指标相对应的权重，而极限超矩阵可以由MATLAB软件编程求解，求得的极限超矩阵如式(7)所示。

该极限超矩阵的列向量为(0.0855，0.1395，0.0592，0.0401，0.0415，0.1105，0.0502，0.0666，0.1008，0.1719，0.1342)，它对应于所有二级指标在整个指标体系中的权重。同时，将对应的所有二级指标权重相加可得到一级指标的权重，分别为(0.2250，0.1408，0.2273，0.4069)。

4 指标体系分析与验证

4.1 指标体系分析

由上节最终求得的一级指标权重可知，网络适应性在指标体系中的权重最大，表明提高网络适应性是提高应急通信中WSN生存性最为关键的因素。应急通信中WSN可生存性重点考虑WSN遭受攻击、发生故障或者是意外灾害后如何完成网络的基本服务。因此，在网络环境复杂多变的应急通信中网络适应性的提高可以有效增强网络的生存能力和服务性能。情景适应能力和认知学习能力可以在WSN受到攻击、发生故障时利用可用网络资源重选路径、重配置网络资源或重组网络结构，可靠完成网络的基本服务;调整演变能力则可在受到攻击、发生故障后根据所获得的知识来调整网络的生存策略，或者通过记忆已发生的攻击和故障，采取措施以避免再次遭受同样的攻击，由此不断进化网络来提高网络的生存能力。

服务生存性和网络安全性所占的权重接近，但服务生存性的比重稍大一点。应急通信中，网络安全性和服务生存性两者相互制约、相互影响，WSN需在提高服务生存性的前提下确保监测信息的安全性。具体来讲，网络寿命的长短是提高网络安全性的重要保障，WSN安全机制的运行需要耗费大量能源，服务生存性和网络安全性权重的差别要根据具体应急通信场合而定。因此，如何综合考虑并权衡网络安全性和服务生存性来设计高效的协议和算法仍是学术界研究的热点。

网络抗毁性在该指标体系中的权重偏小，这主要是因为WSN是无基础设施的自组织网络，并且传感节点分布密集，网络抗毁性相对传统网络要强很多，因此该评价指标体系中重点考虑WSN自身限制所影响的评价指标。

另外，指标体系中二级指标的权重可以作为增强应急通信中WSN可生存性的重要依据。具体而言，从极限超矩阵可知，二级指标按照权重从大到小排在前面的指标有:认知学习能力，攻击识别能力，调整演变能力，网络生存寿命，情景适应能力、抗攻击能力和网络服务恢复率。需要注意的是，网络生存寿命影响着其他指标，因此，延长网络生存寿命是提高WSN可生存性的关键因素，它将间接影响WSN的其他生存性指标。

4.2 指标体系验证

本节基于构建的指标体系对采用SRPC协议［11］和RLEACH协议［12］的WSN生存性进行综合评价，验证指标体系的有效性和可行性。SRPC协议在权衡服务生存性和网络安全性的基础上提高了WSN的数据包投递率，增强了WSN在战场环境中的服务能力;RLEACH协议主要通过身份认证、数据加密和密钥会话等机制提高网络的安全性［11］。考虑到应急通信中WSN容易遭受攻击并且簇头可能被摧毁，仿真参数配置如文献［11］所示，利用仿真软件OMNeT4.0++分别对SRPC协议和RLEACH协议进行仿真可获得部分评价指标的仿真值，如表5所示，并对其进行数值量化，如表6所示。然后，利用仿真值和指标权重综合评价采用两种协议的WSN生存性。表中，网络服务恢复率主要描述簇头遭受攻击或摧毁后能否及时提供关键服务的能力。因此，验证时选择采用数据包投递率来衡量;抗攻击能力和网络服务恢复率用恶意节点数变化时得到的平均值来表示。

表5 协议中部分评价指标的仿真值

表6 协议中部分评价指标的仿真值量化结果

WSN的可生存性可利用式(8)进行综合评价，其中Ni表示协议中部分评价指标的仿真值量化结果，Wi表示该指标在评价指标体系中的权重

故根据式(8)、表6和式(7)可以量化评估采用两种协议时WSN的可生存性，代入数据得到采用SRPC协议时网络可生存性S=0.263，采用RLEACH协议时网络可生存性S=0.212。从评估的数值结果可以初步得出如下结论:SRPC协议的WSN的生存能力要优于RLEACH协议。究其原因，一方面，SRPC协议利用簇间多跳和单跳路由相结合的机制有效节约能源，延长了网络寿命;另一方面，SRPC协议中备用簇头链的启用也提升了网络服务恢复率，综合考虑了指标体系中的多种指标的权衡，更加适合用于在应急通信中提供可生存的网络服务。

5 小结

本文考虑了应急通信中WSN可生存性评价指标间的相关性以及各层间的反馈关系，建立了可生存性指标体系的网络分析法模型，通过计算各指标权重制定了可生存性评价指标体系，可以有效评价应急通信中WSN的生存能力，同时为增强应急通信中WSN生存能力提供可靠依据。建立科学的生存性评价指标体系是分析评估WSN可生存性的有效途径，增强WSN生存能力才是最终目的。因此，今后研究的重点是依据指标体系的分析和评判结果，采用针对性措施来增强WSN在应急通信中的生存能力，进而提供生存性更强的应急通信服务。

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王海涛(1976－)，男，解放军理工大学副教授，硕士生导师，研究方向为无线自组织网和应急通信保障;

朱世才(1989－)，男，解放军理工大学硕士研究生，研究方向为无线传感网络，490585649@qq.com。

应急通信中基于ANP的WSN可生存性评价指标体系研究*

王海涛1*，朱世才2，陈晖1，吴连才2，陈磊2
(1.解放军理工大学训练部，南京210007;2.解放军理工大学通信工程学院，南京210007)

建立科学合理的可生存性评价指标体系，可以有效评价和验证应急通信中无线传感网(WSN)的可生存性，进而采取必要措施增强其生存能力。首先，筛选出应急通信中无线传感网的可生存性评价指标集，并建立基于网络分析法(ANP)的评价模型框架。然后，通过网络分析法(ANP)确定相应指标的权重并构建WSN生存性指标体系。最后，利用该指标体系对采用SRPC协议和RLEACH协议的WSN可生存性进行综合评价。分析和验证结果表明，提出的指标体系能够较为客观有效地评价WSN的可生存性。

应急通信;无线传感网;可生存性;指标体系;网络分析法

TP393

A

1004－1699(2014)04－0557－07

2013－10－31修改日期:2014－02－11

项目来源:国家自然科学基金资助项目(61072043)

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.024