无线传感器网络性能评价分析

栾健，王强，何晓晖，管芳林，边恩江，何杰

(中国人民解放军理工大学 野战工程学院，江苏 南京 210007)



无线传感器网络性能评价分析

栾健，王强，何晓晖，管芳林，边恩江，何杰

(中国人民解放军理工大学 野战工程学院，江苏 南京 210007)

摘要：无线传感器网络具有成本低、体积小、自组织等优点，在军事、环境监测、智能交通、智能家居等领域得到广泛应用，如何评价其性能变得越来越重要。归纳了无线传感器网络性能的评价指标，阐述了无线传感器网络的综合评价方法，分析了无线传感器网络性能评价的发展趋势。

关键词：无线传感器网络；性能评价；综合评价

无线传感器网络是由一组具有感知、计算、通信和协同能力的传感器节点构成的无线网络，能够协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并实时发布给观察者[1]。近几年，无线传感器网络技术得到了飞速的发展，更加广泛地应用于各个领域。无线传感器网络的军事应用模式从早期的定点环境监测，发展到现代的可随机散布的情报获取模式以及具备攻击毁伤能力的自主反应模式[2]。随着人们对传感器网络越来越依赖，如何评价其性能就显得更加重要。对无线传感器网络性能的有效评价利于不同传感器网络之间进行比较，从而找出无线传感器网络的薄弱环节进行改进。

由于无线传感器网络应用范围较广，其性能评价指标也不一而同。文中首先归纳了无线传感器网络的评价指标并阐述各指标的详细定义，其次对无线传感器网络性能综合评价方法进行介绍，最后分析了其发展趋势。

1无线传感器网络性能评价指标

1.1网络层方面

无线传感器网络的服务质量反映了网络的运行状况。由于无线传感器网络节点数量大，其资源能量受限，所以评估计算机互联网和通信网服务质量的方法并不适用于无线传感器网络。龙吟等[3]提出了基于测试系统技术的无线传感器网络服务质量评价并对各个评价指标进行了量化，评价指标如下。

丢包率：用于衡量无线传感器网络的数据传输可靠性，与节点电量、信道质量、吞吐量以及环境因素有关。

通信成功率：定义为网络中所有源节点向Sink节点发送一定数量的数据包，Sink节点成功收到的数据包的总和与源节点发送的数据包的总和的比值。

吞吐量：用于衡量无线传感器网络的数据传输能力，与无线传感器网络的协议以及环境因素有关。

能量效率：定义为所有源到目的节点对中，传送一个数据包的平均能耗。用于衡量无线传感器网络节点之间传输数据包的能耗，与无线传感器网络的协议栈以及环境因素有关。

路由鲁棒性：用于衡量无线传感器网络在外界环境因素的扰动下仍然能够保持系统原有性能的能力，主要与无线传感器网络的路由协议有关。

1.2抗毁性方面

网络抗毁性是指网络在自身老化或者遭受打击时，导致节点失效的情况下网络拓扑结构的可靠性。对于以传送数据为目的的WSN来说，网络中的节点相互连通并不一定意味着网络有着较好的连通性，还与sink节点的连通有关，即与是否为有效的连通有关[4]。无线传感器网络面临的打击方式通常有2种：随机性打击和选择性打击。随机性打击就是网络中的节点都是以一个相同的概率遭受破坏，选择性打击就是按照一定的策略，有选择地破坏网络中部分节点。文献[5]根据网络打击方式不同，提出两种评价抗毁性的指标。

容错度：在无线传感器网络中，网络满足一定抗毁度阈值的前提下，可以随机移除网络中节点数量的最大值与网路中所有节点数目之比，称为网络节点的容错度。

抗攻击度：在无线传感器网络中，网络在满足一定抗毁度阈值的前提下，可以按照一定的策略，选择性地移除网络中节点的数量的最大值与网络中所有节点数目之比，称为网络节点的抗攻击度。

1.3监测性能方面

无线传感器网络的任务并不仅仅局限于传统网络的数据传输，而是达到某种监测目的，即网络能够在一定时间内完成特定的监测任务。无线传感器网络的监测性能直接关系到收集信息的准确性、完整性、及时性[6]。文献[7]从无线传感器网络的覆盖性能和连通性能两方面总结了无线传感器网络的监测性能评价指标。

覆盖率：文献[8]将其定义为所有节点覆盖范围的总和与整个被监测区域面积的比值。

覆盖效率：曹峰等[9]首次提出覆盖效率的概念，定义为所有节点覆盖范围的并集与所有节点覆盖范围总和的比值，用来衡量节点覆盖范围的利用率。

覆盖均匀度：文献[8]将其表示为节点之间距离的标准差，标准差的值越小网络覆盖的均匀度越好。

覆盖重数(覆盖度)：对于给定的传感器节点集合和给定的被监测区域，若该区域内的任意一点都被k个活跃节点覆盖，则称对该区域实行了k重完全覆盖。被监测区域为k重覆盖也称网络的覆盖度为k。当k≥l时，则被监测区域内不存在覆盖盲区。

连通度：网络的连通度是指对于给定的传感器节点集合和给定的被监测区域，若删除该区域内的任意k个活跃节点才能使网络不连通，则称网络的连通度为k，也称网络为k重连通[10]。

1.4定位技术方面

无线传感器网络在军事侦察、地理环境监测或者交通路况监测等应用场合，获取的监测信息必须要附带相应的位置信息，不然这些数据就是不确切的，甚至有时候会失去采集的意义。由于经济因素、节点能量制约等条件的限制，一般只有少量节点通过装载GPS或通过预先部署在特定位置的方式获取自身坐标。因此，必须采取一定的机制或算法来实现无线传感器网络中各节点的定位[11]。文献[12]提出的评价指标如下。

定位精度：分为绝对精度和相对精度。绝对精度是测量的坐标与真实坐标的偏差，一般用长度计量单位表示。相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示，定位误差越小定位精确度越高。

锚节点密度：锚节点定位通常依赖人工部署或使用GPS实现。人工部署锚节点的方式不仅受网络部署环境的限制，还严重制约了网络和应用的可扩展性。而使用GPS定位，锚节点的费用会比普通节点高两个数量级，这意味着即使仅有10%的节点是锚节点，整个网络的价格也将增加10倍。另外，定位精度随锚节点密度的增加而提高的范围有限，当到达一定程度后不会再提高。

代价：定位系统或算法的代价可从不同的方面来评价。时间代价包括一个系统的安装时间、配置时间、定位所需时间；空间代价包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等；资金代价则包括实现一种定位系统或算法的基础设施、节点设备的总费用。

节点密度：节点密度通常以网络的平均连通度来表示，许多定位算法的精度受节点密度的影响。在无线传感器网络中，节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加，而且会因为节点间的通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。

2无线传感器网络性能综合评价

综合评价方法将反映无线传感器网络性能的多个指标信息综合起来，根据各自的权重，计算一个综合指标，由此来反映网络整体的性能状况，可以对被评价网络做时间和空间上的整体对比，兼具全面性和综合性。

在无线传感器网络性能综合评价中，需考虑的测量指标的选取原则[13]有：1) 全面性，选取测量指标无需很多，但要尽可能全面；2) 易测性，选取的测量指标应易于测量；3) 相关性，选取的测量指标相关性尽可能小。

在确定了WSN的性能指标后，可以通过线性加权法进行多指标综合评价。其基本步骤为：先确定各性能指标的权重，其次对决策矩阵作标准化处理，最后求出各性能评价指标的线性加权平均值。文献[2]提出了基于路径的无线传感器网络性能评价方法，通过对路径上的节点的多个单项性能指标进行综合处理，得出综合性能参数值，可依据此综合性能参数值对同一路径在不同时间或同一时间不同路径之间进行性能比较分析。矩阵A表示m个时刻，n条路径上的测量数据，即：

(1)

对某一测量时刻，用加权平均方法计算其路径性能评价值：

(c=1,…,l+k,i=1,…,m,j=1,…,m)

(2)

基于路径的无线传感器网络性能综合评价是分别将该网络中各路径的性能评价指标综合求值的结果，其值反映了网络整体性能，由式(3)计算：

(3)

式中，PN为网络性能评价指标，n为路径数，Wi为各路径的性能指标权重。对不同路径可根据其在网络中的重要程度赋予不同的路径指标权重，以便更为合理地评价网络的综合性能。

文献[14]在确定性能指标权重时结合主观的权重分析方法(相对比较法)和客观的权重确定方法(变异系数法)进行组合计算，有效地解决了以往单一的客观分析法或单一的主观分析法计算所造成的片面性和局限性，为科学决策提供依据。其具体步骤如下：

1) 基于变异系数法的指标权重计算

变异系数法是一种客观赋权法。设m个对象，n个指标构成的矩阵决策矩阵为：

X=(xij)m×n

(4)

记：

(5)

(6)

则：

(7)

式中，为xj的变异系数。此时，第j个指标的权重为：

(8)

2) 基于相对比较法的指标权重计算

相对比较法是一种主观赋权法。设有n个指标f1，f2，…，fn，按三级比例标度两两相对比较评分，其分值设为aij。三级比例标度的含义是：

(9)

指标fi权重系数为：

(10)

3) 权重组合计算

3结语

综合评价方法利于传感器网络在时间和空间上进行性能评价。在无线传感器网络综合评价中采用模糊评价方法等也是一种选择。

无线传感器网络性能评价目前还缺乏统一标准，文中对性能评价指标进行了归纳，对制定统一的性能评价指标体系起到促进作用，可以尝试建立无线传感器性能评价指标体系标准以规范评价指标的选择。

由于传感器网络应用不同，其侧重的性能指标不同，所以各性能指标的权重不尽相同，如何对不同应用领域无线传感器网络综合评价方法中性能指标的选取进行规范统一还有待进一步研究。

参考文献:

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[3] 龙吟，吴银锋，王霄，等. 无线传感器网络的网络层服务质量的评价方法研究[J]. 传感技术学报，2012，23(12):1766-1771.

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[14] 月婵，李昕. 工业无线传感器网络[J]. 计算机工程，2010,36(16)：82-87.

Analysis of Wireless Sensor Network Performance Evaluation

LUAN Jian, WANG Qiang, HE Xiao-hui, GUAN Fang-lin, BIAN En-jiang, HE Jie

(College of Field Engineering, PLA Univ. of Sci. & Tech. Nanjing 210007,China)

Abstract:Wireless sensor network (WSN) has the advantages of lower cost, smaller volume and self-organization. In recent years, WSN is used in almost all of the fields, including military, environmental monitoring and surveillance, intelligent transportation and smart home systems. Thus, it is more and more important. how to evaluate the performance of WSN. This paper summarizes the performance evaluation index of WSN, introduces its comprehensive evaluation method and forecasts the development of performance evaluation for WSN.

Keywords:wireless sensor network; performance evaluation; comprehensive evaluation

收稿日期：2014-11-26

中图分类号：TP212

文献标志码：A

文章编号：1671-5276(2015)03-0165-03

作者简介：栾健(1989-)，男，吉林蛟河人，硕士研究生，研究方向为机电一体化。