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

當城市遭到突發(fā)災害或緊急事故時，應急通信能夠向應急指揮中心及時、準確、暢通地傳遞受災區(qū)域的信息，是決策者正確指揮搶險救災的重要保證和有效手段，避免了信息孤島的產(chǎn)生。無線傳感網(wǎng)WSN(Wireless Sensor Network)不依賴固定網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施、能快速展開、自動組網(wǎng)和全天候?qū)嵤┍O(jiān)控的特性決定了它在應急通信中具有舉足輕重的地位。WSN能夠?qū)μ囟繕藚^(qū)域進行實時環(huán)境感知，對緊急突發(fā)事件做出快速響應，并能有效協(xié)調(diào)救援力量實施搶險救災和災后重建。然而，相對常規(guī)應用的WSN，應急通信中WSN更易遭受攻擊或出現(xiàn)故障(如戰(zhàn)場通信、搶險救災等場合)，甚至造成部分網(wǎng)絡癱瘓，從而影響網(wǎng)絡基本服務的提供，威脅網(wǎng)絡的生存能力。科學合理的生存性評價指標體系可用于對應急通信中WSN可生存性進行定量分析和評價，客觀評判網(wǎng)絡協(xié)議和算法的優(yōu)劣，進而改進和優(yōu)化網(wǎng)絡協(xié)議及算法以增強WSN的生存能力，改善網(wǎng)絡提供的應用服務。

1 研究背景

1.1 基本概念

無線傳感網(wǎng)的可生存性是指無線傳感網(wǎng)在遭受攻擊、故障或者意外事故后能夠在一定的響應時間內(nèi)恢復網(wǎng)絡的基本屬性和基本服務，完成網(wǎng)絡的關(guān)鍵任務?？缮嫘詮娬{(diào)WSN在各種網(wǎng)絡環(huán)境中提供關(guān)鍵服務的能力，即使網(wǎng)絡遭受攻擊或者部分功能癱瘓，如果能夠提供關(guān)鍵服務也認為該網(wǎng)絡是可生存的。在特定應用場合用來評價WSN可生存性涉及的各種影響因素的完備集合稱為WSN可生存性評價指標體系［1］。針對不同的應用領(lǐng)域，WSN生存性評價指標體系也有所差異，應急通信中WSN生存性指標體系較常規(guī)WSN更加注重網(wǎng)絡適應性和網(wǎng)絡服務性，要求WSN能夠準確感知網(wǎng)絡情景來調(diào)整生存策略，及時恢復應急通信中WSN的基本服務，進而演變增強生存能力。

20世紀90年代末，美國Saaty T L教授在層次分析法AHP(Analytical Hierarchy Process)基礎(chǔ)上為刻畫網(wǎng)絡層內(nèi)各指標間的依賴性和影響性以及網(wǎng)絡層對控制層的反饋作用提出了網(wǎng)絡分析法ANP (Analytic Network Process)。ANP考慮了復雜動態(tài)系統(tǒng)中各指標間的相互作用，基于ANP建立的指標體系更符合實際情況。ANP的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括控制層和網(wǎng)絡層，控制層又包含目標層和準則層，所有的決策準則P1，P2，…，Pn只受目標層控制且相互獨立;網(wǎng)絡層的內(nèi)部是互相影響的網(wǎng)絡單元，由所有受控制層支配的元素組構(gòu)成［2］。

圖1ANP的基本結(jié)構(gòu)

1.2 相關(guān)工作

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對無線傳感網(wǎng)可生存性評價指標的研究較少。用來建立評價指標體系的方法主要有模糊綜合評價法、層次分析法、網(wǎng)絡分析法和德爾菲法(Delphi)等［3］。AHP假設(shè)同層元素相互獨立，只考慮上層元素對下層元素的支配和影響，用來構(gòu)建復雜、層間相互反饋和層內(nèi)互相聯(lián)系的生存性系統(tǒng)的指標體系往往存在偏差［4］。文獻［5］從攻擊階段和攻擊內(nèi)容等方面綜合分析了網(wǎng)絡可生存性，通過形式化描述給出了一種網(wǎng)絡生存性評價指標體系，該指標體系能夠評估網(wǎng)絡不同階段的可生存性，增強了定量評估的可操作性，但強調(diào)的是網(wǎng)絡的安全可靠性，不能用來定量評估應急通信中WSN的可生存性。文獻［3］利用ANP和極大不相關(guān)法定量分析了各指標間的相關(guān)性，建立了無線自組織網(wǎng)絡的評價指標體系;文獻［6］將模糊綜合評價法和層次分析法相結(jié)合(稱為AHP_Fuzzy法)來評價網(wǎng)絡可生存性，先利用層次分析法確定各評價指標的權(quán)重，然后應用Fuzzy法建立模糊矩陣并量化評價結(jié)果來建立評價指標體系。但是，文獻［4］和文獻［6］的指標體系都不適合評價應急通信中WSN可生存性，主要原因在于:文獻［4］中的評價指標集不能全面、有效描述應急通信中WSN可生存性;文獻［6］沒有考慮生存性指標間的影響和反饋，并且該指標集用于評價應急通信中WSN可生存性時過于繁瑣而缺乏實用性。此外，從指標體系來看網(wǎng)絡抗攻擊力權(quán)重最大，在應急通信中應重點考慮的網(wǎng)絡適應性的權(quán)重卻最小，不符合應急通信中WSN可生存性的特點。本文通過建立應急通信中WSN可生存性的ANP模型框架，利用網(wǎng)絡分析法確定指標權(quán)重并構(gòu)建了應急通信中WSN可生存性指標體系。分析和驗證結(jié)果表明，該指標體系可以客觀有效評價WSN的可生存性。

2 可生存性指標體系的構(gòu)建

無線傳感網(wǎng)的可生存性指標涵蓋面較廣，除了考慮網(wǎng)絡吞吐量、端到端時延和分組丟失率等傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡性能和服務質(zhì)量指標外，還要重點考慮網(wǎng)絡安全性、網(wǎng)絡抗毀性、網(wǎng)絡適應性、網(wǎng)絡生存時間、網(wǎng)絡響應時間和網(wǎng)絡恢復時間等生存性緊耦合指標，進而對網(wǎng)絡生存性進行綜合評價。本文在綜合考慮應急通信特點［7］和無線傳感網(wǎng)特征［8－9］的基礎(chǔ)上建立WSN可生存性評價指標體系。該評價指標體系包含一級指標4個，二級指標11個，如表1所示。

網(wǎng)絡分析法的提出主要是解決指標間的依賴性和不同層間的反饋性，表1所示的WSN生存性指標體系中，二級指標間相互影響，相互依賴。舉例來說，表1中網(wǎng)絡的認知學習能力影響網(wǎng)絡服務恢復率和攻擊識別能力，網(wǎng)絡連通度和節(jié)點密度又影響網(wǎng)絡生存壽命和網(wǎng)絡服務時效性等。本文結(jié)合ANP理論并通過分析評價指標間的關(guān)系，建立了分層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的WSN可生存性指標體系A(chǔ)NP評估模型，如圖2所示。圖2中，雙向箭頭清晰描述了各指標之間的相互影響關(guān)系，粗虛線框表示框內(nèi)評價指標的一級指標相同。

表1 評價指標集及描述

圖2 可生存性評價指標體系的ANP模型

3 指標體系中指標權(quán)重的確定

3.1 求解權(quán)矩陣

如圖2所示的ANP評估模型中，控制層元素組Ci(其中i=1，2，3，4)中的指標元素為Cij(其中j=1，2，…，N)，以元素組Ci為準則，Ci中元素Cik(k=1，2，…，M)為次準則，對多名專家(專家數(shù)量通常大于10)進行問卷調(diào)查，專家采用1～9標度法給各指標間的相對重要性打分，最后綜合考慮專家們的打分，對元素組中的元素進行兩兩對比，判斷指標間的相對重要性，構(gòu)造權(quán)矩陣Wij，如果Wij=0則說明元素組Ci和Cj相互獨立，沒有依賴性。下面以構(gòu)造權(quán)矩陣W31為例說明判斷矩陣的求解過程，通過12位領(lǐng)域?qū)＜覍Ω髦笜酥g的相對重要性進行打分即形成問卷調(diào)查表2，表2結(jié)合應急通信中WSN的特征解釋了打分的重要依據(jù)。

(1)根據(jù)問卷調(diào)查表中的專家打分情況，以控制層元素組C1中元素為次準則，和C3中元素C3k(其中k=1，2，3)依次進行相對重要性對比，構(gòu)建判斷矩陣，分別如表3和表4所示。表中，CR稱為隨機性一致比率，當CR＜0.10時認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣。

表3 以C11為次準則的判斷矩陣

表2 專家問卷調(diào)查表

表4 以C12為次準則的判斷矩陣

(2)計算判斷矩陣的最大特征值及其對應的特征向量，并進行一致性檢驗，其中一致性檢驗的具體步驟可參考文獻［2］;若滿足一致性檢驗，則歸一化處理這些特征向量，便可得到對應的權(quán)重向量，權(quán)重的大小反映了該元素對準則的影響程度。

(3)將計算所得的權(quán)重向量依次作為權(quán)矩陣W31的列向量，可得如下權(quán)向量:

3.2 構(gòu)造未加權(quán)超矩陣

按照計算權(quán)矩陣W31的過程，依次計算其他所有權(quán)矩陣W12，W13，…，W44，則可構(gòu)造如下未加權(quán)超矩陣W:

未加權(quán)超矩陣由二級指標對應的16個權(quán)矩陣組成，反映了指標間的相互聯(lián)系及相對重要性。代入數(shù)據(jù)可得如下未加權(quán)超陣，如式(3)所示。

3.3 計算加權(quán)超矩陣

對控制層元素Ci進行兩兩比較，計算一級指標的權(quán)矩陣A，按照3.1節(jié)步驟建立判斷矩陣，計算最大特征值及其對應的特征向量并進行歸一化處理，可得如下一級指標權(quán)矩陣:

將權(quán)矩陣和未加權(quán)超矩陣相乘即得到加權(quán)超矩陣:

根據(jù)式(5)代入數(shù)據(jù)可得加權(quán)超矩陣，如式(6)所示。

3.4 計算極限超矩陣

加權(quán)超矩陣W'中元素W'ij直接反映了各指標間的相互影響程度和依賴程度，ANP分析法中引入了極限超矩陣，它將加權(quán)超矩陣反復自乘直到該矩陣不再變化或者是達到穩(wěn)定狀態(tài)，這樣便間接反映了指標體系中各指標元素的相互依賴和影響關(guān)系，若加權(quán)超矩陣的極限收斂且唯一，即ˉW'=(W')∞=(W')k存在，則ˉW'的列向量就是所有二級指標相對應的權(quán)重，而極限超矩陣可以由MATLAB軟件編程求解，求得的極限超矩陣如式(7)所示。

該極限超矩陣的列向量為(0.0855，0.1395，0.0592，0.0401，0.0415，0.1105，0.0502，0.0666，0.1008，0.1719，0.1342)，它對應于所有二級指標在整個指標體系中的權(quán)重。同時，將對應的所有二級指標權(quán)重相加可得到一級指標的權(quán)重，分別為(0.2250，0.1408，0.2273，0.4069)。

4 指標體系分析與驗證

4.1 指標體系分析

由上節(jié)最終求得的一級指標權(quán)重可知，網(wǎng)絡適應性在指標體系中的權(quán)重最大，表明提高網(wǎng)絡適應性是提高應急通信中WSN生存性最為關(guān)鍵的因素。應急通信中WSN可生存性重點考慮WSN遭受攻擊、發(fā)生故障或者是意外災害后如何完成網(wǎng)絡的基本服務。因此，在網(wǎng)絡環(huán)境復雜多變的應急通信中網(wǎng)絡適應性的提高可以有效增強網(wǎng)絡的生存能力和服務性能。情景適應能力和認知學習能力可以在WSN受到攻擊、發(fā)生故障時利用可用網(wǎng)絡資源重選路徑、重配置網(wǎng)絡資源或重組網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，可靠完成網(wǎng)絡的基本服務;調(diào)整演變能力則可在受到攻擊、發(fā)生故障后根據(jù)所獲得的知識來調(diào)整網(wǎng)絡的生存策略，或者通過記憶已發(fā)生的攻擊和故障，采取措施以避免再次遭受同樣的攻擊，由此不斷進化網(wǎng)絡來提高網(wǎng)絡的生存能力。

服務生存性和網(wǎng)絡安全性所占的權(quán)重接近，但服務生存性的比重稍大一點。應急通信中，網(wǎng)絡安全性和服務生存性兩者相互制約、相互影響，WSN需在提高服務生存性的前提下確保監(jiān)測信息的安全性。具體來講，網(wǎng)絡壽命的長短是提高網(wǎng)絡安全性的重要保障，WSN安全機制的運行需要耗費大量能源，服務生存性和網(wǎng)絡安全性權(quán)重的差別要根據(jù)具體應急通信場合而定。因此，如何綜合考慮并權(quán)衡網(wǎng)絡安全性和服務生存性來設(shè)計高效的協(xié)議和算法仍是學術(shù)界研究的熱點。

網(wǎng)絡抗毀性在該指標體系中的權(quán)重偏小，這主要是因為WSN是無基礎(chǔ)設(shè)施的自組織網(wǎng)絡，并且傳感節(jié)點分布密集，網(wǎng)絡抗毀性相對傳統(tǒng)網(wǎng)絡要強很多，因此該評價指標體系中重點考慮WSN自身限制所影響的評價指標。

另外，指標體系中二級指標的權(quán)重可以作為增強應急通信中WSN可生存性的重要依據(jù)。具體而言，從極限超矩陣可知，二級指標按照權(quán)重從大到小排在前面的指標有:認知學習能力，攻擊識別能力，調(diào)整演變能力，網(wǎng)絡生存壽命，情景適應能力、抗攻擊能力和網(wǎng)絡服務恢復率。需要注意的是，網(wǎng)絡生存壽命影響著其他指標，因此，延長網(wǎng)絡生存壽命是提高WSN可生存性的關(guān)鍵因素，它將間接影響WSN的其他生存性指標。

4.2 指標體系驗證

本節(jié)基于構(gòu)建的指標體系對采用SRPC協(xié)議［11］和RLEACH協(xié)議［12］的WSN生存性進行綜合評價，驗證指標體系的有效性和可行性。SRPC協(xié)議在權(quán)衡服務生存性和網(wǎng)絡安全性的基礎(chǔ)上提高了WSN的數(shù)據(jù)包投遞率，增強了WSN在戰(zhàn)場環(huán)境中的服務能力;RLEACH協(xié)議主要通過身份認證、數(shù)據(jù)加密和密鑰會話等機制提高網(wǎng)絡的安全性［11］。考慮到應急通信中WSN容易遭受攻擊并且簇頭可能被摧毀，仿真參數(shù)配置如文獻［11］所示，利用仿真軟件OMNeT4.0++分別對SRPC協(xié)議和RLEACH協(xié)議進行仿真可獲得部分評價指標的仿真值，如表5所示，并對其進行數(shù)值量化，如表6所示。然后，利用仿真值和指標權(quán)重綜合評價采用兩種協(xié)議的WSN生存性。表中，網(wǎng)絡服務恢復率主要描述簇頭遭受攻擊或摧毀后能否及時提供關(guān)鍵服務的能力。因此，驗證時選擇采用數(shù)據(jù)包投遞率來衡量;抗攻擊能力和網(wǎng)絡服務恢復率用惡意節(jié)點數(shù)變化時得到的平均值來表示。

表5 協(xié)議中部分評價指標的仿真值

表6 協(xié)議中部分評價指標的仿真值量化結(jié)果

WSN的可生存性可利用式(8)進行綜合評價，其中Ni表示協(xié)議中部分評價指標的仿真值量化結(jié)果，Wi表示該指標在評價指標體系中的權(quán)重

故根據(jù)式(8)、表6和式(7)可以量化評估采用兩種協(xié)議時WSN的可生存性，代入數(shù)據(jù)得到采用SRPC協(xié)議時網(wǎng)絡可生存性S=0.263，采用RLEACH協(xié)議時網(wǎng)絡可生存性S=0.212。從評估的數(shù)值結(jié)果可以初步得出如下結(jié)論:SRPC協(xié)議的WSN的生存能力要優(yōu)于RLEACH協(xié)議。究其原因，一方面，SRPC協(xié)議利用簇間多跳和單跳路由相結(jié)合的機制有效節(jié)約能源，延長了網(wǎng)絡壽命;另一方面，SRPC協(xié)議中備用簇頭鏈的啟用也提升了網(wǎng)絡服務恢復率，綜合考慮了指標體系中的多種指標的權(quán)衡，更加適合用于在應急通信中提供可生存的網(wǎng)絡服務。

5 小結(jié)

本文考慮了應急通信中WSN可生存性評價指標間的相關(guān)性以及各層間的反饋關(guān)系，建立了可生存性指標體系的網(wǎng)絡分析法模型，通過計算各指標權(quán)重制定了可生存性評價指標體系，可以有效評價應急通信中WSN的生存能力，同時為增強應急通信中WSN生存能力提供可靠依據(jù)。建立科學的生存性評價指標體系是分析評估WSN可生存性的有效途徑，增強WSN生存能力才是最終目的。因此，今后研究的重點是依據(jù)指標體系的分析和評判結(jié)果，采用針對性措施來增強WSN在應急通信中的生存能力，進而提供生存性更強的應急通信服務。

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王海濤(1976－)，男，解放軍理工大學副教授，碩士生導師，研究方向為無線自組織網(wǎng)和應急通信保障;

朱世才(1989－)，男，解放軍理工大學碩士研究生，研究方向為無線傳感網(wǎng)絡，490585649@qq.com。

應急通信中基于ANP的WSN可生存性評價指標體系研究*

王海濤1*，朱世才2，陳暉1，吳連才2，陳磊2
(1.解放軍理工大學訓練部，南京210007;2.解放軍理工大學通信工程學院，南京210007)

建立科學合理的可生存性評價指標體系，可以有效評價和驗證應急通信中無線傳感網(wǎng)(WSN)的可生存性，進而采取必要措施增強其生存能力。首先，篩選出應急通信中無線傳感網(wǎng)的可生存性評價指標集，并建立基于網(wǎng)絡分析法(ANP)的評價模型框架。然后，通過網(wǎng)絡分析法(ANP)確定相應指標的權(quán)重并構(gòu)建WSN生存性指標體系。最后，利用該指標體系對采用SRPC協(xié)議和RLEACH協(xié)議的WSN可生存性進行綜合評價。分析和驗證結(jié)果表明，提出的指標體系能夠較為客觀有效地評價WSN的可生存性。

應急通信;無線傳感網(wǎng);可生存性;指標體系;網(wǎng)絡分析法

TP393

A

1004－1699(2014)04－0557－07

2013－10－31修改日期:2014－02－11

項目來源:國家自然科學基金資助項目(61072043)

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.024