無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性評估方法研究

鄒青丙 ，何 明 ，3，王 琰 ，雷冬青

1.解放軍理工大學(xué) 指揮信息系統(tǒng)學(xué)院，南京 210007

2.解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，南京 210007

3.解放軍第61研究所，北京 710004

4.南京軍區(qū) 司令部作戰(zhàn)指揮綜合保障室，南京 210007

1 引言

無線多跳網(wǎng)絡(luò)采用分布式、自組織的思想構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都具備路由功能，為其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸提供路由和中繼服務(wù)。其研究起源于20世紀(jì)70年代，最早應(yīng)用于軍方的戰(zhàn)場監(jiān)測及預(yù)警領(lǐng)域[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)在應(yīng)急救援等領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，對無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性的要求不斷提高。但是，由于無線多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間通信由無線鏈路承載，而噪聲、衰減、干擾等因素影響著無線通信效率。同時(shí)，無線鏈路的容量相對有線網(wǎng)絡(luò)要低很多，穩(wěn)定性差。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆捎谑芄?jié)點(diǎn)的失效、新節(jié)點(diǎn)的加入和無線環(huán)境的變化的影響而處于動態(tài)變化。這些問題會造成網(wǎng)絡(luò)不可靠，已經(jīng)制約了無線多跳網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展[2]。

本文對近年來相關(guān)研究成果歸為3類進(jìn)行了分析：（1）無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性評估算法研究，主要從對網(wǎng)絡(luò)可靠性量化的角度，根據(jù)相關(guān)的可靠性評價(jià)指標(biāo)研究具體網(wǎng)絡(luò)可靠性的度量算法；（2）無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性協(xié)議，從協(xié)議層面研究提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；（3）無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計(jì)研究，是從組網(wǎng)的角度研究部署無線多跳網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化策略。

2 科學(xué)問題的提出

無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性研究的目的就是為了正確地分析評價(jià)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的可靠性，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的安全隱患和薄弱環(huán)節(jié)，從而采取有效的優(yōu)化措施，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2.1 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)演化可靠性建模分析問題

在建立無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性解析或仿真模型時(shí)，必須考慮如下的問題：首先，網(wǎng)絡(luò)入侵、攻擊策略的設(shè)計(jì)或選擇問題。在研究無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性的建模過程中，一般情況下是以一定的規(guī)則將節(jié)點(diǎn)或邊移除作為攻擊策略來觀察網(wǎng)絡(luò)性能的變化。其次，對遭受攻擊、被入侵的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)識水平的假設(shè)，目前的研究大多都是基于完美的信息，即假設(shè)攻擊者了解網(wǎng)絡(luò)的所有信息，然而在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)對抗中，攻擊者對網(wǎng)絡(luò)的整體知識是很難全面掌握的，往往只能得到一部分網(wǎng)絡(luò)的信息，而對于網(wǎng)絡(luò)中的其他部分信息只具有不確定的認(rèn)識。

2.2 量化網(wǎng)絡(luò)動態(tài)演化可靠性影響因素問題

目前，學(xué)術(shù)界一直認(rèn)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響網(wǎng)絡(luò)可靠性的主要因素。在研究中發(fā)現(xiàn)影響無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性有很多，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)僅關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)可靠性，不考慮節(jié)點(diǎn)（邊）失效的動態(tài)關(guān)聯(lián)，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境無線多跳網(wǎng)絡(luò)更應(yīng)該關(guān)注不同失效模式下網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的動態(tài)行為、網(wǎng)絡(luò)流的路由策略等，它們同樣是影響無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要因素。

2.3 網(wǎng)絡(luò)效能度量指標(biāo)制定合理性問題

如何制定合理的網(wǎng)絡(luò)功能度量指標(biāo)，才能進(jìn)一步進(jìn)行無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性評價(jià)。在對各項(xiàng)可靠性指標(biāo)研究的基礎(chǔ)上，分析指標(biāo)之間的相互關(guān)系，構(gòu)建規(guī)范、系統(tǒng)的無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性評價(jià)指標(biāo)體系。分析驗(yàn)證其完備性、系統(tǒng)性及各指標(biāo)之間的獨(dú)立性。根據(jù)確定的可靠性評價(jià)指標(biāo)體系，尤其是針對一些NP難的度量參數(shù)，設(shè)計(jì)快速有效的算法。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不斷演化發(fā)展情況下，使用無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性評價(jià)指標(biāo)，從大量的節(jié)點(diǎn)中識別出影響網(wǎng)絡(luò)可靠性的“關(guān)鍵”節(jié)點(diǎn)，綜合評價(jià)、度量其可靠性，進(jìn)而采取有效的防護(hù)措施，防止其出現(xiàn)故障，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3 無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性研究

3.1 無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性評估算法

對于一種具體的網(wǎng)絡(luò)，其在生命周期中是否可靠、可靠程度如何、如何度量等，是網(wǎng)絡(luò)可靠性研究首先要解決的問題。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對這一問題的研究成果較豐富，主要從3種典型無線多跳網(wǎng)絡(luò)形式來分別闡述。

（1）無線自組織網(wǎng)絡(luò)

在算法設(shè)計(jì)過程中，研究人員多從網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)出發(fā)，有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如針對節(jié)點(diǎn)移動、易失效等特點(diǎn)，研究人員提出擴(kuò)展圖論法、2-終端可靠法[3]等，并在此基礎(chǔ)上提出基于構(gòu)件有效可靠性的構(gòu)件式系統(tǒng)可靠性測評方法，根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)件的可靠性評估系統(tǒng)的可靠性，使測評更加合理[4]。

Cook在文獻(xiàn)[5]中提出了針對MAWN兩終端可靠性的蒙特卡羅算法，算法基于概率計(jì)算MAWN的可靠性。在后續(xù)的研究中作者又將MAWN節(jié)點(diǎn)的移動進(jìn)行建模，進(jìn)而提出考慮節(jié)點(diǎn)移動的MASN可靠性計(jì)算算法[6]。文獻(xiàn)[7]針對移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)端到端通信性能的定量評估，利用連續(xù)時(shí)間馬爾可夫鏈和M/M/1/K排隊(duì)模型，提出一個(gè)全面考慮網(wǎng)絡(luò)故障、過載和終端移動特性的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)模型，定量地給出Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可靠性的評估結(jié)果。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于節(jié)點(diǎn)移動的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可靠性計(jì)算方法，并驗(yàn)證了移動自組織網(wǎng)的可靠性不僅依賴節(jié)點(diǎn)、鏈路可靠性，還依賴于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜哂喽群凸?jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的分布。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相對特殊，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)所處的地位與具體應(yīng)用密切相關(guān)，對于節(jié)點(diǎn)重要性的評估非常重要，度量節(jié)點(diǎn)重要性算法隨之產(chǎn)生[9]。文獻(xiàn)[10]提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可靠傳輸方案。文獻(xiàn)[11]針對分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)中的故障點(diǎn)多、導(dǎo)致估計(jì)系統(tǒng)可靠性參數(shù)困難的特點(diǎn)，提出了一種基于BP三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Markov可靠性模型，降低了誤差，提高了收斂速度。文獻(xiàn)[12]針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信損耗，提出建立鄰居節(jié)點(diǎn)網(wǎng)，使鄰居節(jié)點(diǎn)可利用網(wǎng)絡(luò)代碼進(jìn)行合作，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

（3）無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

文獻(xiàn)[13]給出了一種無線Mesh網(wǎng)骨干層2-終端可靠性計(jì)算策略，主要是考慮了無線環(huán)境下節(jié)點(diǎn)故障和節(jié)點(diǎn)間鏈路故障同時(shí)存在對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響，這是一種準(zhǔn)確計(jì)算可靠性的方法；文獻(xiàn)[14]提出一種基于多徑路由的網(wǎng)絡(luò)可靠性評估方法，同時(shí)研究了與分解路由比較優(yōu)劣。為了評價(jià)無線Mesh網(wǎng)中可用路徑多樣性帶來的可靠性，何明等在文獻(xiàn)[15]將有線網(wǎng)絡(luò)可靠性算法和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模型結(jié)合，提出一種Mesh網(wǎng)終端對可靠性的計(jì)算方法。該方法能夠計(jì)算出全部鏈路和節(jié)點(diǎn)的故障率，以及基于多跳/多徑鏈路的性能計(jì)算出用戶站和基站間鏈路的總故障率。文獻(xiàn)[16]在混合自動重傳和自動重傳請求的基礎(chǔ)上，采用分層機(jī)制、Relay ARQ機(jī)制、多跳ARQ機(jī)制等，提高了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2 無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性協(xié)議研究

在可靠性協(xié)議設(shè)計(jì)方面，無線多跳網(wǎng)絡(luò)研究通常是在對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，修改或構(gòu)建新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來提高其在應(yīng)用中的魯棒性。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，無線多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于運(yùn)動狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化，為解決這難題學(xué)者提出很多卓有成效的研究成果。

（1）無線自組織網(wǎng)絡(luò)

無線自組織網(wǎng)絡(luò)主要包括四種路由協(xié)議：先驗(yàn)式和反應(yīng)式；平面和層次型；GPS輔助和非GPS輔助型；單路徑和多路徑型。在設(shè)計(jì)協(xié)議過程中，可采用單一或多種策略。

由于節(jié)點(diǎn)具有移動性，協(xié)議必須能夠有效處理節(jié)點(diǎn)移動帶來的影響，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓皶r(shí)做出反應(yīng)。針對這一現(xiàn)實(shí)要求，研究人員從協(xié)議的角度研究網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題，提出了DSDV路由算法[17]。目前，無線自組網(wǎng)可靠性計(jì)算協(xié)議僅能模糊計(jì)算，無法做到精確[18]。為增加“可靠鏈路”，文獻(xiàn)[19]提出一種節(jié)點(diǎn)部署策略。這一策略有一定的好處，當(dāng)節(jié)點(diǎn)欲部署區(qū)域人為無法到達(dá)時(shí)，該策略具有較好的適應(yīng)性。在數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面，文獻(xiàn)[20]提出了一種全新的層疊網(wǎng)絡(luò)可靠組播傳輸協(xié)議LORM，在利用周期性檢測節(jié)點(diǎn)信息的方式建立起層疊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，通過本地?cái)?shù)據(jù)丟失恢復(fù)與源節(jié)點(diǎn)協(xié)助數(shù)據(jù)恢復(fù)相結(jié)合的方式，對傳輸過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)丟失情況進(jìn)行相應(yīng)的處理，最大程度上地實(shí)現(xiàn)組播數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕O(shè)計(jì)的協(xié)議大都利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的以下特點(diǎn)：①節(jié)點(diǎn)按照數(shù)據(jù)屬性尋址，而不是IP尋址。②數(shù)據(jù)被發(fā)往網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。③節(jié)點(diǎn)性能、能量有限，需要節(jié)約這些資源[21]。融合基于簇的路由協(xié)議可較好地提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，如文獻(xiàn)[22]利用可靠性框圖（Reliability Block Diagrams，RBD）對分簇通信協(xié)議的數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行建模，將得出的網(wǎng)絡(luò)可靠性值引入簇形成機(jī)制中，提出了REECP（Reliable Energy-Efficient Cluster-based Protocol），使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期得到有效延長，減少了數(shù)據(jù)融合時(shí)的誤差傳播，進(jìn)而有效提高了基于分簇通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。文獻(xiàn)[23]提出一種分簇協(xié)作路由算法，可較好利用物理介質(zhì)的廣播優(yōu)勢以及周圍節(jié)點(diǎn)的協(xié)作優(yōu)勢，提高了網(wǎng)絡(luò)性能，增強(qiáng)了可靠性。為了減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，提高全網(wǎng)壽命及可靠性，Ocakoglu O在文獻(xiàn)[24]中提出運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法來設(shè)計(jì)評估預(yù)期的目標(biāo)，提出了一種隨機(jī)的睡眠/喚醒策略。文獻(xiàn)[25]提出一種多信道動態(tài)路徑轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，在發(fā)送數(shù)據(jù)前可預(yù)測喚醒時(shí)間，避免了因依賴長前導(dǎo)而導(dǎo)致的問題，實(shí)現(xiàn)了更低能耗并改善了延時(shí)性能。

為減少同步誤差的多跳積累，研究人員提出為網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)保存待選同步動態(tài)路徑列表，提高同步過程的可靠性[26]。也有學(xué)者從丟包率等方面測試無線網(wǎng)可靠性，對協(xié)議效果進(jìn)行分析[27]。

（3）無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

為解決在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境資源有限情況下，保證網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃?，文獻(xiàn)[28]提出了一種基于鏈路不相交技術(shù)的多路徑路由算法。該算法通過盡可能少的信息交換，獲得了較多的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，進(jìn)而在一定程度上保證了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡。文獻(xiàn)[29]提出了一種多判據(jù)加權(quán)可靠路由算法。其主要思想是在選擇路由時(shí)，綜合考慮節(jié)點(diǎn)的移動性、路徑的跳數(shù)、時(shí)延、鏈路可靠性、鏈路的失效數(shù)等性能指標(biāo)，按重要程度加權(quán)整體計(jì)算路由的權(quán)值，選擇權(quán)值最大的路徑作為傳輸路由。但該方法的計(jì)算復(fù)雜度較高。

3.3 無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性研究的最終落腳點(diǎn)是指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保應(yīng)用的安全可靠。基于此目標(biāo)，學(xué)者們從不同的角度提出了很多可靠性優(yōu)化策略，主要可以梳理為以下幾個(gè)方面：

（1）最優(yōu)化拓?fù)浞桨冈O(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、管理、可靠性等都有重要的意義，如何設(shè)計(jì)一個(gè)高效可靠的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。Hawick等人[30]應(yīng)用小世界網(wǎng)絡(luò)模型研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、容錯(cuò)和壽命問題。研究結(jié)果表明，將小世界特征引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不但使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度大大減小，而且網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的孤立簇的數(shù)目也大大減少，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋效果和可靠性都大大改善。

（2）容錯(cuò)性設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)系統(tǒng)是保證網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)部分故障的情況下，仍能正常向用戶提供有效服務(wù)。它使網(wǎng)絡(luò)具有自我保護(hù)及一定的自我修復(fù)能力，以便于管理員和維修人員采取進(jìn)一步措施。在無線多跳網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)設(shè)計(jì)中，要把握以下幾個(gè)原則：一是緊密結(jié)合應(yīng)用實(shí)際進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。不同的應(yīng)用需求，對網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性要求不同，不能一概而論，避免資源浪費(fèi)，節(jié)約成本。二是緊貼性能指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)備選型。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)從傳輸介質(zhì)、接口選用、協(xié)議設(shè)置及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選擇等方面，從穩(wěn)定性、可靠性出發(fā)，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。三是緊盯網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵部位和骨干成分，只要保證了關(guān)鍵部位的可靠性，就可能基本保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。因此在容錯(cuò)設(shè)計(jì)時(shí)，就可以一定程度上減少對容錯(cuò)的要求，進(jìn)而節(jié)約成本。

（3）冗余性設(shè)計(jì)

確保網(wǎng)絡(luò)可靠性的另一個(gè)重要的方法就是冗余設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)策略要求網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)在原有設(shè)施的基礎(chǔ)上再額外增加部分備用設(shè)備，通過增加備用機(jī)制來保障無線多跳網(wǎng)絡(luò)的可靠性。正常情況下，備用部分處于監(jiān)聽狀態(tài)，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或異常，冗余部分則根據(jù)預(yù)定規(guī)則加入網(wǎng)絡(luò)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[31]針對WSN的漏斗問題，采用分簇結(jié)構(gòu)平衡內(nèi)能耗，提出一種基于簇負(fù)載平衡冗余節(jié)點(diǎn)部署算法。該算法可以有效減少節(jié)點(diǎn)能耗，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。文獻(xiàn)[32]提出了一種基于節(jié)點(diǎn)冗余覆蓋的調(diào)度算法，通過關(guān)閉不必要的冗余節(jié)點(diǎn)和盡可能實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，有效降低了能量消耗。以上方法從不同的角度提出了相應(yīng)的冗余節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署方案，對于提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性具有重要意義。

4 發(fā)展趨勢

無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性研究將進(jìn)一步從網(wǎng)絡(luò)可靠性評估基礎(chǔ)理論研究向指導(dǎo)實(shí)際需求中網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是繼續(xù)深入研究無線多跳網(wǎng)絡(luò)可靠性檢測與評估技術(shù)。總體來看，網(wǎng)絡(luò)可靠性評估方法研究相對比較成熟，但一些具體應(yīng)用環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)可靠性評估理論仍然處于起步階段，亟待研究解決。二是研究適于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用背景下的網(wǎng)絡(luò)可靠性評價(jià)指標(biāo)體系。對于日新月異的復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可靠性評估指標(biāo)體系已不能完整覆蓋其所有特性，研究適用于新環(huán)境下的可靠性評價(jià)指標(biāo)體系意義深遠(yuǎn)。三是研究物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評估試驗(yàn)床。目前，用于各種網(wǎng)絡(luò)可靠性評估仿真的環(huán)境主要是基于NS2、MATLAB等搭建的虛擬仿真驗(yàn)證環(huán)境，缺乏與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境相仿的實(shí)體試驗(yàn)環(huán)境。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可靠性評估試驗(yàn)床研究是未來的一個(gè)重要方向。四是研制開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評估工具。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的前景十分廣闊，對于應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性評估仍處在理論研究階段，缺乏切實(shí)可用的可靠懷評估工具。

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