浅说无线传感网络的定义与规避方法

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一、无线传感的定义

称处于网格点感知区域内的传感器节点为相关节点，其他为不相关节点。即：{/(,)}ijijndnWRsnNij表示网格点相关节点的集合，N为覆盖区域内所有节点。d(n,Wij)表示节点到网格点的距离，距离小于Rs的节点，放入到集合ij中。无线传感器节点的通信模型和感知模型都是圆盘模型。以网格点Wij为圆心，半径为传感器节点感知半径Rs的圆形区域，称为该网格点的感知区域R。对于传感器节点n1，n2，他们所覆盖的区域分别为S1，S2，如果S1S2，则传感器节点覆盖相关。对处于网格点感知区域R内且不参加调度的休眠节点，用X表示这些节点的集合。同时用G表示参与覆盖任务的节点集合。为了更好的说明算法实现的过程，现将算法的具体步骤作如下描述：Step1对目标区域进行虚拟网格划分，同时确定目标区域内所有网格点ijW的位置(x,y)。可以找到网格点相关节点的集合ij。Step2判断网格点目标区域内所有相关节点的信任度T：若TTmin，则节点被判定为恶意节点，从网格点相关节点集中剔除，不参与任何调度；若TTmin,则节点被判定为活跃节点，放入活跃节点集中，活跃节点集合记为H。Step3为了保证覆盖过程中，使用尽可能少的节点和保持更高的安全性，延长生命周期。把集合中的节点按照数量从少到多、信任度从高到底的顺序放入待工作节点集合G1中。例如，首先把集合H中信任度最高的节点放入G1中，如果该节点的信任度能达到Tmax标准，则该网格点的待工作集合即为此节点；否则，继续把集合H中最高的节点放入集合G1，判断网格点的联合信任度是否达到要求。依次类推，最终确定所有网格点的待工作节点集合G1，同时把剩余活跃节点放入待休眠集合X1中。Step4在节点选择阶段，各个待工作节点还要向感知半径内的所有邻居节点广播Pim消息（包括节点的编号，位置以及信任度）。当收集完信息后，若判断自己是冗余覆盖节点，为了避免出现覆盖盲点，引入了一个基于信任度的退避机制，每个待工作节点是否休眠还要等待一个随机时间t,时间结束后才能确定是否进入待休眠状态。对于覆盖相关节点n1,n2，如果他们的信任度为Tn1,Tn2,则设置定时器1(1)1max1nnntbTkTTt和(2)2max21nnntbTkTTt。其中n1t,n2t为节点的当前时间，k为系统的调节参数，可以根据实际情况设定。

二、退避机制

如果(n1)(n2)tbtbTT，则工作节点的选择以该节点的编号为准。如果(n1)(n2)tbtbTT，则选择节点信任度高的作为工作节点。所有待休眠节点确定后先不进入休眠状态，而是等待其覆盖范围内网格点的信任度确定后，根据网格点信任度的大小，才最终决定待休眠节点是进入休眠状态还是重新调度成为工作节点。将最终确定休眠的节点放入休眠节点集X中，最终确定工作的节点放入节点集G中。Step5网格点感知区域内的所有相关工作节点对网格点进行量化处理，得到其信任度Tw。信任度TwTmax，表明网格点感知区域内完成了的可信的高覆盖度的要求，待休眠节点正式成为休眠节点。信任度TwTmax,这表明网格点感知区域内的覆盖度没有达到信任的高覆盖的要求，此时激活网格点感知区域内信任度最高的待休眠节点成为工作节点。将该工作节点加入到网格点信任度的量化过程中，重新计算信任度。如果信任度达到TwTmax的标准，最终确定休眠节点和工作节点；否则，重复该过程，直到网格的信任度达到上述要求为止。Step6选定好工作节点，节点调度进入第二个阶段：工作阶段。执行相关监控任务，直到该周期结束。整个网络的生存周期就是重复以上过程，直到该网络彻底无法工作。本文所提出的算法中，首先从网络内的N个节点中选出信任值较高节点，然后从中选出节点参与到覆盖M个网格点中去，算法的时间复杂度为(NM)。

三、讨论

使用Matlab7.5作为仿真实验平台对其进行实验和分析。仿真实验环境为监控区域大小100m×100m，40~200个节点随机分布在目标区域内，节点的感知半径10m和通信半径为30m。假设该算法信任度的值是文献中由Ganeriwal-Srivastava提出的基于信誉的信任管理模型(RFSN)所决的。将本文提出的基于网格信任度的节点自适应轮换调度算法与文献中的基于信任模型的节点覆盖调度算法以及文献中的NodeSelf-Scheduling(NSS)覆盖算法进行性能比较。各自覆盖率的变化。随着时间的增加本文所提出算法的覆盖率变化不大，达到第280轮时，覆盖率依然能达到80%以上，而另外两个算法都低于了80%。文献未采用轮换调度算法，节点没有很好的调度，能量消耗过快，所以导致了覆盖率下降的速度最快。NodeSelf-Scheduling(NSS)覆盖算法虽然开始时节点利用率和覆盖率都很高，但是节点在工作过程中容易遇到突发状况，导致整体的覆盖质量下降。本文对的覆盖算法基于信任管理，对网格点的覆盖必须达到信任阀值才能确定，所以节点在工作过程中不容易出状况。由于对网格点采用的是并行覆盖方式，就算节点出状况，还有其他相关节点来保证覆盖质量。三种不同算法随着整个网络运行时间的增加，各自覆盖区域安全程度的变化。定义节点安全行为是指不发生恶意伪装攻击和节点老化等问题的正确行为。从图中可以看到，随着时间的增加本文算法和文献算法覆盖区域的安全度并没有多大的变化，但是本文算法的安全度更高，这是由于采用了基于网格信任度的联合覆盖机制，提高了节点发生安全行为的概率，从而要求覆盖区域必须要有更高的安全度。经过综合考虑，本文提出的基于网格信任度的可靠覆盖算法在保证较高的覆盖质量的前提下，更加的安全可靠。三种不同算法随网络运行时间，各自剩余总能量的变化。可以看出，文献的网络寿命最短，这是由于所有节点都处于工作状态，能量消耗过快。其他两种节点都采用了节点轮换调度的方法，防止了能量的过快消耗。本文算法考虑了节点可能重复覆盖的问题，从而总体的能量消耗更慢，网络寿命更长。

四、结束语

在节点可信的基础上，网格点通信范围内的节点对其进行量化，以便达到高覆盖区域信任度的要求。同时在算法中采用一种新的基于信任度的退避机制，在避免出现盲点和节约能量的同时，对工作节点进行准确的选择。仿真实验表明，基于网格信任度的节点自适应轮换调度算法，不仅能够较为精确地保证要求的覆盖质量，而且能够有效地减少网络通信中的出错率，实现了网络环境的安全性。为传感器网络高可靠覆盖技术和在信任管理框架内的可信传感器网络技术进一步研究，提供新思路和理论依据。本文针对区域覆盖的信任管理问题，提出了一种基于网格信任度的节点自适应轮换调度算法。在对信任管理框架深入了解的基础上，首先提出了网格点信任模型。

作者：李小龙 董书豪 单位：桂林电子科技大学