解放军理工大学学报（自然科学版） 第ｌ１卷第４期２０１０年８月Ｖｏ１．１１ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１０ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
无线传感器网络的可靠性评估模型
何 明 ， 董 强 ， 袁黎苗 ， 裘杭萍 ， 曾晓光
（１．解放军理工大学指挥自动化学院，江苏南京２１０００７；２．解放军海军南海舰队，广东湛江５２４００１）
摘 要：为了解决测量无线传感器网络可靠性的问题，提出一种可靠性评估模型，此模型综合考虑了基于容
错的网络抗毁性和基于能效的网络寿命这两个主要因素。通过确定 一覆盖和 一连通，可有效评估自然失效
和能量约束条件下的网络可靠性，同时可以延长网络寿命并提高网络的鲁棒性。实验结果表明在无线传感器
网络中可靠性与传感器密度存在一定关系。通过实现可靠性模型中的最优化目标，满足了传感器覆盖率和网
络连通率要求，提高了无线传感器网络的安全性能。
关键词：无线传感器网络；Ｋ一可靠性模型；Ｋ一覆盖；Ｋ一连通
中图分类号：ＴＰ３１ｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３４４３（２０１０）０４—０３９２—０５
Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ
ＨＥ Ｍｉｎｇ ，ＤＯＮＧ Ｑｉａｎｇ ， ＹＵＡＮ Ｌｉ—ｍｉａｏ ，ＱＩＵ Ｈａｎｇ—ｐｉｎｇ ， ＺＥＮＧ Ｘｉａｏ—ｇｕａｎｇ
（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｍａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＰＬＡ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｍｍａｎｄ Ｐｏｓｔ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｓｅａ Ｆｌｅｅｔ ｏｆ ＰＬＡ Ｎａｖｙ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ ５２４００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｎｅｔｗｏｒｋ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆａｕｌｔ—ｔｏｌｅｒａｎｃｅ
ｗｅｒｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ ｔｗｏ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ｃｅｒｔａｉｎ ｏｆ Ｋ—ｃｏｖｅｒａｇｅ
ａｎｄ Ｋ—ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ，ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｉｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ
ｆａｉｌｕｒｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｓ．Ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｗａｓ ｐｒｏｌｏｎｇｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｂｕｓｔ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ
ｎｅｔｗｏｒｋ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｓｏｍｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｓｅｎｓｏｒ ｄｅｎｓｉｔｙ．Ｂｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ，ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅ－
ｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｅｎｓｉｎｇ ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｗｅｒｅ ｍｅｔ．Ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ
ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｐｒｏｍｏｔｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＷＳＮ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ）；Ｋ—ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ；Ｋ—ｃｏｖｅｒａｇｅ；Ｋ—ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ
无线传感器网络ｗＳＮ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔ—
ｗｏｒｋｓ）［】 是由一组稠密布置、随机撒布的传感器组
成的无线自组织网络，以其随机布置、自组织、适应
苛刻环境等优势，具有在多种场合满足军事信息获
取的实时性、准确性、全面性等需求的潜力。然而，在
大多数应用环境中对无线传感器网络的安全性有很
高的要求。尤其是在军事领域等特殊的应用环境下，
收稿日期：２００９一Ｏｌ一０４． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０９７４０８６）． 作者简介：何明（１９７８一），男，博士，副教授；研究方向：信息 安全、建模与仿真；Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｌｕｅ—ｈｏｒｓｅ＠１２６．ｃｏｒｎ． 通常要求系统能够满足关键任务的可靠性要求。因
此，ＷＳＮ部署设计的基础是可靠性，对其开展可靠
性研究是国内外关注的重要研究领域之一。
实现ＷＳＮ安全的限制因素包括两个方面，一
是传感器节点本身的限制，包括电池能量的限制，节 点ＣＰＵ、内存、存储容量方面的限制，以及缺乏足够
的篡改保护等；另一个方面是无线网络本身的限制，
包括通信带宽、延时、数据包的大小等方面的限制。
本文重点研究ＷＳＮ的可靠性。影响其可靠性
因素主要有：其一，基于网络组件（节点或链路）失效
的网络抗毁性；其二，基于能量约束的网络寿命。因 第４期 何 明，等：无线传感器网络的可靠性评估模型 ３９３
此，要提高ＷＳＮ网络可靠性，就必须解决以下２个
问题：
（１）覆盖率问题。文献［２３提出了为不同应用领
域提供区分服务的思想，其区分服务主要是指区域
覆盖质量。在网络寿命最优化的目标下解决覆盖率
问题非常重要，关于该问题的相关研究很多［３，４］。
主要方法是将传感器分成有一些列的集合。这些方
法的目标是产生最多的非连通集合，这对保存能量
和延长网络寿命有直接影响。
（２）覆盖问题。该问题会对目标监测和跟踪产生
一定的影响。文献［５３提出如何在多项式时间内查找
最大裂口路径和最大支持路径，即最差和最好的被
监测到的区域。如何查找最小和最大曝光路径，即目
标被监测的时间在文献［６］被讨论。文献［７］提出的
一种基于概率覆盖模型的密度控制算法，能够在保
证足够的网络覆盖能力的前提下，使冗余节点退出
工作，减少网络的总能量消耗。文献［８３给出了固定
的基于曝光覆盖和位置发现算法。文献ｆｉ９］描述了基
于探测器的密度控制算法，即把一些节点放到节点
稠密区域以确保长时间、健壮性的覆盖。在文献
［１Ｏ］中，证明了基于ＣＤＳ方法选择的活动节点集满
足完全覆盖和连通性的要求。覆盖质量即最好情况
和最坏情况的覆盖距离在文献［１１］里进行了讨论并
给出了算法。在文献［１Ｚ，１３３中，讨论了一些控制网
络拓扑的节点调度方案，以延长无线传感器网络寿
命。文献［１２３讨论了基于探测结果的分布式节点密
度控制算法，文献［１２，１３］讨论了基于覆盖约束下邻
居节点间覆盖关系的分布式节点调度算法，目的都
是延长网络寿命。
上述所有研究仅讨论了基于覆盖率或连通率约
束的覆盖质量或者调度方案，没有考虑整体可靠性
质量。为了测量和改进ＷＳＮ的网络可靠性，基于覆
盖率和连通率双重约束，提出一种可靠性评估模型，
其核心思想是在节约能量基础上设计错误容忍方
案，它可以指导ＷＳＮ的拓扑控制，进而优化受 一覆
盖和 一连通约束的网络抗毁性和网络寿命，以满足
ｗＳＮ应用对ＱｏＳ的需求。
１ ＷＳＮ网络结构和节点模型
１．１ 网络结构
ＷＳＮ是由大量的密集部署在监控区域的智能
传感器节点构成的一种网络应用系统。通常传感器
节点数量众多，在任意时刻，节点间通过无线信道连 接，采用多跳、对等通信方式，自组织网络拓扑结构。
传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数
据采集、预处理以及节点间的数据交换来完成全局
任务。ＷＳＮ系统由大量无线传感器节点和ｓｉｎｋ节
点组成。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个
节点都可以收集数据，并通过多跳路由方式把数据
传送到ｓｉｎｋ节点，ｓｉｎｋ节点也可以用同样的方式将
信息发送给各节点。ｓｉｎｋ节点直接与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或通
信卫星相连，通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或通信卫星实现任务管
理节点（即观察者）与传感器之间的通信。
图１典型的无线传感器网络结构 Ｆｉｇ．１ Ｃｌａｓｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＷＳＮ
１．２节点模型
ＷＳＮ的基本组成单位是节点，节点具有传感、
信号处理和无线通信功能，由处理、通信、采集和供
电四单元构成。对于节点间的信息交换通常需要处
理单元和通信单元的参与。由于采集单元只是在源
节点发生作用，不参与转发节点信息交换；因此，假
定采集单元始终处于正常工作情况。
２可靠性评估模型
２．１假设
（１）网络系统中的处理单元和通信单元都不可
靠，但是只有正常工作和故障两种状态，处理单元与
通信单元的故障相互独立，失效率可以不同。
（２）能量约束，除从概率的角度分析可靠性外，
还要考虑效能的因素。
２．２定义
无线传感器节点集合中的传感器节点数目用Ⅳ
表示，查询区域用ｚ表示。另外，每个传感器节点有
其最大传输功率，可以在其传输范围内与其他节点
交互信息，定义传感器通信距离为Ｒ，感知能力随着
距离增大而衰减，定义节点的感知距离为Ｒ。假设每
个传感器节点感知和传输半径都是统一的，显而易 ３９４ 解放军理工大学学报（自然科学版） 第１１卷
见，Ｒ ≤尺 。
定义１ Ｋ一覆盖：指定一个无线传感器节点集
合Ⅳ及其查询范围ｚ，在指定范围内的每个点都被
至少Ｋ个传感器节点覆盖。点ｑ被传感器节点 覆
盖定义为在ｑ和， 之间的欧里几德距离小于传感器
感知半径尺 。
定义２ Ｋ一覆盖率：Ｋ一覆盖范围与全查询范围Ｚ
的比值。
定义３ Ｋ一连通：如果在Ⅳ中任意２个传感器
节点间有 个非连接节点路径，则称无线传感器节
点集合Ⅳ是Ｋ一连通的。如果Ⅳ是Ｋ一连通集，则要拆
分由Ⅳ产生的通信图，至少需要从Ⅳ删除 个传感
器节点。
图２ Ｋ一覆盖实例
Ｆｉｇ．２ Ｋ—Ｃｏｖｅｒａｇｅ ｅｘａｍｐｌｅ
以上定义的 一覆盖和 一连通，是设计和部署
ＷＳＮ的２个重要特征参数。ＷＳＮ的覆盖程度越高，
能够容忍节点失效的频率越高。在覆盖这个问题上，
有时需要每个目标范围都被Ｋ≥１个传感器覆盖，
以保证网络的鲁棒性。图１是一个５一覆盖的例子，为
了运作正常，ＷＳＮ必须提供充分的连通性以保证５
个传感器节点可以相互传输感知信息或者将信息传
输到基站。
本文将Ｋ一覆盖和Ｋ一连通作为可靠性模型的２
个约束条件，在维持网络高性能运行的情况下，可以
通过确定Ｋ一覆盖率和Ｋ一连通率来实现。
文献［１５］提出如果每个传感器的传输范围至少
是感知范围的２倍，那么， 一覆盖网络一定是 一连
通网络。文献Ｅ１４３提出如果每个传感器的通信距离
Ｒ 不少于感知距离Ｒ 的２倍，那么传感器集合的凸
区域覆盖可以产生一个由该集合的节点构成的连通
网络。在此基础上，在可靠性模型中，假设无线传感
器网络的参数服从不等式Ｒ ≥２×尺 ，则Ｋ一覆盖的
程度保证了无线传感器网络的静态Ｋ一连通，那么如
何定义平均网络寿命和平均网络抗毁性就不需要再
考虑 一连通。
定义４平均网络寿命Ｒ ：随机逐个移除传感
器节点，直到Ｋ一覆盖率减小到约束值 ，记录移除的 传感器节点数目。移除节点数目与全部节点数目的
比值即平均寿命。网络寿命最大化是传感器网络设
计的主要目标。
定义５传感器节点的度 ：即传感器节点的邻
居节点数目。如果ｉｎ和ｑ的欧几里得距离小于传感
器传输半径Ｒ，节点ｑ即为传感器节点ｍ的邻居。
定义６平均抗毁性尺，：从度高的传感器节点逐
个移动节点到度低的传感器节点，直到Ｋ一连通率降
低到最小约束值 ，记录移动传感器节点的数目。移
动节点的数目与全部节点数目的比值即为平均抗
毁性。
２．３可靠性
平均网络寿命表示了ＷＳＮ的可存活时间受传
感器节点能量消耗影响，节点可能随机的灭失，拓扑
结构可能改变，以致不能满足监控需求。为了改进无
线传感器网络的可靠性，需要延长网络寿命。平均抗
毁性表达了遇到能量约束时，无线传感器网络的抗
毁能力。面对能量约束时，越是在重要的节点能量消
耗得越快。认为度越高的节点越重要，因为度数大的
节点占据了重要位置，形成了骨干网，度数高的节点
失效更容易瓦解网络。利用这两个参数，定义Ｋ一可
靠性无线传感器网络如下：
定义７ 一可靠性：指定无线传感器节点集合
Ⅳ，查寻范围是ｚ， 一可靠性可以定义为受Ｋ一覆盖率
约束的平均平均寿命和平均抗毁性值的权重，如式
（１）：
Ｋ一可靠性一 Ｘ Ｒ ＋（１一ｉｎ）×Ｒ』，（１）
ｍ用以平衡平均寿命和平均抗毁性的影响因
素。进而，基于 一可靠性模型的拓扑控制定义 ¨ 如
下：
ｍａｘ｛Ｋ一可靠性）＝ｍａｘ｛ｍＸＲ ＋（１一 ）ｘＲ，），
（２） 服从Ｋ一覆盖率≥ ，传感器密度一 ，其中，ｍ是
网络寿命和网络抗毁性间的权重值。
２．４模型
在固定传感器密度环境中维持Ｋ一可靠性前提
下，从原始传感器节点集合的取得子集，对资源受限
的无线传感器网络是至关重要的。但如何设计可以
解决多项式时间复杂度的可靠性模型的集中或分布
拓扑控制算法还是很困难。同时，引入时延和业务量
的网络可靠性模型。在传感器网络中，依据实际需
要，指定时延阈值丁 ，定义路径筛选因子Ｆ（丁 ）：