物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性保障機(jī)制與量化分析

俞文杰 童英華 田立勤

摘 要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不可靠性，從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感知層的傳感器節(jié)點(diǎn)到傳輸主干部分，分別對(duì)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(cè)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(duì)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(shí)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(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的能量消耗也最少，減少了每個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的流量，增加了系統(tǒng)的生存時(shí)間。同時(shí)對(duì)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(duì)匯聚層傳輸主干采用1+1保護(hù)方式，以確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸主干的可靠性，最后給出了整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性量化公式。同時(shí)，所得出的相關(guān)理論對(duì)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(jià)值。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）07-00-06

0 引 言

對(duì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的可靠性是指物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在業(yè)務(wù)量增消變化的運(yùn)行過(guò)程中，在各種破壞因素共存的條件下，對(duì)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(cè)系統(tǒng)不可靠的原因多種多樣，除了共因外，對(duì)于不同的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)不可靠的共因如下：

（1）設(shè)備部分：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中感知部分的傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，傳感器監(jiān)測(cè)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(duì)傳輸鏈路的帶寬要求較高。造成物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可靠的原因是多方面的，包括監(jiān)測(cè)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(chǔ)出現(xiàn)差錯(cuò)，監(jiān)測(cè)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(wèn)題及傳輸線路被破壞等。監(jiān)測(cè)供電設(shè)備中斷、監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)的干擾，及人為故意或無(wú)意破壞等均會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可靠。

已有研究通過(guò)不同的部署方式實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)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(jí)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中檢測(cè)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(duì)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)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(jì)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(cuò)方式下，無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可靠性的計(jì)算公式，并對(duì)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(píng)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(shí)間[8]。聶晨華等提出利用動(dòng)態(tài)故障樹(shù)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(guò)不交和運(yùn)算來(lái)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的可靠性表達(dá)式來(lái)快速計(jì)算可靠性的算法[10]。目前還沒(méi)有針對(duì)系統(tǒng)的完整保障可靠性的機(jī)制，考慮將整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾部分，再通過(guò)對(duì)各部分可靠性的分步量化計(jì)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(cè)系統(tǒng)的整體可靠性。

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

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)處理系統(tǒng)。這三部分分別完成物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(píng)估以及對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)等功能。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的感知層指監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是由位于目標(biāo)檢測(cè)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(guò)無(wú)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(dòng)信號(hào)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(cè)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)常見(jiàn)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(guò)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(wú)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(shí)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(dòng)信號(hào)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(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)通過(guò)3G/4G/衛(wèi)星傳輸?shù)椒?wù)器端，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)在無(wú)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(shí)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(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)、數(shù)據(jù)查詢(xún)、挖掘、評(píng)估和對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)。

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

2.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域網(wǎng)格部署方法的比較

無(wú)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(jiàn)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(lái)劃分監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，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(duì)于長(zhǎng)距離傳送，優(yōu)勢(shì)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知半徑為RS，與正六邊形的邊長(zhǎng)L相等，單個(gè)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(guò)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(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的能量消耗也最少。同時(shí)減少了每個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的流量，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的生命周期。

2.2 監(jiān)測(cè)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(cè)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)由于通信信號(hào)弱、基礎(chǔ)環(huán)境惡劣等問(wèn)題會(huì)引起節(jié)點(diǎn)失效，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不可靠。為確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，需要在監(jiān)測(cè)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(duì)其需要監(jiān)測(cè)的部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(shí)冗余覆蓋面積的不同，部署方法亦不同。假設(shè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知半徑為rS，圖5（a）為一個(gè)監(jiān)測(cè)單元中傳感器節(jié)點(diǎn)感知面積相切的情況，此時(shí)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(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)無(wú)法被采集，可靠性較低。

傳感器節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)區(qū)域全覆蓋，此時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)盲區(qū)，監(jiān)測(cè)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(cè)區(qū)域的全覆蓋，如圖5（c）所示。

對(duì)于圖5（b）所示的節(jié)點(diǎn)部署情況，單個(gè)監(jiān)測(cè)單元的最大監(jiān)測(cè)距離為6rS，所形成的正六邊形邊長(zhǎng)，但根據(jù)圖5（d）所示連續(xù)兩個(gè)監(jiān)測(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)區(qū)域，有效減少監(jiān)測(cè)的盲區(qū)。

監(jiān)測(cè)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(cè)面。在圖5（c）中，一個(gè)基本監(jiān)測(cè)面可監(jiān)測(cè)的距離為4rS，圖5（e）中，兩個(gè)基本監(jiān)測(cè)面可監(jiān)測(cè)的最大距離為6rS，當(dāng)i個(gè)基本監(jiān)測(cè)面依次排列好后，最中間每橫排共有個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)2i+1，將距離分為均勻的2i+2份，每一份長(zhǎng)度為傳感器的感知半徑rS，部署單個(gè)基本監(jiān)測(cè)面可監(jiān)測(cè)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(gè)簇形成的監(jiān)測(cè)區(qū)域的面積Si為：

證明：一個(gè)基本監(jiān)測(cè)面中的節(jié)點(diǎn)是一個(gè)簇結(jié)構(gòu)，如圖6（a）所示，在簇外畫(huà)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(gè)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(gè)基本監(jiān)測(cè)面的監(jiān)測(cè)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(zhǎng)為lS=k+rS，其中，正六邊形面積為：

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

由于每?jī)蓚€(gè)相交圓與外切線之間會(huì)有一個(gè)g區(qū)域，而每個(gè)角落上的圓與外切線會(huì)形成一個(gè)f區(qū)域，當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域由i個(gè)簇組成時(shí)，仍有6個(gè)角，因此f區(qū)域?yàn)?個(gè)，而每個(gè)監(jiān)測(cè)面的第一個(gè)橫排共有2i個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，于是整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域共有4+2×（2i-1）個(gè)g區(qū)域。與監(jiān)測(cè)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(lèi)型：

（1）自由節(jié)點(diǎn)：這一類(lèi)節(jié)點(diǎn)失效后對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)覆蓋無(wú)影響。

（2）制約節(jié)點(diǎn)對(duì)：將中間一排兩個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)間的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為制約節(jié)點(diǎn)對(duì)。

（3）角節(jié)點(diǎn)：將監(jiān)測(cè)區(qū)域中四個(gè)角上的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)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(chēng)為邊節(jié)點(diǎn)。

在中間一排，兩個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)間的任何一個(gè)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(gè)去掉，對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的覆蓋來(lái)說(shuō)都沒(méi)有影響。

由此可知每?jī)蓚€(gè)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(gè)數(shù)與簇個(gè)數(shù)i之間存在關(guān)系：

量化分析不同類(lèi)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(gè)基本監(jiān)測(cè)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(gè)監(jiān)測(cè)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(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)共同覆蓋的區(qū)域認(rèn)為是1覆蓋。通過(guò)制約節(jié)點(diǎn)對(duì)、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(cè)系統(tǒng)的可靠性分析

3.1 監(jiān)測(cè)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(cè)區(qū)域的傳感器感知節(jié)點(diǎn)采用無(wú)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(jí)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(guò)的節(jié)點(diǎn)個(gè)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(cè)系統(tǒng)中，冗余設(shè)備同時(shí)運(yùn)行的情況下，只要有一個(gè)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(shí)才切換，一旦切換出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中斷。

假設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多級(jí)簇頭的傳輸部分可靠性為R，每個(gè)設(shè)備的可靠性為Ri。對(duì)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(gè)正六邊形區(qū)域的中心位置，監(jiān)測(cè)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(gè)，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(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性為Rj，不可靠性為，一個(gè)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(gè)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(guò)預(yù)期投資費(fèi)用，那么這樣的冗余便沒(méi)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(gè)最優(yōu)解。

3.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸主干可靠性分析

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在感知層采集到數(shù)據(jù)通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚后傳送給Sink節(jié)點(diǎn)，之后通過(guò)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(cè)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(lèi)不盡相同，通訊環(huán)境各不相同，傳輸時(shí)通訊信號(hào)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(duì)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(shí)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(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)切換到備用設(shè)備B并成功傳輸?shù)目煽啃裕瑸閏×（1-Ra）×Rb，二者之和就是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸主干的可靠性R1+1，計(jì)算公式：

3.3 整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性分析

整個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)傳輸主干可靠性。

這幾個(gè)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(guò)鏈路1傳輸?shù)竭_(dá)簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性R1就是4個(gè)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(guò)鏈路2傳輸?shù)竭_(dá)簇頭節(jié)點(diǎn)的可靠性R2就是5個(gè)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(guò)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(guò)節(jié)點(diǎn)少的鏈路1的可靠性較鏈路2高。

假設(shè)每個(gè)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(guò)傳感器的個(gè)數(shù)成反比，對(duì)于簇頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置相對(duì)合適標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)值，傳感器節(jié)點(diǎn)每經(jīng)過(guò)一個(gè)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(shí)，如果wk>W，則認(rèn)為該信息不可靠，選擇丟棄。同時(shí)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(shí)，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(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)量為kj=2，進(jìn)行雙倍冗余時(shí)，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(shí)，整體的可靠性趨近于1。然而并非冗余的個(gè)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(zhǎng)，可靠性保持平穩(wěn)，所以選擇雙倍冗余既可提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，又可避免費(fèi)用過(guò)快增長(zhǎng)，如圖11所示。

假設(shè)監(jiān)測(cè)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(shí)，傳輸主干部分可靠性由公式R1+1=Ra+c×（1-Ra）×Rb計(jì)算可得：R1+1=0.98=0.96×（1-0.98）×0.96=0.998，可見(jiàn)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(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性決定了監(jiān)測(cè)區(qū)域信息的準(zhǔn)確性和服務(wù)質(zhì)量，本文通過(guò)量化分析建議物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)區(qū)域的全覆蓋，避免監(jiān)測(cè)盲區(qū)的出現(xiàn)，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)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(cè)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(lái)研究物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，未來(lái)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)。

參考文獻(xiàn)

[1]李維，苗勇，湯業(yè)偉，等.物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可靠性檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)[J].軟件，2012，33（4）：1-4.

[2] LIAQAT M，JAVAID N，Akbar M，et al. HEX clustering protocol for routing in wireless sensor network[C]// IEEE，International conference on advanced information networking and applications. IEEE，2014：549-554.

[3] BAI X，XUAN D，YUN Z，et al. Complete optimal deployment patterns for full-coverage and k-connectivity（k≤6）wireless sensor networks[C]//ACM Interational symposium on mobile ad hoc networking and computing，Mobihoc 2008，HongKong，China，May. DBLP，2008：401-410.

[4]田立勤，林闖，張琪，等.物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)拓?fù)淇煽啃栽O(shè)計(jì)與優(yōu)化分析[J].軟件學(xué)報(bào)，2014，25（8）：1625-1639.

[5]劉睿瓊.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于分簇結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)匯集與優(yōu)化[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[6] XING L，LI H，MICHEL H E. Fault-tolerance and reliability analysis for wireless sensor network[J].International journal of performability engineering，2009，5（5）：419-431.

[7]李建平，王曉凱.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2016，36（2）：69-72.

[8] WANG C，XING L，VOKKARANE V M，et al. Reliability and lifetime modeling of wireless sensor nodes[J]. Microelectronics Reliability，2014，54（1）：160-166.

[9]聶晨華，高西，董榮勝.可修復(fù)節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性符號(hào)計(jì)算[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2015（8）：2033-2039.

[10]徐雪鑫，梁家榮，宋小天.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)失效的可靠性研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，28（6）：95-99.