欒健，王強(qiáng)，何曉暉，管芳林，邊恩江，何杰

(中國(guó)人民解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

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無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)分析

欒健，王強(qiáng)，何曉暉，管芳林，邊恩江，何杰

(中國(guó)人民解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、體積小、自組織等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能交通、智能家居等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如何評(píng)價(jià)其性能變得越來(lái)越重要。歸納了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的綜合評(píng)價(jià)方法，分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；性能評(píng)價(jià)；綜合評(píng)價(jià)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組具有感知、計(jì)算、通信和協(xié)同能力的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并實(shí)時(shí)發(fā)布給觀察者[1]。近幾年，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，更加廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軍事應(yīng)用模式從早期的定點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)，發(fā)展到現(xiàn)代的可隨機(jī)散布的情報(bào)獲取模式以及具備攻擊毀傷能力的自主反應(yīng)模式[2]。隨著人們對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越依賴，如何評(píng)價(jià)其性能就顯得更加重要。對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的有效評(píng)價(jià)利于不同傳感器網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行比較，從而找出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍較廣，其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)也不一而同。文中首先歸納了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)指標(biāo)并闡述各指標(biāo)的詳細(xì)定義，其次對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行介紹，最后分析了其發(fā)展趨勢(shì)。

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1網(wǎng)絡(luò)層方面

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量反映了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，其資源能量受限，所以評(píng)估計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的方法并不適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。龍吟等[3]提出了基于測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量評(píng)價(jià)并對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了量化，評(píng)價(jià)指標(biāo)如下。

丟包率：用于衡量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，與節(jié)點(diǎn)電量、信道質(zhì)量、吞吐量以及環(huán)境因素有關(guān)。

通信成功率：定義為網(wǎng)絡(luò)中所有源節(jié)點(diǎn)向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包，Sink節(jié)點(diǎn)成功收到的數(shù)據(jù)包的總和與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的總和的比值。

吞吐量：用于衡量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力，與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議以及環(huán)境因素有關(guān)。

能量效率：定義為所有源到目的節(jié)點(diǎn)對(duì)中，傳送一個(gè)數(shù)據(jù)包的平均能耗。用于衡量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)包的能耗，與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧以及環(huán)境因素有關(guān)。

路由魯棒性：用于衡量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在外界環(huán)境因素的擾動(dòng)下仍然能夠保持系統(tǒng)原有性能的能力，主要與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議有關(guān)。

1.2抗毀性方面

網(wǎng)絡(luò)抗毀性是指網(wǎng)絡(luò)在自身老化或者遭受打擊時(shí)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效的情況下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性。對(duì)于以傳送數(shù)據(jù)為目的的WSN來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相互連通并不一定意味著網(wǎng)絡(luò)有著較好的連通性，還與sink節(jié)點(diǎn)的連通有關(guān)，即與是否為有效的連通有關(guān)[4]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的打擊方式通常有2種：隨機(jī)性打擊和選擇性打擊。隨機(jī)性打擊就是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都是以一個(gè)相同的概率遭受破壞，選擇性打擊就是按照一定的策略，有選擇地破壞網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]根據(jù)網(wǎng)絡(luò)打擊方式不同，提出兩種評(píng)價(jià)抗毀性的指標(biāo)。

容錯(cuò)度：在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)滿足一定抗毀度閾值的前提下，可以隨機(jī)移除網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的最大值與網(wǎng)路中所有節(jié)點(diǎn)數(shù)目之比，稱為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的容錯(cuò)度。

抗攻擊度：在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)在滿足一定抗毀度閾值的前提下，可以按照一定的策略，選擇性地移除網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量的最大值與網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)數(shù)目之比，稱為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的抗攻擊度。

1.3監(jiān)測(cè)性能方面

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)并不僅僅局限于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，而是達(dá)到某種監(jiān)測(cè)目的，即網(wǎng)絡(luò)能夠在一定時(shí)間內(nèi)完成特定的監(jiān)測(cè)任務(wù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)性能直接關(guān)系到收集信息的準(zhǔn)確性、完整性、及時(shí)性[6]。文獻(xiàn)[7]從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能和連通性能兩方面總結(jié)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

覆蓋率：文獻(xiàn)[8]將其定義為所有節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的總和與整個(gè)被監(jiān)測(cè)區(qū)域面積的比值。

覆蓋效率：曹峰等[9]首次提出覆蓋效率的概念，定義為所有節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的并集與所有節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍總和的比值，用來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的利用率。

覆蓋均勻度：文獻(xiàn)[8]將其表示為節(jié)點(diǎn)之間距離的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差的值越小網(wǎng)絡(luò)覆蓋的均勻度越好。

覆蓋重?cái)?shù)(覆蓋度)：對(duì)于給定的傳感器節(jié)點(diǎn)集合和給定的被監(jiān)測(cè)區(qū)域，若該區(qū)域內(nèi)的任意一點(diǎn)都被k個(gè)活躍節(jié)點(diǎn)覆蓋，則稱對(duì)該區(qū)域?qū)嵭辛薻重完全覆蓋。被監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)閗重覆蓋也稱網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度為k。當(dāng)k≥l時(shí)，則被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不存在覆蓋盲區(qū)。

連通度：網(wǎng)絡(luò)的連通度是指對(duì)于給定的傳感器節(jié)點(diǎn)集合和給定的被監(jiān)測(cè)區(qū)域，若刪除該區(qū)域內(nèi)的任意k個(gè)活躍節(jié)點(diǎn)才能使網(wǎng)絡(luò)不連通，則稱網(wǎng)絡(luò)的連通度為k，也稱網(wǎng)絡(luò)為k重連通[10]。

1.4定位技術(shù)方面

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、地理環(huán)境監(jiān)測(cè)或者交通路況監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合，獲取的監(jiān)測(cè)信息必須要附帶相應(yīng)的位置信息，不然這些數(shù)據(jù)就是不確切的，甚至有時(shí)候會(huì)失去采集的意義。由于經(jīng)濟(jì)因素、節(jié)點(diǎn)能量制約等條件的限制，一般只有少量節(jié)點(diǎn)通過(guò)裝載GPS或通過(guò)預(yù)先部署在特定位置的方式獲取自身坐標(biāo)。因此，必須采取一定的機(jī)制或算法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的定位[11]。文獻(xiàn)[12]提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)如下。

定位精度：分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度是測(cè)量的坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的偏差，一般用長(zhǎng)度計(jì)量單位表示。相對(duì)誤差一般用誤差值與節(jié)點(diǎn)無(wú)線射程的比例表示，定位誤差越小定位精確度越高。

錨節(jié)點(diǎn)密度：錨節(jié)點(diǎn)定位通常依賴人工部署或使用GPS實(shí)現(xiàn)。人工部署錨節(jié)點(diǎn)的方式不僅受網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的限制，還嚴(yán)重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴(kuò)展性。而使用GPS定位，錨節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用會(huì)比普通節(jié)點(diǎn)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著即使僅有10%的節(jié)點(diǎn)是錨節(jié)點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的價(jià)格也將增加10倍。另外，定位精度隨錨節(jié)點(diǎn)密度的增加而提高的范圍有限，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度后不會(huì)再提高。

代價(jià)：定位系統(tǒng)或算法的代價(jià)可從不同的方面來(lái)評(píng)價(jià)。時(shí)間代價(jià)包括一個(gè)系統(tǒng)的安裝時(shí)間、配置時(shí)間、定位所需時(shí)間；空間代價(jià)包括一個(gè)定位系統(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、硬件尺寸等；資金代價(jià)則包括實(shí)現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點(diǎn)設(shè)備的總費(fèi)用。

節(jié)點(diǎn)密度：節(jié)點(diǎn)密度通常以網(wǎng)絡(luò)的平均連通度來(lái)表示，許多定位算法的精度受節(jié)點(diǎn)密度的影響。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)密度增大不僅意味著網(wǎng)絡(luò)部署費(fèi)用的增加，而且會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間的通信沖突問(wèn)題帶來(lái)有限帶寬的阻塞。

2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)方法將反映無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的多個(gè)指標(biāo)信息綜合起來(lái)，根據(jù)各自的權(quán)重，計(jì)算一個(gè)綜合指標(biāo)，由此來(lái)反映網(wǎng)絡(luò)整體的性能狀況，可以對(duì)被評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)做時(shí)間和空間上的整體對(duì)比，兼具全面性和綜合性。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能綜合評(píng)價(jià)中，需考慮的測(cè)量指標(biāo)的選取原則[13]有：1) 全面性，選取測(cè)量指標(biāo)無(wú)需很多，但要盡可能全面；2) 易測(cè)性，選取的測(cè)量指標(biāo)應(yīng)易于測(cè)量；3) 相關(guān)性，選取的測(cè)量指標(biāo)相關(guān)性盡可能小。

在確定了WSN的性能指標(biāo)后，可以通過(guò)線性加權(quán)法進(jìn)行多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)。其基本步驟為：先確定各性能指標(biāo)的權(quán)重，其次對(duì)決策矩陣作標(biāo)準(zhǔn)化處理，最后求出各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的線性加權(quán)平均值。文獻(xiàn)[2]提出了基于路徑的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)方法，通過(guò)對(duì)路徑上的節(jié)點(diǎn)的多個(gè)單項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行綜合處理，得出綜合性能參數(shù)值，可依據(jù)此綜合性能參數(shù)值對(duì)同一路徑在不同時(shí)間或同一時(shí)間不同路徑之間進(jìn)行性能比較分析。矩陣A表示m個(gè)時(shí)刻，n條路徑上的測(cè)量數(shù)據(jù)，即：

(1)

對(duì)某一測(cè)量時(shí)刻，用加權(quán)平均方法計(jì)算其路徑性能評(píng)價(jià)值：

(c=1,…,l+k,i=1,…,m,j=1,…,m)

(2)

基于路徑的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能綜合評(píng)價(jià)是分別將該網(wǎng)絡(luò)中各路徑的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合求值的結(jié)果，其值反映了網(wǎng)絡(luò)整體性能，由式(3)計(jì)算：

(3)

式中，PN為網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，n為路徑數(shù)，Wi為各路徑的性能指標(biāo)權(quán)重。對(duì)不同路徑可根據(jù)其在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度賦予不同的路徑指標(biāo)權(quán)重，以便更為合理地評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的綜合性能。

文獻(xiàn)[14]在確定性能指標(biāo)權(quán)重時(shí)結(jié)合主觀的權(quán)重分析方法(相對(duì)比較法)和客觀的權(quán)重確定方法(變異系數(shù)法)進(jìn)行組合計(jì)算，有效地解決了以往單一的客觀分析法或單一的主觀分析法計(jì)算所造成的片面性和局限性，為科學(xué)決策提供依據(jù)。其具體步驟如下：

1) 基于變異系數(shù)法的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

變異系數(shù)法是一種客觀賦權(quán)法。設(shè)m個(gè)對(duì)象，n個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的矩陣決策矩陣為：

X=(xij)m×n

(4)

記：

(5)

(6)

則：

(7)

式中，為xj的變異系數(shù)。此時(shí)，第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為：

(8)

2) 基于相對(duì)比較法的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

相對(duì)比較法是一種主觀賦權(quán)法。設(shè)有n個(gè)指標(biāo)f1，f2，…，fn，按三級(jí)比例標(biāo)度兩兩相對(duì)比較評(píng)分，其分值設(shè)為aij。三級(jí)比例標(biāo)度的含義是：

(9)

指標(biāo)fi權(quán)重系數(shù)為：

(10)

3) 權(quán)重組合計(jì)算

3結(jié)語(yǔ)

綜合評(píng)價(jià)方法利于傳感器網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間和空間上進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合評(píng)價(jià)中采用模糊評(píng)價(jià)方法等也是一種選擇。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)價(jià)目前還缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，文中對(duì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了歸納，對(duì)制定統(tǒng)一的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系起到促進(jìn)作用，可以嘗試建立無(wú)線傳感器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)范評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇。

由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不同，其側(cè)重的性能指標(biāo)不同，所以各性能指標(biāo)的權(quán)重不盡相同，如何對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合評(píng)價(jià)方法中性能指標(biāo)的選取進(jìn)行規(guī)范統(tǒng)一還有待進(jìn)一步研究。

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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

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0165-03

作者簡(jiǎn)介：欒健(1989-)，男，吉林蛟河人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。