智慧家庭无线传感器网络拓扑可靠性评估研究

李忠成

摘要：结合智慧家庭系统应用研究无线传感器网络的拓扑结构可靠性评估方法，提出一种网络连通度、可用度和可靠度随时间演进的仿真评估模型，将网络连通度、可用度和可靠度计算算法应用于网络可靠性评估。通过智慧家庭服务平台系统仿真验证与结果分析，给出无线传感器网络连通度、可用度和可靠性随时间变化趋势。结果表明，该评估模型可以快速准确实现对各种拓扑结构的可靠性分析，为同类系统应用中无线传感器网络拓扑结构可靠性分析与评估提供了有效手段。

关键词：智慧家庭 网络拓扑 研究

中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0075-02

1 智慧家庭系统设计

智慧家庭系统是综合利用物联网、云计算、移动互联网和大数据技术将家庭设备智能控制、家庭环境感知、家人健康感知、家居安全感知以及信息交流、消费服务等家居生活有效地结合起来，创造出健康、安全、舒适、低碳、便捷的个性化家居生活。

智慧家庭系统设计按照物联网结构分为三层：数据感知层、网络层和应用层。感知层包括ZigBee节点及其所组成的无线传感器网络、各类传感器、音视频采集设备等感知器以及安防门禁系统等执行器。各种传感器信息通过ZigBee节点转送到网关；应用层发出的命令信息通过ZigBee节点发给执行设备来完成特定操作。ZigBee协调器在网关和无线传感器网络之间，负责无线组网、信息汇集和用户命令下发。网络层主要由ZigBee家庭内部网、Internet网和移动蜂窝网通过网关连接组成。网关作为三网之间的桥梁，负责收集家庭内部网中的节点信息和状态并进行处理，再向Internet和蜂窝网进行发送。应用层设计包括家居安防监控、家庭信息管理、家居环境监测和控制等功能。

2 无线传感器网络可靠性评估

在智慧家庭系统中无线传感器网络是其物联网技术的核心，而无线传感器网络可靠性在某种程度上代表了整个智慧家庭物联网系统的可靠性。无线传感器网络可靠性主要表现为：在一定环境和时间内完成传感器数据信息的准确采集和传输，以及可连接到因特网、自动组网，能够高效应对突发事件，并在给定条件下保持自身系统稳定。

智慧家庭物联网系统是多应用系统彼此之间相互结合的复杂系统，无线传感器网络拓扑结构的稳定与可靠是系统可靠性分析建模的核心。一般使用图论分析方法评估物联网系统的可靠性，主要从抗毁性和生存性两个方面来判别。抗毁性表示为在确定的无线传感器网络结构中，网络遭受外界破坏力作用时，导致连接受损，但网络还能够保持通信的能力。抗毁性与网络具体拓扑结构有关，网络是否具有抗毁性，可以用网络连通度和黏聚度来衡量。生存性表示网络受到外界一定的破坏力作用时，网络节点和通信链路出现故障，但网络仍能够保持通信顺畅的概率。网络生存性与无线传感器网络中的硬件设备质量、破坏力大小和所处工作环境有关。评估网络生存性一般用亮度可靠度来表示，包括端到端的可靠度、K端可靠度以及全端可靠度。

由于无线传感器网络辐射功率小，其链路客观因素影响比较敏感。障碍物会造成无线链路失效，在智慧家庭系统无线传感器网络设计时需确保关键链路能够避开障碍物阻挡，使传感器节点采集的数据信息能迅速准确地传输到汇聚节点，因此需要对网络链路可靠性进行评估。常用的评估方法有蒙特卡罗法、神经网络法、petri网络方法、状态空间法、因子分解法等。

一般网络拓扑结构由网络终端节点、通信链路构成。假设一个给定网络G，其网络节点数为N，网络通信链路数为L。如果网络G的可靠性用R来表示，则R取决于网络中节点硬件设备质量Pn、网络连接链路可靠性L1，以及网络拓扑结构T，它们之间对应的数学关系为：R∝（Pn，Ll，T）。该式表明：节点设备可靠性、链路可靠性越高，无线传感器网络拓扑结构T的连通性越高，网络可靠性也越高。

网络连通可靠度是无线传感器网络评估中判断网络可靠性的重要依据，它根据部件故障率和节点链路连接可靠度来判断网络是否可靠。网络连通率表示网络中终端设备彼此之间的连接状态，它也是判断网络可靠性的关键参数。一般用连续运动离散化算法来计算无线传感器网络的连通率。如果认定在一定的时间内网络拓扑结构不会发生改变，而对于某一时刻的拓扑结构不 变网络，则可采用节点遍历算法对连通率进行计算。其计算方式为相邻连接的节点个数除以所有非故障节点个数。

对智慧家庭系统中给定连接值的无线传感器网络G，N个节点，E为所有边的集合。网络中节点与边均不相连，网络拓扑为静态拓扑，设定拓扑固定不变。将传感器节点可靠性与链路可靠性综合为传输路径可靠性R（i，j）。在分析无线传感器网络可靠性时，首先认为所有节点都完全可靠。网络连接链路可靠性R（i，j）之间相互独立，其一般通过连接节点可靠性来判定。评估无线传感器网络可靠性有多种方法，目的都是要了解在受到外界干扰或破坏情况下的网络可靠性程度。一般无线传感器网络G的可靠性可以用所有节点对之间的可靠性Rel（i，j）的均值描述为若节点i、j之间有M条最小路径，则：。

综上所述，计算智慧家庭无线传感器网络可靠性的关键是找出网络拓扑结构节点间的路集、最小路集以及不交最小路集。

3 仿真实验分析

较好的拓扑结构对无线传感器网络可靠性有决定性作用。无线传感器网络的组网具有一定的灵活性，其网络拓扑结构也不是固定的，使得从网络拓扑结构来研究网络可靠性成为可能。为了研究智慧家庭系统中无线传感器网络拓扑结构对网络可靠性的影响，选择典型的四种拓扑结构进行仿真实验，分别是：具有8个节点的网状网络、具有8个节点的带状网络、延长至具有20个节点的网状网络和延长至具有20个节点的带状网络拓扑结构。

选择无线传感器网络监测区域为长宽均是100m的正方形区域作为实验区，在该区域内按需安装智慧家庭系统设备，并随机布置50个传感器节点，每个节点的通信距离为20m、感知距离为10m、初始能量为1J。假定系统中节点之间传输数据的能量消耗为45nJ/bit，接收数据的能量消耗为30nJ/bit，数据分组大小为64字节，信道衰落参数是0.3。所有仿真实验都在主频2.3GHz、内存4GB的Win7操作系统的MATLAB2014a平台上进行。仿真实验主要包括四种无线传感器网络拓扑结构的网络连通度、网络可靠度和网络可用度仿真实验，并结合它们的仿真时间和平均可用度进行分析。

从仿真实验系统中无线传感器网络可靠性随仿真节点能量耗尽时间变化趋势来看，对于不同的拓扑结构，网络可靠性随时间变化各不相同，8个节点的带状网络与网状网络的可靠性，比20个节点的带状网络与网状网络的可靠性要高。当仿真时间较短时，由于初始时能量充足，网络连通顺畅，网络可靠性比较好，但随着仿真时间向前推移，网络连通度逐步下降，下降幅度也比较均匀。从节点个数来看，8个节点的网络比20个节点的网络可靠性高；总体而言，8个节点的网状网络比带状网络可靠性高，20个节点的网状网络比带状网络高。原因主要是带状网络一个节点出现故障，数据传输可靠性下降较快。

在智慧家庭无线传感器网络可用度仿真实验中，设定平均可用度数值范围为0-1。在平均修复时间一定的情况下，8个节点的带状网络可用度比较高，集中在0.75-0.9之间，但随着网络节点数目的增多，其可用度降低比较明显，20个节点的带状网络可用度基本集中在0.1-0.3之间。原因主要在于20个节点的带状网络过于冗长，数据传输过程中受到自身和外界的干扰越来越大，最终影响其通信质量。同样8个节点的网状网络与20个节点的网状网络可用度区别也较大，8个节点的网状网络可用度也比较高，集中在0.75-0.95之间，但随着网络节点数目的增多，20个节点的网状网络可用度基本集中在0.1-0.18之间。

最后通过智慧家庭无线传感器网络平均可用度与仿真时间的对比分析得出，带状网络的可用度比网状网络的可用度稍高，当都是8个节点的带状网络和网状网络时，带状网络的仿真耗时比网状网络要短，但随着节点数的增加，网络的可用度随之下降，仿真时间都会延长。这是因为随着节点的增多，节点故障以及节点之间的连接故障也随之增加，导致网络可用度下降明显，20个节点带状网络和网状网络仿真时间相差不大，可用度都比较低。

4 结语

通过对智慧家庭系统无线传感器网络拓扑结构的可靠性研究，提出一种网络连通度、可用度和可靠度随时间演进的网络可靠性仿真模型，将网络连通度、可用度和可靠度计算算法应用到无线传感器网络的可靠性评估中，并进行仿真实验验证与分析，结果表明，该评估模型可以快速准确地实现对智慧家庭无线传感器网络各种拓扑结构的网络可靠性分析，能够为同类系统应用中的无线传感器网络拓扑结构的可靠性快速分析与评估提供了有效的参考手段。

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