无线传感器网络抗毁性研究

2021-01-30

中文信息 2020年12期

（无锡市工业设备安装有限公司，江苏无锡 214074）

无线传感器网络简而言之就是由大量微小传感器节点所构成的一种分布式网络系统，网络抗毁性主要衡量的就是该系统提供可靠服务的能力[1]。该网络由于并不依赖固定设备支撑，既能够快速部署，又不受有限网络的约束，易于组网，所以在环境检测、医疗救护等多个领域得到了广泛的应用。但与此同时，由于硬件故障、遭遇入侵或者能量耗尽等诸多原因的影响，该网络又时刻面临着节点失效的问题。因此，研究探讨无线传感器网络抗毁性就具有尤为重要的意义和作用。

一、无线传感器网络概述

1.无线传感器网络结构

无线传感器网络结构如图1-1所示，网络中传感器节点在其中具体承担数据采集工作，还承担着簇头节点或是数据中转站的角色。各个传感器节点彼此之间会遵循一定的通信协议从而组成多跳网络，并会把感知数据传输至相应的网关节点。然后网关节点把所感知的数据作相应处理后会通过卫星等方式传输至基站，然后基站再借助Internet网络传输至各种终端，为其提供数据服务。

图1-1 无线传感器网络结构示意图

2.无线传感器网络特征

无线传感器网络是一种基于应用的无线网络，具有资源受限、网络规模大、强网络动态性、以数据为中心、多跳路由、系统实时性、感知数据冗余度、节点容易实效等特征[2]，为了确保信息的准确性，所以对于单个节点的要求必须降低，容许存在大量冗余节点。目前是为了增强系统的容错性，使其具有一定的自适应性，会允许大量节点覆盖检测区，同时这还能够减少盲区或是空穴的出现。

二、无线传感器网络抗毁性能提升策略

1.路由控制

无线传感器网络中存在着诸多冗余节点，路由控制就是将网络冗余特性利用起来，通过对备份机制的引入以达到网络抗毁性得以提升的作用。细化来说，又存在链路冗余以及簇头冗余两种情况。链路冗余会在Sink节点以及源节点两者之间建立多条链路，如此就能够使得单一链路的负担得以减轻，从而使受损的出现概率降低。如此，即便某一链路发生了故障，其他依然能够实现继续工作，继续承担传输数据信息的功能。簇头冗余主要是每个簇头单元内将会设置许多细小分支，倘若发生故障或是簇头不足，那么其他备份簇头就会重新肩负起数据收集、处理以及传输等功能，继续发挥应有的作用。路由控制的优势在于一不需要升级硬件，二不需要改动硬件，仅通过路由优化来实现抗毁性能的增强，所以有利于减少网络构建成本。但是需要注意的是，利用这种途径来提升抗毁性能是以路由复杂程度上升以及通讯性能下降为代价的。

2.网络重构

网络重构主要是指在已经布设了的网络基础上，通过将新的基础设施引入原来的网络中，借此来实现网络异质性的提升。目前主要的网络重构方法一是引入中继节点，二是构建小世界网络。由于长距离通信会存在传感器节点耗能过多的问题，与普通传感器节点对比来说，而中继节点却在可靠性、能量储备、计算性能等方面有更加优秀的表现，通过中继节点的设置，可以对网络通信负载予以有效均衡，从而使网络能耗表现得以改善，使网络连通度与冗余度得到提升，进而获得独立的多条通信路径，最终实现网络抗毁性能的提升。当前中继节点布局算法主要是研究怎样通过布设尽可能少的中继节点来让网络具备较好的容错性能，所以通常情况下主要有完成布设后通信路径最短、中继节点使用数量最少这个两种指标来评价布局算法。而在复杂网络研究领域，小世界网络由于有着良好的拓扑属性，所以一直是热门研究对象。小世界网络既拥有较小的平均路径长度，还拥有较大的聚类系数，是使网络性能得以提升的关键所在。倘若能够使所构建的WSNs拓扑带有小世界网络特征，那么就能够让网络有着较好的连通性并且功耗也不高。

3.拓扑演化

拓扑演化主要是指通过扩大网络规模或者配置硬件参数的方式，使目前的网络拓扑朝着较优抗毁性能方向演化。相比于网络重构方法，借助拓扑演化方法所获得的网络拓扑都是同质网络，不具备典型异质性特征，即链路与节点彼此之间没有存在较为明显的差异。目前构建k-连通网络与无标度网络生长是主要的两种拓扑演化方法。其中k-连通网络是通过对节点发射功率的调节来对网络连通性能予以改善，进而帮助网络拓扑获得较佳的抗毁性能。无标度网络生长则是依靠引入新增节点，利用“偏好依附”机制[3]来助力网络生长的实现，确保所生成的网络拓扑将拥有无标度网络特征，进而实现网络抗毁性能的提升。