淺說無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定義與規(guī)避方法
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稱處于網(wǎng)格點感知區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點為相關(guān)節(jié)點，其他為不相關(guān)節(jié)點。即：{/(,)}ijijndnWRsnNij表示網(wǎng)格點相關(guān)節(jié)點的集合，N為覆蓋區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點。d(n,Wij)表示節(jié)點到網(wǎng)格點的距離，距離小于Rs的節(jié)點，放入到集合ij中。無線傳感器節(jié)點的通信模型和感知模型都是圓盤模型。以網(wǎng)格點Wij為圓心，半徑為傳感器節(jié)點感知半徑Rs的圓形區(qū)域，稱為該網(wǎng)格點的感知區(qū)域R。對于傳感器節(jié)點n1，n2，他們所覆蓋的區(qū)域分別為S1，S2，如果S1S2，則傳感器節(jié)點覆蓋相關(guān)。對處于網(wǎng)格點感知區(qū)域R內(nèi)且不參加調(diào)度的休眠節(jié)點，用X表示這些節(jié)點的集合。同時用G表示參與覆蓋任務(wù)的節(jié)點集合。為了更好的說明算法實現(xiàn)的過程，現(xiàn)將算法的具體步驟作如下描述：Step1對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行虛擬網(wǎng)格劃分，同時確定目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格點ijW的位置(x,y)?？梢哉业骄W(wǎng)格點相關(guān)節(jié)點的集合ij。Step2判斷網(wǎng)格點目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有相關(guān)節(jié)點的信任度T：若TTmin，則節(jié)點被判定為惡意節(jié)點，從網(wǎng)格點相關(guān)節(jié)點集中剔除，不參與任何調(diào)度；若TTmin,則節(jié)點被判定為活躍節(jié)點，放入活躍節(jié)點集中，活躍節(jié)點集合記為H。Step3為了保證覆蓋過程中，使用盡可能少的節(jié)點和保持更高的安全性，延長生命周期。把集合中的節(jié)點按照數(shù)量從少到多、信任度從高到底的順序放入待工作節(jié)點集合G1中。例如，首先把集合H中信任度最高的節(jié)點放入G1中，如果該節(jié)點的信任度能達(dá)到Tmax標(biāo)準(zhǔn)，則該網(wǎng)格點的待工作集合即為此節(jié)點；否則，繼續(xù)把集合H中最高的節(jié)點放入集合G1，判斷網(wǎng)格點的聯(lián)合信任度是否達(dá)到要求。依次類推，最終確定所有網(wǎng)格點的待工作節(jié)點集合G1，同時把剩余活躍節(jié)點放入待休眠集合X1中。Step4在節(jié)點選擇階段，各個待工作節(jié)點還要向感知半徑內(nèi)的所有鄰居節(jié)點廣播Pim消息（包括節(jié)點的編號，位置以及信任度）。當(dāng)收集完信息后，若判斷自己是冗余覆蓋節(jié)點，為了避免出現(xiàn)覆蓋盲點，引入了一個基于信任度的退避機(jī)制，每個待工作節(jié)點是否休眠還要等待一個隨機(jī)時間t,時間結(jié)束后才能確定是否進(jìn)入待休眠狀態(tài)。對于覆蓋相關(guān)節(jié)點n1,n2，如果他們的信任度為Tn1,Tn2,則設(shè)置定時器1(1)1max1nnntbTkTTt和(2)2max21nnntbTkTTt。其中n1t,n2t為節(jié)點的當(dāng)前時間，k為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，可以根據(jù)實際情況設(shè)定。
二、退避機(jī)制
如果(n1)(n2)tbtbTT，則工作節(jié)點的選擇以該節(jié)點的編號為準(zhǔn)。如果(n1)(n2)tbtbTT，則選擇節(jié)點信任度高的作為工作節(jié)點。所有待休眠節(jié)點確定后先不進(jìn)入休眠狀態(tài)，而是等待其覆蓋范圍內(nèi)網(wǎng)格點的信任度確定后，根據(jù)網(wǎng)格點信任度的大小，才最終決定待休眠節(jié)點是進(jìn)入休眠狀態(tài)還是重新調(diào)度成為工作節(jié)點。將最終確定休眠的節(jié)點放入休眠節(jié)點集X中，最終確定工作的節(jié)點放入節(jié)點集G中。Step5網(wǎng)格點感知區(qū)域內(nèi)的所有相關(guān)工作節(jié)點對網(wǎng)格點進(jìn)行量化處理，得到其信任度Tw。信任度TwTmax，表明網(wǎng)格點感知區(qū)域內(nèi)完成了的可信的高覆蓋度的要求，待休眠節(jié)點正式成為休眠節(jié)點。信任度TwTmax,這表明網(wǎng)格點感知區(qū)域內(nèi)的覆蓋度沒有達(dá)到信任的高覆蓋的要求，此時激活網(wǎng)格點感知區(qū)域內(nèi)信任度最高的待休眠節(jié)點成為工作節(jié)點。將該工作節(jié)點加入到網(wǎng)格點信任度的量化過程中，重新計算信任度。如果信任度達(dá)到TwTmax的標(biāo)準(zhǔn)，最終確定休眠節(jié)點和工作節(jié)點；否則，重復(fù)該過程，直到網(wǎng)格的信任度達(dá)到上述要求為止。Step6選定好工作節(jié)點，節(jié)點調(diào)度進(jìn)入第二個階段：工作階段。執(zhí)行相關(guān)監(jiān)控任務(wù)，直到該周期結(jié)束。整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期就是重復(fù)以上過程，直到該網(wǎng)絡(luò)徹底無法工作。本文所提出的算法中，首先從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的N個節(jié)點中選出信任值較高節(jié)點，然后從中選出節(jié)點參與到覆蓋M個網(wǎng)格點中去，算法的時間復(fù)雜度為(NM)。
三、討論
使用Matlab7.5作為仿真實驗平臺對其進(jìn)行實驗和分析。仿真實驗環(huán)境為監(jiān)控區(qū)域大小100m×100m，40~200個節(jié)點隨機(jī)分布在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點的感知半徑10m和通信半徑為30m。假設(shè)該算法信任度的值是文獻(xiàn)中由Ganeriwal-Srivastava提出的基于信譽(yù)的信任管理模型(RFSN)所決的。將本文提出的基于網(wǎng)格信任度的節(jié)點自適應(yīng)輪換調(diào)度算法與文獻(xiàn)中的基于信任模型的節(jié)點覆蓋調(diào)度算法以及文獻(xiàn)中的NodeSelf-Scheduling(NSS)覆蓋算法進(jìn)行性能比較。各自覆蓋率的變化。隨著時間的增加本文所提出算法的覆蓋率變化不大，達(dá)到第280輪時，覆蓋率依然能達(dá)到80%以上，而另外兩個算法都低于了80%。文獻(xiàn)未采用輪換調(diào)度算法，節(jié)點沒有很好的調(diào)度，能量消耗過快，所以導(dǎo)致了覆蓋率下降的速度最快。NodeSelf-Scheduling(NSS)覆蓋算法雖然開始時節(jié)點利用率和覆蓋率都很高，但是節(jié)點在工作過程中容易遇到突發(fā)狀況，導(dǎo)致整體的覆蓋質(zhì)量下降。本文對的覆蓋算法基于信任管理，對網(wǎng)格點的覆蓋必須達(dá)到信任閥值才能確定，所以節(jié)點在工作過程中不容易出狀況。由于對網(wǎng)格點采用的是并行覆蓋方式，就算節(jié)點出狀況，還有其他相關(guān)節(jié)點來保證覆蓋質(zhì)量。三種不同算法隨著整個網(wǎng)絡(luò)運行時間的增加，各自覆蓋區(qū)域安全程度的變化。定義節(jié)點安全行為是指不發(fā)生惡意偽裝攻擊和節(jié)點老化等問題的正確行為。從圖中可以看到，隨著時間的增加本文算法和文獻(xiàn)算法覆蓋區(qū)域的安全度并沒有多大的變化，但是本文算法的安全度更高，這是由于采用了基于網(wǎng)格信任度的聯(lián)合覆蓋機(jī)制，提高了節(jié)點發(fā)生安全行為的概率，從而要求覆蓋區(qū)域必須要有更高的安全度。經(jīng)過綜合考慮，本文提出的基于網(wǎng)格信任度的可靠覆蓋算法在保證較高的覆蓋質(zhì)量的前提下，更加的安全可靠。三種不同算法隨網(wǎng)絡(luò)運行時間，各自剩余總能量的變化。可以看出，文獻(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)壽命最短，這是由于所有節(jié)點都處于工作狀態(tài)，能量消耗過快。其他兩種節(jié)點都采用了節(jié)點輪換調(diào)度的方法，防止了能量的過快消耗。本文算法考慮了節(jié)點可能重復(fù)覆蓋的問題，從而總體的能量消耗更慢，網(wǎng)絡(luò)壽命更長。
四、結(jié)束語
在節(jié)點可信的基礎(chǔ)上，網(wǎng)格點通信范圍內(nèi)的節(jié)點對其進(jìn)行量化，以便達(dá)到高覆蓋區(qū)域信任度的要求。同時在算法中采用一種新的基于信任度的退避機(jī)制，在避免出現(xiàn)盲點和節(jié)約能量的同時，對工作節(jié)點進(jìn)行準(zhǔn)確的選擇。仿真實驗表明，基于網(wǎng)格信任度的節(jié)點自適應(yīng)輪換調(diào)度算法，不僅能夠較為精確地保證要求的覆蓋質(zhì)量，而且能夠有效地減少網(wǎng)絡(luò)通信中的出錯率，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全性。為傳感器網(wǎng)絡(luò)高可靠覆蓋技術(shù)和在信任管理框架內(nèi)的可信傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)一步研究，提供新思路和理論依據(jù)。本文針對區(qū)域覆蓋的信任管理問題，提出了一種基于網(wǎng)格信任度的節(jié)點自適應(yīng)輪換調(diào)度算法。在對信任管理框架深入了解的基礎(chǔ)上，首先提出了網(wǎng)格點信任模型。
作者：李小龍 董書豪 單位：桂林電子科技大學(xué)