论文部分内容阅读
[摘 要]随着通信、信息、网络技术的高速发展与广泛应用，人们对通信网络的依赖愈加明显，随之而来的可靠性问题日益成为用户关注的焦点领域。现代通信网络是一个复杂系统，融合了多学科领域，因此对其可靠性的研究是一项系统工程。本文基于物联网监测系统对其拓扑可靠性进行分析并优化，为偏远区域、恶劣环境下物联网监测拓扑可靠性提出动态优化策略。
[关键词]物联网；监测；可靠性设计
中图分类号：X830.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0253-01
引言
物联网系统本身是一个复杂的系统，包括了感知层、网络层、应用层以及控制层多个层次，每一层又包括若干子层，涉及若干相关技术领域。例如在感知层，不但包含了对外界感知的温度、湿度等各种传感器，而且包括RFID、二维码、视频采集终端等。涉及的技术包括了感知节点的自组网技术、数据融合技术、节点节能技术等。而物联网应用场景更是千差万别，从室内到室外，从水下到高山，从城市到乡村，甚至到南极，应用场景的差别，对其系统的可靠性提出高的要求。物联网系统的可靠性，相比较于传统的系统可靠性，它更复杂，是系统的、整体的可靠性。
1 物联网可靠性研究的层次体系
1.1 拓扑可靠性处于核心地位
拓扑可靠性并不能完全表示整个物联网的可靠性，其研究对象只关注于网络的拓扑结构，忽略了网络通信设备、路由策略、承载业务、管理效率等因素所带来的可靠性变化。拓扑层高于设备层，同时是路由层、业务层等高层可靠性的基础，在整个物联网可靠性中处于承上启下的中间环节，其影响可见一般。
物联网可靠性可分层讨论，每层均应设计相应的指标与测度方法，以完成对物联网可靠性的定量描述。因此，物联网可靠性应具备一个同向、协调、完备的指标体系。在对目前文献梳理的基础之上，可得可靠性指标体系。同时，各文献对可靠性的理解与划分具有相互重叠性，而且关于同一类指标的描述也不尽相同，新的指标也不断被提出。
1.2 拓扑可靠性指标分析
在网络拓扑可靠性的指标描述上是相通的，即在抗毁性与生存性上具有广泛共识。同时，连通度是两者的指标与测度设计的基础因素。
1.2.1 网络拓扑抗毁性
网络拓扑抗毁性主要是指在确定的网络组织结构（即网络拓扑）、预定的破坏（攻击）方案下，物联网依然能够保持全网或部分连通（物理可达）的能力。在对实际网络进行拓扑抽象之后，抗毁性指要破坏（中断）部分网络节点连接需要移除（破坏）的最少网络节点或链路（边）的数目，从而表征出破坏整个或部分物联网的困难程度。可见，抗毁性完全由网络拓扑结构所决定，是可靠性的一个确定型指标。
1.2.2 网络拓扑生存性
生存性最显著的变化是引入了网络部件的失效（故障）概率，用于刻画在随机故障或蓄意破坏之下，保持物联网整体或部分连通的概率。其建立在图论与概率论基础之上的可靠性分析，不仅受网络拓扑结构的影响，同时还依附于网络部件（设备）的故障概率与模式、网络维修与管理等因素，因此网络拓扑生存性是广义的拓扑层可靠性。
2 相关参数计算与分析
在传感网络中节点间的逻辑结构合理设计是改善网络使用效能、延长其寿命、提高可扩展性的重点。考虑到偏远区域、恶劣环境下数据信息传输的复杂性和安全性需求，本文参照文献资料设计方法采用均匀分簇星型混合分层结构保证数据均衡性融合及拓扑结构的可靠性。根据该结构相关性质和定理，可得不同层级拓扑结构的理想与实际检测面积，当层级为N的时候，列数、行数、节点数、簇头节点数、理想监测面积、实际监测面积分别为6XN-12、6XN-12、（2XN-4）2、（6XN-12）2·12、（1-a）2.（6XN-12）212和6XN-9、6XN-9、（6XN-9）2、（2XN-3）2、（6XN-9）2·12、（1-a）2-（6XN-9）212。
3 模拟与仿真分析
前面对物联网远程监测系统的可靠性进行了相关参数计算和分析，下面通过实验进一步验证系统的相关特性和关系。因为距离冗余度a是由用户自己决定的，其大小的选择对监测系统的可靠性有很大的影响，因此，本文重点通过模拟验证整个监测系统的可靠性与距离冗余度a的关系。设信息监测节点的可靠性R=0。92、簇头节点转发数据的可靠性均为Rj=0。98、簇头节点采用双冗余备份mi=2、整个监测区域中节点的距离冗余度a取值为0到1、步长为0。05、监测区域网关的可靠性Rs=0。92、信息发送和反馈主干的可靠性Rm=0。85、监控中心网关的可靠性Rr=0。92、重传时成功转化率c=0。88，重传次数k=3（实际应用时，Rs，Rm，Rr，c应比此处高很多，在此为了便于效果的观察，取较小的数值），每行总的节点数m取6，9，30，60时的监测区域的可靠性与距离冗余度a的关系如图（a）所示，整个系统（监测区域+远程系统）的可靠性与距离冗余度a的关系如图（b）所示。
（1）从图（a）可以得出如下结论：随着m的增大，达到最优配置的a将减小；但同时，随着m的增大，当a接近1时，可靠性降低。这是因为随着m的增大，监测区域内的簇头节点将增多，簇头节点总的可靠性将下降，所以出现如图（a）所示的情况。因此，在选取a大小时，要进行折中考虑。
（2）（2）从图（a）和图b）对比可以得出如下结论：当m取相同值时，由于采取了3次重传机制，在rs，rm，rr，c的取值较低时，整个系统的可靠性也不会降低很大。因此，重传对于提高主干传输的可靠性具有明显效果。
經过模拟与仿真实验发现，当剩余2个簇头节点时，物联网监测拓扑结构的可靠性由于失效的簇头节点基本对其安全性无影响：当剩余1个簇头节点时，物联网监测拓扑结构的可靠性会成像整体下降趋势，但是下降幅度并不大；只有当所有簇头节点均失效时，物联网监测拓扑结构的可靠性才会下降为零。但采用簇头节点冗余处理能够有效避免此种情况发生，进而为物联网监测系统的安全性提供保证，即使是在偏远、信号较差的区域也能充分发挥其应用价值。
4 结语
物联网监测系统的深化研究和应用为各个领域均带来了不估量的积极作用，在安全性、便捷性、实时性方面该监测系统存有其它类型监测系统难以比拟的优势。本文将偏远、环境恶劣、信号较差区域的物联网监测拓扑结构可靠性进行分析及优化设计，通过对族头节点采取处理极大提高其安全性，确拓扑层级与理想和实际监测面积的关系，并对传感器和协调器可靠性进行量化分析，为物联网监测拓扑的可靠性设计及优化提供一种可行方案。但是此方法仅适用于边界规则，大面积正方形结构区域，如何采用合理手段对带拐角形状或不规则结构的监测区域拓扑结构的可靠性设计与优化应该成为下一步可靠性量化分析研究的重点。
参考文献
[1] 李海华，范娟，陈利.网格法在无线传感器网络部署中的应用.传感器与微系统，2012，31（3）：150-152.
[2] 田立勤，林闯，张琪，等.物联网监测拓扑可靠性设计与优化优化分析[J].软件学报，2014，08：1625-1639.
[关键词]物联网；监测；可靠性设计
中图分类号：X830.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0253-01
引言
物联网系统本身是一个复杂的系统，包括了感知层、网络层、应用层以及控制层多个层次，每一层又包括若干子层，涉及若干相关技术领域。例如在感知层，不但包含了对外界感知的温度、湿度等各种传感器，而且包括RFID、二维码、视频采集终端等。涉及的技术包括了感知节点的自组网技术、数据融合技术、节点节能技术等。而物联网应用场景更是千差万别，从室内到室外，从水下到高山，从城市到乡村，甚至到南极，应用场景的差别，对其系统的可靠性提出高的要求。物联网系统的可靠性，相比较于传统的系统可靠性，它更复杂，是系统的、整体的可靠性。
1 物联网可靠性研究的层次体系
1.1 拓扑可靠性处于核心地位
拓扑可靠性并不能完全表示整个物联网的可靠性，其研究对象只关注于网络的拓扑结构，忽略了网络通信设备、路由策略、承载业务、管理效率等因素所带来的可靠性变化。拓扑层高于设备层，同时是路由层、业务层等高层可靠性的基础，在整个物联网可靠性中处于承上启下的中间环节，其影响可见一般。
物联网可靠性可分层讨论，每层均应设计相应的指标与测度方法，以完成对物联网可靠性的定量描述。因此，物联网可靠性应具备一个同向、协调、完备的指标体系。在对目前文献梳理的基础之上，可得可靠性指标体系。同时，各文献对可靠性的理解与划分具有相互重叠性，而且关于同一类指标的描述也不尽相同，新的指标也不断被提出。
1.2 拓扑可靠性指标分析
在网络拓扑可靠性的指标描述上是相通的，即在抗毁性与生存性上具有广泛共识。同时，连通度是两者的指标与测度设计的基础因素。
1.2.1 网络拓扑抗毁性
网络拓扑抗毁性主要是指在确定的网络组织结构（即网络拓扑）、预定的破坏（攻击）方案下，物联网依然能够保持全网或部分连通（物理可达）的能力。在对实际网络进行拓扑抽象之后，抗毁性指要破坏（中断）部分网络节点连接需要移除（破坏）的最少网络节点或链路（边）的数目，从而表征出破坏整个或部分物联网的困难程度。可见，抗毁性完全由网络拓扑结构所决定，是可靠性的一个确定型指标。
1.2.2 网络拓扑生存性
生存性最显著的变化是引入了网络部件的失效（故障）概率，用于刻画在随机故障或蓄意破坏之下，保持物联网整体或部分连通的概率。其建立在图论与概率论基础之上的可靠性分析，不仅受网络拓扑结构的影响，同时还依附于网络部件（设备）的故障概率与模式、网络维修与管理等因素，因此网络拓扑生存性是广义的拓扑层可靠性。
2 相关参数计算与分析
在传感网络中节点间的逻辑结构合理设计是改善网络使用效能、延长其寿命、提高可扩展性的重点。考虑到偏远区域、恶劣环境下数据信息传输的复杂性和安全性需求，本文参照文献资料设计方法采用均匀分簇星型混合分层结构保证数据均衡性融合及拓扑结构的可靠性。根据该结构相关性质和定理，可得不同层级拓扑结构的理想与实际检测面积，当层级为N的时候，列数、行数、节点数、簇头节点数、理想监测面积、实际监测面积分别为6XN-12、6XN-12、（2XN-4）2、（6XN-12）2·12、（1-a）2.（6XN-12）212和6XN-9、6XN-9、（6XN-9）2、（2XN-3）2、（6XN-9）2·12、（1-a）2-（6XN-9）212。
3 模拟与仿真分析
前面对物联网远程监测系统的可靠性进行了相关参数计算和分析，下面通过实验进一步验证系统的相关特性和关系。因为距离冗余度a是由用户自己决定的，其大小的选择对监测系统的可靠性有很大的影响，因此，本文重点通过模拟验证整个监测系统的可靠性与距离冗余度a的关系。设信息监测节点的可靠性R=0。92、簇头节点转发数据的可靠性均为Rj=0。98、簇头节点采用双冗余备份mi=2、整个监测区域中节点的距离冗余度a取值为0到1、步长为0。05、监测区域网关的可靠性Rs=0。92、信息发送和反馈主干的可靠性Rm=0。85、监控中心网关的可靠性Rr=0。92、重传时成功转化率c=0。88，重传次数k=3（实际应用时，Rs，Rm，Rr，c应比此处高很多，在此为了便于效果的观察，取较小的数值），每行总的节点数m取6，9，30，60时的监测区域的可靠性与距离冗余度a的关系如图（a）所示，整个系统（监测区域+远程系统）的可靠性与距离冗余度a的关系如图（b）所示。
（1）从图（a）可以得出如下结论：随着m的增大，达到最优配置的a将减小；但同时，随着m的增大，当a接近1时，可靠性降低。这是因为随着m的增大，监测区域内的簇头节点将增多，簇头节点总的可靠性将下降，所以出现如图（a）所示的情况。因此，在选取a大小时，要进行折中考虑。
（2）（2）从图（a）和图b）对比可以得出如下结论：当m取相同值时，由于采取了3次重传机制，在rs，rm，rr，c的取值较低时，整个系统的可靠性也不会降低很大。因此，重传对于提高主干传输的可靠性具有明显效果。
經过模拟与仿真实验发现，当剩余2个簇头节点时，物联网监测拓扑结构的可靠性由于失效的簇头节点基本对其安全性无影响：当剩余1个簇头节点时，物联网监测拓扑结构的可靠性会成像整体下降趋势，但是下降幅度并不大；只有当所有簇头节点均失效时，物联网监测拓扑结构的可靠性才会下降为零。但采用簇头节点冗余处理能够有效避免此种情况发生，进而为物联网监测系统的安全性提供保证，即使是在偏远、信号较差的区域也能充分发挥其应用价值。
4 结语
物联网监测系统的深化研究和应用为各个领域均带来了不估量的积极作用，在安全性、便捷性、实时性方面该监测系统存有其它类型监测系统难以比拟的优势。本文将偏远、环境恶劣、信号较差区域的物联网监测拓扑结构可靠性进行分析及优化设计，通过对族头节点采取处理极大提高其安全性，确拓扑层级与理想和实际监测面积的关系，并对传感器和协调器可靠性进行量化分析，为物联网监测拓扑的可靠性设计及优化提供一种可行方案。但是此方法仅适用于边界规则，大面积正方形结构区域，如何采用合理手段对带拐角形状或不规则结构的监测区域拓扑结构的可靠性设计与优化应该成为下一步可靠性量化分析研究的重点。
参考文献
[1] 李海华，范娟，陈利.网格法在无线传感器网络部署中的应用.传感器与微系统，2012，31（3）：150-152.
[2] 田立勤，林闯，张琪，等.物联网监测拓扑可靠性设计与优化优化分析[J].软件学报，2014，08：1625-1639.