俞文杰 童英華 田立勤

摘 要：針對物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的不可靠性，從監(jiān)測系統(tǒng)感知層的傳感器節(jié)點(diǎn)到傳輸主干部分，分別對其可靠性進(jìn)行分析，就感知層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、監(jiān)測區(qū)域的劃分、匯聚層設(shè)備的可靠性以及設(shè)備冗余進(jìn)行了詳細(xì)分析，對傳輸部分的可靠性給出了量化分析公式。在節(jié)點(diǎn)部署時采用正六邊形部署方法，由于同等外接圓條件下正六邊形劃分所需要的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，因此整個監(jiān)測區(qū)域的能量消耗也最少，減少了每個Sink節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的流量，增加了系統(tǒng)的生存時間。同時對于關(guān)鍵的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行冗余，量化分析了冗余倍數(shù)與該部分網(wǎng)絡(luò)可靠性及成本的關(guān)系，從而得出最優(yōu)冗余方案。另外對匯聚層傳輸主干采用1+1保護(hù)方式，以確保監(jiān)測系統(tǒng)傳輸主干的可靠性，最后給出了整個物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性量化公式。同時，所得出的相關(guān)理論對物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測在各行業(yè)中的應(yīng)用和部署實(shí)施具有重要的理論和實(shí)際參考價值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)；可靠性；正六邊形部署；冗余；量化分析

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-06

0 引 言

對物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的可靠性是指物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)在業(yè)務(wù)量增消變化的運(yùn)行過程中，在各種破壞因素共存的條件下，對用戶服務(wù)需求持續(xù)滿足的能力[1]。造成物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)不可靠的原因多種多樣，除了共因外，對于不同的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，其根據(jù)實(shí)際情況的不同情況亦不同。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)不可靠的共因如下：

（1）設(shè)備部分：監(jiān)測系統(tǒng)中感知部分的傳感器節(jié)點(diǎn)是整個監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，需求量最大，實(shí)際部署環(huán)境中由于部署方式、環(huán)境特點(diǎn)、人員管理等因素的影響，傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性較低。

（2）物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)部署的地區(qū)多為環(huán)境惡劣的區(qū)域，能耗和通信條件受限。

（3）以物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)為例，傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)存在多樣性，包括風(fēng)速、濕度、霧霾程度等，導(dǎo)致對傳輸鏈路的帶寬要求較高。造成物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)不可靠的原因是多方面的，包括監(jiān)測區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)故障或老化，處理設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲出現(xiàn)差錯，監(jiān)測短距離路由傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較差，遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的篡改問題及傳輸線路被破壞等。監(jiān)測供電設(shè)備中斷、監(jiān)測環(huán)境對數(shù)據(jù)的干擾，及人為故意或無意破壞等均會導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)不可靠。

已有研究通過不同的部署方式實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測區(qū)域的可靠性，如Liaqat為了提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，避免能量空洞的出現(xiàn)，提出了正六邊形多級簇部署方案[2]。Bai提出在通信半徑與感知半徑滿足不同比例的條件下，實(shí)現(xiàn)全覆蓋和K連通最優(yōu)部署方案[3]。對物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中檢測部分的設(shè)備部署、信息傳輸部分的可靠性進(jìn)行量化分析，對實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性研究具有重要的理論和實(shí)際意義。田立勤等提出了正方形部署方案，并提出了結(jié)合雙冗余與重傳機(jī)制的傳輸主干可靠性保障機(jī)制[4]。劉睿瓊著眼于提高傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能效，設(shè)計了基于正六邊形網(wǎng)格的分簇路由HGRP算法[5]。Xing提出了不同容錯方式下，無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可靠性的計算公式，并對不同冗余方式在串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的可靠性進(jìn)行了比較[6]。李建平從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)議棧和可靠性機(jī)制的角度，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性評估模型[7]。Wang比較了三種MAC協(xié)議下，傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性以及生存時間[8]。聶晨華等提出利用動態(tài)故障樹模型研究可修復(fù)節(jié)點(diǎn)背景下WSN的可靠性[9]。徐雪鑫提出了通過不交和運(yùn)算來計算各節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的可靠性表達(dá)式來快速計算可靠性的算法[10]。目前還沒有針對系統(tǒng)的完整保障可靠性的機(jī)制，考慮將整個系統(tǒng)劃分為幾部分，再通過對各部分可靠性的分步量化計算，提高各部分可靠性的保障機(jī)制，最后提高物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的整體可靠性。

1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)圖

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)通常由三部分構(gòu)成，分別為感知層的節(jié)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳遞網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層信息實(shí)時處理系統(tǒng)。這三部分分別完成物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的收集、轉(zhuǎn)發(fā)以及處理工作，最后實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)挖掘、評估以及對未來的預(yù)測等功能。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的感知層指監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是由位于目標(biāo)檢測區(qū)域內(nèi)具有數(shù)據(jù)采集、保存、處理和傳輸?shù)牡统杀?、低損耗的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。節(jié)點(diǎn)之間通過無線連接，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)移動信號基站或北斗衛(wèi)星傳輸?shù)椒?wù)器端，由PC端的設(shè)備接收供用戶使用。

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的感知層通常由傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)組成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)常見的部署方式有正三角形、正方形、正六邊形等。網(wǎng)格部署可實(shí)現(xiàn)良好的覆蓋性及連通性。傳感器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集，通過節(jié)點(diǎn)將收集到的信息傳遞給簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)將無線傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并將結(jié)果以單跳或多跳的方式傳遞給Sink節(jié)點(diǎn)，同時接收由Sink節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的命令和信息，簇頭節(jié)點(diǎn)能量消耗較大。

網(wǎng)絡(luò)層的傳輸包括網(wǎng)關(guān)、移動信號基站、互聯(lián)網(wǎng)和北斗衛(wèi)星。這部分主要負(fù)責(zé)將感知層傳輸?shù)谋O(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)通過3G/4G/衛(wèi)星傳輸?shù)椒?wù)器端，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星通信之間實(shí)現(xiàn)連接。

應(yīng)用層的信息實(shí)時處理系統(tǒng)主要是服務(wù)器端接收信息的終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)、數(shù)據(jù)查詢、挖掘、評估和對未來的預(yù)測。

2 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測區(qū)域的部署及量化分析

2.1 監(jiān)測區(qū)域網(wǎng)格部署方法的比較

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的部署需要選擇適合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常見的網(wǎng)格部署方式如圖2所示，有正三角形、正方形和正六邊形等。當(dāng)按正方形和正六邊形網(wǎng)格來劃分監(jiān)測區(qū)域時，發(fā)現(xiàn)正六邊形重疊部分較少，傳感器節(jié)點(diǎn)利用率較高，有較好的節(jié)能特性，尤其是對于長距離傳送，優(yōu)勢明顯[2]。

假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知半徑為RS，外接圓中心部署簇頭節(jié)點(diǎn)。以正三角形而言，傳感器節(jié)點(diǎn)部署在三個頂點(diǎn)，則按照正三角形劃分的傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋面積為，每個節(jié)點(diǎn)的感知面積是πR2S，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每增加一層，增加的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)為12m（m為層數(shù)），如圖2（a）所示。

如圖2（b）所示，正方形節(jié)點(diǎn)的理想覆蓋面積是，同樣每個節(jié)點(diǎn)的感知面積是πR2S，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每增加一層，增加的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)為8m（m為層數(shù)）。

如圖2（c）所示，每個傳感器節(jié)點(diǎn)的感知半徑為RS，與正六邊形的邊長L相等，單個節(jié)點(diǎn)的感知面積相等均為πR2S，傳感器節(jié)點(diǎn)安置在正六邊形的頂點(diǎn)處，中心簇頭節(jié)點(diǎn)的理想覆蓋面積為，每層傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)為6m（m為層數(shù)）。

第一層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，中間為Sink節(jié)點(diǎn)，與Sink節(jié)點(diǎn)所處的正六邊形相接的其他正六邊形的中心為簇頭節(jié)點(diǎn)。

經(jīng)過比較，可得出正六邊形部署方式下節(jié)點(diǎn)的理想覆蓋面積最大，且按正六邊形的劃分所需要的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，從而整個監(jiān)測區(qū)域的能量消耗也最少。同時減少了每個Sink節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的流量，延長了系統(tǒng)的生命周期。

2.2 監(jiān)測區(qū)域正六邊形部署的量化分析

由上文可知，正六邊形部署策略所需節(jié)點(diǎn)數(shù)量最少，是一種最優(yōu)部署策略。因此本文監(jiān)測區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的部署選擇正六邊形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)會由于通信信號弱、基礎(chǔ)環(huán)境惡劣等問題會引起節(jié)點(diǎn)失效，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)不可靠。為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，需要在監(jiān)測區(qū)域上采取相應(yīng)的冗余策略，使局部節(jié)點(diǎn)失效，節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)也可對其需要監(jiān)測的部分進(jìn)行監(jiān)測，降低數(shù)據(jù)的不可靠性。

正六邊形部署情況如圖5（a），（b）和（c）所示，根據(jù)節(jié)點(diǎn)部署時冗余覆蓋面積的不同，部署方法亦不同。假設(shè)每個傳感器節(jié)點(diǎn)的感知半徑為rS，圖5（a）為一個監(jiān)測單元中傳感器節(jié)點(diǎn)感知面積相切的情況，此時傳感器節(jié)點(diǎn)之間有盲區(qū)，且當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效后，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)的監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)無法被采集，可靠性較低。

傳感器節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測區(qū)域全覆蓋，此時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無盲區(qū)，監(jiān)測可靠性提高，如圖5（b）所示。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在中心簇頭節(jié)點(diǎn)所能能感知的最大范圍處，該部署方法也可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域的全覆蓋，如圖5（c）所示。

對于圖5（b）所示的節(jié)點(diǎn)部署情況，單個監(jiān)測單元的最大監(jiān)測距離為6rS，所形成的正六邊形邊長，但根據(jù)圖5（d）所示連續(xù)兩個監(jiān)測單元的部署圖可以看出，當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)失效后，盲區(qū)面積較大，而圖5（e）構(gòu)成的兩個監(jiān)測單元在普通節(jié)點(diǎn)失效后，鄰居節(jié)點(diǎn)可以有效覆蓋其監(jiān)測區(qū)域，有效減少監(jiān)測的盲區(qū)。

監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)部署可采用圖5（c）所示的情況作為基本監(jiān)測面。在圖5（c）中，一個基本監(jiān)測面可監(jiān)測的距離為4rS，圖5（e）中，兩個基本監(jiān)測面可監(jiān)測的最大距離為6rS，當(dāng)i個基本監(jiān)測面依次排列好后，最中間每橫排共有個傳感器節(jié)點(diǎn)2i+1，將距離分為均勻的2i+2份，每一份長度為傳感器的感知半徑rS，部署單個基本監(jiān)測面可監(jiān)測的最大距離為：

定理1：已知傳感器感知的半徑

為rS，則由i個簇形成的監(jiān)測區(qū)域的面積Si為：

證明：一個基本監(jiān)測面中的節(jié)點(diǎn)是一個簇結(jié)構(gòu)，如圖6（a）所示，在簇外畫出與簇中所有節(jié)點(diǎn)感知區(qū)域相切的正六邊形，用整個正六邊形的面積減去若干f區(qū)域的面積和若干g區(qū)域的面積可得到一個基本監(jiān)測面的監(jiān)測面積。

由于節(jié)點(diǎn)感知區(qū)域相切于正六邊形，假設(shè)正六邊形的邊長為lS=k+rS，其中，正六邊形面積為：

f區(qū)域面積：為了計算f區(qū)域面積，首先計算四邊形abcd的面積，如圖6（b）所示，四邊形abcd的面積是直角三角形abd面積的兩倍，，S扇形（abc）=，因此f區(qū)域面積為：

g區(qū)域面積：為了計算g區(qū)域面積，首先計算ac1b的面積，如圖6（c）所示。

由于每兩個相交圓與外切線之間會有一個g區(qū)域，而每個角落上的圓與外切線會形成一個f區(qū)域，當(dāng)監(jiān)測區(qū)域由i個簇組成時，仍有6個角，因此f區(qū)域?yàn)?個，而每個監(jiān)測面的第一個橫排共有2i個傳感器節(jié)點(diǎn)，于是整個監(jiān)測區(qū)域共有4+2×（2i-1）個g區(qū)域。與監(jiān)測區(qū)域相切的六邊形面積為：

為方便后文敘述，定義以下節(jié)點(diǎn)類型：

（1）自由節(jié)點(diǎn)：這一類節(jié)點(diǎn)失效后對監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測覆蓋無影響。

（2）制約節(jié)點(diǎn)對：將中間一排兩個簇頭節(jié)點(diǎn)間的兩個節(jié)點(diǎn)稱為制約節(jié)點(diǎn)對。

（3）角節(jié)點(diǎn)：將監(jiān)測區(qū)域中四個角上的節(jié)點(diǎn)稱為角節(jié)點(diǎn)。

（4）邊節(jié)點(diǎn)：將最上排和最下排除去角節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)稱為邊節(jié)點(diǎn)。

在中間一排，兩個簇頭節(jié)點(diǎn)間的任何一個普通節(jié)點(diǎn)均為自由節(jié)點(diǎn)如圖6（d）所示，將它們中的任何一個去掉，對整個監(jiān)測網(wǎng)的覆蓋來說都沒有影響。

由此可知每兩個簇頭節(jié)點(diǎn)間的普通節(jié)點(diǎn)是自由節(jié)點(diǎn)，因此自由節(jié)點(diǎn)的個數(shù)與簇個數(shù)i之間存在關(guān)系：

量化分析不同類型節(jié)點(diǎn)失效后造成的覆蓋盲區(qū)的面積。角節(jié)點(diǎn)失效后造成的覆蓋盲區(qū)的面積：

邊節(jié)點(diǎn)失效后造成的覆蓋盲區(qū)的面積：

兩個基本監(jiān)測面的各部分覆蓋度如圖6（e）所示。圖中未考慮簇頭節(jié)點(diǎn)感知區(qū)域內(nèi)覆蓋度，若簇頭節(jié)點(diǎn)一旦失效，整個監(jiān)測面的數(shù)據(jù)都不能交付，因此簇頭節(jié)點(diǎn)需采取更有效的措施保證其可靠運(yùn)行。在圖中將組成制約節(jié)點(diǎn)對的兩個節(jié)點(diǎn)共同覆蓋的區(qū)域認(rèn)為是1覆蓋。通過制約節(jié)點(diǎn)對、邊節(jié)點(diǎn)、角節(jié)點(diǎn)三種基本節(jié)點(diǎn)失效面積的加減運(yùn)算即可得到圖中較小的2覆蓋或3覆蓋不規(guī)則圖形的面積。

3 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性分析

3.1 監(jiān)測區(qū)域可靠性分析

3.1.1 感知節(jié)點(diǎn)向Sink節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性分析

在監(jiān)測區(qū)域的傳感器感知節(jié)點(diǎn)采用無線通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，且具有自組織網(wǎng)絡(luò)的特性，各節(jié)點(diǎn)之間可以相互聯(lián)系，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)感知節(jié)點(diǎn)逐級上傳?？刹扇《喾N路由方式，感知節(jié)點(diǎn)之間的通信連接方式為串聯(lián)。假設(shè)感知節(jié)點(diǎn)的可靠性為Rc（i），相關(guān)參數(shù)為Ci，則信息由感知節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絊ink節(jié)點(diǎn)的可靠性Rcom為：

其中，n為感知節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)個數(shù)。

3.1.2 感知區(qū)域簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性分析

在監(jiān)測系統(tǒng)中，冗余設(shè)備同時運(yùn)行的情況下，只要有一個設(shè)備正常工作，該系統(tǒng)就是可靠的。不同于傳統(tǒng)的備份系統(tǒng)，必須等到設(shè)備故障時才切換，一旦切換出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致系統(tǒng)中斷。

假設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)中多級簇頭的傳輸部分可靠性為R，每個設(shè)備的可靠性為Ri。對簇頭設(shè)備進(jìn)行冗余，且冗余設(shè)備之間為并聯(lián)方式。只有在冗余設(shè)備均不正常的情況下，該部分才是不可靠的，并聯(lián)的所有設(shè)備不可靠性為，整體系統(tǒng)的可靠性在一定范圍內(nèi)與冗余設(shè)備的數(shù)量成正比，可靠性R可

表示為：

簇頭節(jié)點(diǎn)處于每個正六邊形區(qū)域的中心位置，監(jiān)測區(qū)域最中心的六邊形中心部署Sink節(jié)點(diǎn)如圖7所示。假設(shè)層數(shù)為m，每增加一層，簇頭節(jié)點(diǎn)增加6m個，為了增加設(shè)備的可靠性，簇頭節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行間隔冗余。每個簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性為Rj，不可靠性為，一個冗余的簇頭節(jié)點(diǎn)的不可靠性為：。該冗余的簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性為。則那么所有冗余的簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性為。

要想使該部分的可靠性最大，需要增加簇頭節(jié)點(diǎn)的冗余個數(shù)，在考慮節(jié)點(diǎn)費(fèi)用的情況下，如果冗余節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期投資費(fèi)用，那么這樣的冗余便沒有了實(shí)際意義，所以需要在費(fèi)用和可靠性之間尋找一個最優(yōu)解。

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)傳輸主干可靠性分析

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)在感知層采集到數(shù)據(jù)通過簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚后傳送給Sink節(jié)點(diǎn)，之后通過GPRS/3G/4G、北斗衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)信息傳輸。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸部署的基礎(chǔ)條件薄弱，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類不盡相同，通訊環(huán)境各不相同，傳輸時通訊信號差，存在不穩(wěn)定的情況，從而導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)的不可靠性增加。因此，為了提高傳輸主干的可靠性，可采取多種通信方式或采用主干設(shè)備冗余的方式。對于傳輸網(wǎng)絡(luò)，多采用1+1保護(hù)方式，即通常情況下通信路徑中有主用設(shè)備，在傳輸系統(tǒng)主用設(shè)備出現(xiàn)故障時切換到備用設(shè)備，使得傳輸系統(tǒng)可以完成正常的傳輸功能。

圖8為具有備用設(shè)備的主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，設(shè)Ra為主用設(shè)備的可靠性，Rb為備用設(shè)備的可靠性，c為網(wǎng)絡(luò)切換功率。此時監(jiān)測系統(tǒng)傳輸主干部分的可靠性由兩部分組成，一部分是監(jiān)測系統(tǒng)傳輸主干中主用設(shè)備A的可靠性Ra，另一部分是在主用設(shè)備A出現(xiàn)故障時切換到備用設(shè)備B并成功傳輸?shù)目煽啃?，為c×（1-Ra）×Rb，二者之和就是整個監(jiān)測系統(tǒng)傳輸主干的可靠性R1+1，計算公式：

3.3 整個監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性分析

整個監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性主要包含以下部分：

（1）感知節(jié)點(diǎn)向Sink節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性；

（2）感知區(qū)域簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性分析；

（3）監(jiān)測系統(tǒng)傳輸主干可靠性。

這幾個部分相互串聯(lián)，重點(diǎn)考慮關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)簇頭的可靠性和傳輸主干的可靠性：

4 模擬仿真

假設(shè)有傳感器節(jié)點(diǎn)k，信息通過鏈路1傳輸?shù)竭_(dá)簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性R1就是4個傳感器節(jié)點(diǎn)通信功能可靠性Rc（i）和相關(guān)參數(shù)Ci的累乘，通過鏈路2傳輸?shù)竭_(dá)簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性R2就是5個傳感器節(jié)點(diǎn)通信功能可靠性Rc（i）和相關(guān)參數(shù)Ci的累乘。感知節(jié)點(diǎn)傳輸鏈路如圖9所示。

假設(shè)兩條鏈路的相關(guān)參數(shù)Ci均相同為0.96，傳感器節(jié)點(diǎn)通信功能的可靠性Rc（i）均為0.98，那么信息通過鏈路1傳輸?shù)竭_(dá)簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性R1為：

可以看出，在傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性和相關(guān)參數(shù)相同的情況下，信息傳輸經(jīng)過節(jié)點(diǎn)少的鏈路1的可靠性較鏈路2高。

假設(shè)每個傳感器節(jié)點(diǎn)的通信可靠性Rc為0.97，相關(guān)參數(shù)Ci依次為0.97，0.90和0.82，傳輸鏈路中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和所經(jīng)過傳感器的個數(shù)成反比，對于簇頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置相對合適標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)值，傳感器節(jié)點(diǎn)每經(jīng)過一個節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)的權(quán)值wk加1，當(dāng)信息到達(dá)簇頭節(jié)點(diǎn)時，如果wk>W，則認(rèn)為該信息不可靠，選擇丟棄。同時減輕了簇頭節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，減少了擁塞，如圖10所示。

假設(shè)簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性均為Rj=0.97，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行冗余時，隨著拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，感知區(qū)域簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性逐漸下降，當(dāng)每個簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)量為kj=2，進(jìn)行雙倍冗余時，同等拓?fù)鋵訑?shù)情況下冗余后的可靠性有明顯提高。當(dāng)每簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)量為kj=3，進(jìn)行三倍冗余時，整體的可靠性趨近于1。然而并非冗余的個數(shù)越多越好，隨著簇頭節(jié)點(diǎn)冗余數(shù)的增加，費(fèi)用急劇增長，可靠性保持平穩(wěn)，所以選擇雙倍冗余既可提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，又可避免費(fèi)用過快增長，如圖11所示。

假設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)傳輸主干部分中，主用設(shè)備的可靠性為0.98，備用設(shè)備的可靠性為0.96，切換成功率為0.96，在傳輸主干部分采用1+1備份結(jié)構(gòu)時，傳輸主干部分可靠性由公式R1+1=Ra+c×（1-Ra）×Rb計算可得：R1+1=0.98=0.96×（1-0.98）×0.96=0.998，可見1+1備份結(jié)構(gòu)可有效提高傳輸主干部分的可靠性。

5 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性決定了監(jiān)測區(qū)域信息的準(zhǔn)確性和服務(wù)質(zhì)量，本文通過量化分析建議物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)感知層部分采用正六邊形網(wǎng)格部署，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域的全覆蓋，避免監(jiān)測盲區(qū)的出現(xiàn)，提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，同時對監(jiān)測區(qū)域關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的冗余和費(fèi)用進(jìn)行了量化分析。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)可靠性的研究方向還有很多，本文從節(jié)點(diǎn)的冗余和部分網(wǎng)絡(luò)的冗余來研究物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，未來物聯(lián)網(wǎng)性能、可靠性、成本以及節(jié)點(diǎn)能耗優(yōu)化等將是今后研究的重點(diǎn)。

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