无线多跳网络可靠性评估方法研究

邹青丙 ，何 明 ，3，王 琰 ，雷冬青

1.解放军理工大学 指挥信息系统学院，南京 210007

2.解放军理工大学 通信工程学院，南京 210007

3.解放军第61研究所，北京 710004

4.南京军区 司令部作战指挥综合保障室，南京 210007

1 引言

无线多跳网络采用分布式、自组织的思想构建网络，每个网络节点都具备路由功能，为其他节点的数据传输提供路由和中继服务。其研究起源于20世纪70年代，最早应用于军方的战场监测及预警领域[1]。随着物联网在应急救援等领域应用的不断深入，对无线多跳网络可靠性的要求不断提高。但是，由于无线多跳网络中节点间通信由无线链路承载，而噪声、衰减、干扰等因素影响着无线通信效率。同时，无线链路的容量相对有线网络要低很多，稳定性差。网络拓扑由于受节点的失效、新节点的加入和无线环境的变化的影响而处于动态变化。这些问题会造成网络不可靠，已经制约了无线多跳网络的发展[2]。

本文对近年来相关研究成果归为3类进行了分析：（1）无线多跳网络可靠性评估算法研究，主要从对网络可靠性量化的角度，根据相关的可靠性评价指标研究具体网络可靠性的度量算法；（2）无线多跳网络可靠性协议，从协议层面研究提高网络可靠性的网络协议；（3）无线多跳网络可靠性设计研究，是从组网的角度研究部署无线多跳网络的最优化策略。

2 科学问题的提出

无线多跳网络可靠性研究的目的就是为了正确地分析评价无线多跳网络的可靠性，发现网络中的安全隐患和薄弱环节，从而采取有效的优化措施，提高网络的可靠性。

2.1 网络动态演化可靠性建模分析问题

在建立无线多跳网络可靠性解析或仿真模型时，必须考虑如下的问题：首先，网络入侵、攻击策略的设计或选择问题。在研究无线多跳网络可靠性的建模过程中，一般情况下是以一定的规则将节点或边移除作为攻击策略来观察网络性能的变化。其次，对遭受攻击、被入侵的网络认识水平的假设，目前的研究大多都是基于完美的信息，即假设攻击者了解网络的所有信息，然而在实际网络对抗中，攻击者对网络的整体知识是很难全面掌握的，往往只能得到一部分网络的信息，而对于网络中的其他部分信息只具有不确定的认识。

2.2 量化网络动态演化可靠性影响因素问题

目前，学术界一直认为拓扑结构是影响网络可靠性的主要因素。在研究中发现影响无线多跳网络可靠性有很多，从网络拓扑结构出发仅关注的是网络的静态可靠性，不考虑节点（边）失效的动态关联，在物联网环境无线多跳网络更应该关注不同失效模式下网络中节点的动态行为、网络流的路由策略等，它们同样是影响无线多跳网络可靠性的重要因素。

2.3 网络效能度量指标制定合理性问题

如何制定合理的网络功能度量指标，才能进一步进行无线多跳网络可靠性评价。在对各项可靠性指标研究的基础上，分析指标之间的相互关系，构建规范、系统的无线多跳网络可靠性评价指标体系。分析验证其完备性、系统性及各指标之间的独立性。根据确定的可靠性评价指标体系，尤其是针对一些NP难的度量参数，设计快速有效的算法。在网络系统不断演化发展情况下，使用无线多跳网络可靠性评价指标，从大量的节点中识别出影响网络可靠性的“关键”节点，综合评价、度量其可靠性，进而采取有效的防护措施，防止其出现故障，提高整个网络的可靠性。

3 无线多跳网络可靠性研究

3.1 无线多跳网络可靠性评估算法

对于一种具体的网络，其在生命周期中是否可靠、可靠程度如何、如何度量等，是网络可靠性研究首先要解决的问题。目前，国内外学者针对这一问题的研究成果较丰富，主要从3种典型无线多跳网络形式来分别阐述。

（1）无线自组织网络

在算法设计过程中，研究人员多从网络特点出发，有针对性地进行设计。例如针对节点移动、易失效等特点，研究人员提出扩展图论法、2-终端可靠法[3]等，并在此基础上提出基于构件有效可靠性的构件式系统可靠性测评方法，根据系统构件的可靠性评估系统的可靠性，使测评更加合理[4]。

Cook在文献[5]中提出了针对MAWN两终端可靠性的蒙特卡罗算法，算法基于概率计算MAWN的可靠性。在后续的研究中作者又将MAWN节点的移动进行建模，进而提出考虑节点移动的MASN可靠性计算算法[6]。文献[7]针对移动Ad Hoc网络端到端通信性能的定量评估，利用连续时间马尔可夫链和M/M/1/K排队模型，提出一个全面考虑网络故障、过载和终端移动特性的复合网络模型，定量地给出Ad Hoc网络可靠性的评估结果。文献[8]提出了一种基于节点移动的Ad Hoc网络可靠性计算方法，并验证了移动自组织网的可靠性不仅依赖节点、链路可靠性，还依赖于网络拓扑的冗余度和节点在网络中的分布。

（2）无线传感器网络

无线传感器网络应用相对特殊，网络中各节点所处的地位与具体应用密切相关，对于节点重要性的评估非常重要，度量节点重要性算法随之产生[9]。文献[10]提出一种无线传感器网络中基于网络编码的可靠传输方案。文献[11]针对分布式传感器网络中的故障点多、导致估计系统可靠性参数困难的特点，提出了一种基于BP三层神经网络的Markov可靠性模型，降低了误差，提高了收敛速度。文献[12]针对网络节点间的通信损耗，提出建立邻居节点网，使邻居节点可利用网络代码进行合作，提高网络的可靠性。

（3）无线Mesh网络

文献[13]给出了一种无线Mesh网骨干层2-终端可靠性计算策略，主要是考虑了无线环境下节点故障和节点间链路故障同时存在对网络可靠性的影响，这是一种准确计算可靠性的方法；文献[14]提出一种基于多径路由的网络可靠性评估方法，同时研究了与分解路由比较优劣。为了评价无线Mesh网中可用路径多样性带来的可靠性，何明等在文献[15]将有线网络可靠性算法和无线网络传输模型结合，提出一种Mesh网终端对可靠性的计算方法。该方法能够计算出全部链路和节点的故障率，以及基于多跳/多径链路的性能计算出用户站和基站间链路的总故障率。文献[16]在混合自动重传和自动重传请求的基础上，采用分层机制、Relay ARQ机制、多跳ARQ机制等，提高了无线Mesh网络数据传输的可靠性。

3.2 无线多跳网络可靠性协议研究

在可靠性协议设计方面，无线多跳网络研究通常是在对传统网络研究的基础上，修改或构建新的网络协议来提高其在应用中的鲁棒性。与传统网络相比，无线多跳网络节点处于运动状态，网络拓扑结构动态变化，为解决这难题学者提出很多卓有成效的研究成果。

（1）无线自组织网络

无线自组织网络主要包括四种路由协议：先验式和反应式；平面和层次型；GPS辅助和非GPS辅助型；单路径和多路径型。在设计协议过程中，可采用单一或多种策略。

由于节点具有移动性，协议必须能够有效处理节点移动带来的影响，能够对网络拓扑的变化及时做出反应。针对这一现实要求，研究人员从协议的角度研究网络设计问题，提出了DSDV路由算法[17]。目前，无线自组网可靠性计算协议仅能模糊计算，无法做到精确[18]。为增加“可靠链路”，文献[19]提出一种节点部署策略。这一策略有一定的好处，当节点欲部署区域人为无法到达时，该策略具有较好的适应性。在数据传输可靠性方面，文献[20]提出了一种全新的层叠网络可靠组播传输协议LORM，在利用周期性检测节点信息的方式建立起层叠网络拓扑的基础上，通过本地数据丢失恢复与源节点协助数据恢复相结合的方式，对传输过程中产生的各种数据丢失情况进行相应的处理，最大程度上地实现组播数据的可靠传输。

（2）无线传感器网络

为实现数据传输的可靠性，所设计的协议大都利用无线传感器网络的以下特点：①节点按照数据属性寻址，而不是IP寻址。②数据被发往网关节点。③节点性能、能量有限，需要节约这些资源[21]。融合基于簇的路由协议可较好地提高网络可靠性，如文献[22]利用可靠性框图（Reliability Block Diagrams，RBD）对分簇通信协议的数据可靠性进行建模，将得出的网络可靠性值引入簇形成机制中，提出了REECP（Reliable Energy-Efficient Cluster-based Protocol），使无线传感器网络生命周期得到有效延长，减少了数据融合时的误差传播，进而有效提高了基于分簇通信协议的无线传感器网络的可靠性。文献[23]提出一种分簇协作路由算法，可较好利用物理介质的广播优势以及周围节点的协作优势，提高了网络性能，增强了可靠性。为了减少整个网络的能量消耗，提高全网寿命及可靠性，Ocakoglu O在文献[24]中提出运用统计方法来设计评估预期的目标，提出了一种随机的睡眠/唤醒策略。文献[25]提出一种多信道动态路径转发协议，在发送数据前可预测唤醒时间，避免了因依赖长前导而导致的问题，实现了更低能耗并改善了延时性能。

为减少同步误差的多跳积累，研究人员提出为网络中的每一个节点保存待选同步动态路径列表，提高同步过程的可靠性[26]。也有学者从丢包率等方面测试无线网可靠性，对协议效果进行分析[27]。

（3）无线Mesh网络

为解决在无线网络环境资源有限情况下，保证网络信息传输的可靠性，文献[28]提出了一种基于链路不相交技术的多路径路由算法。该算法通过尽可能少的信息交换，获得了较多的网络状态信息，进而在一定程度上保证了网络的负载平衡。文献[29]提出了一种多判据加权可靠路由算法。其主要思想是在选择路由时，综合考虑节点的移动性、路径的跳数、时延、链路可靠性、链路的失效数等性能指标，按重要程度加权整体计算路由的权值，选择权值最大的路径作为传输路由。但该方法的计算复杂度较高。

3.3 无线多跳网络可靠性优化设计

无线多跳网络可靠性研究的最终落脚点是指导网络的优化设计，确保应用的安全可靠。基于此目标，学者们从不同的角度提出了很多可靠性优化策略，主要可以梳理为以下几个方面：

（1）最优化拓扑方案设计

网络拓扑对网络规划、管理、可靠性等都有重要的意义，如何设计一个高效可靠的无线传感器网络是一个重要的挑战。Hawick等人[30]应用小世界网络模型研究了无线传感器网络的覆盖、容错和寿命问题。研究结果表明，将小世界特征引入无线传感器网络，不但使得无线传感器网络的平均路径长度大大减小，而且网络中出现的孤立簇的数目也大大减少，无线传感器网络的整体覆盖效果和可靠性都大大改善。

（2）容错性设计

网络的容错系统是保证网络在出现部分故障的情况下，仍能正常向用户提供有效服务。它使网络具有自我保护及一定的自我修复能力，以便于管理员和维修人员采取进一步措施。在无线多跳网络容错设计中，要把握以下几个原则：一是紧密结合应用实际进行网络设计。不同的应用需求，对网络的容错性要求不同，不能一概而论，避免资源浪费，节约成本。二是紧贴性能指标要求进行设备选型。网络设计之初，就应从传输介质、接口选用、协议设置及网络设备选择等方面，从稳定性、可靠性出发，严把质量关。三是紧盯网络中关键部位和骨干成分，只要保证了关键部位的可靠性，就可能基本保证整个网络的可靠性。因此在容错设计时，就可以一定程度上减少对容错的要求，进而节约成本。

（3）冗余性设计

确保网络可靠性的另一个重要的方法就是冗余设计。这种设计策略要求网络部署时在原有设施的基础上再额外增加部分备用设备，通过增加备用机制来保障无线多跳网络的可靠性。正常情况下，备用部分处于监听状态，一旦网络出现故障或异常，冗余部分则根据预定规则加入网络，保证系统的正常运行。文献[31]针对WSN的漏斗问题，采用分簇结构平衡内能耗，提出一种基于簇负载平衡冗余节点部署算法。该算法可以有效减少节点能耗，提高了网络的可靠性。文献[32]提出了一种基于节点冗余覆盖的调度算法，通过关闭不必要的冗余节点和尽可能实现负载均衡，有效降低了能量消耗。以上方法从不同的角度提出了相应的冗余节点优化部署方案，对于提高网络的可靠性具有重要意义。

4 发展趋势

无线多跳网络可靠性研究将进一步从网络可靠性评估基础理论研究向指导实际需求中网络可靠性设计转化，具体体现在以下几个方面：一是继续深入研究无线多跳网络可靠性检测与评估技术。总体来看，网络可靠性评估方法研究相对比较成熟，但一些具体应用环境下的网络可靠性评估理论仍然处于起步阶段，亟待研究解决。二是研究适于物联网应用背景下的网络可靠性评价指标体系。对于日新月异的复杂应用环境，传统的网络可靠性评估指标体系已不能完整覆盖其所有特性，研究适用于新环境下的可靠性评价指标体系意义深远。三是研究物联网系统可靠性评估试验床。目前，用于各种网络可靠性评估仿真的环境主要是基于NS2、MATLAB等搭建的虚拟仿真验证环境，缺乏与物联网系统实际应用环境相仿的实体试验环境。进行网络可靠性评估试验床研究是未来的一个重要方向。四是研制开发物联网系统可靠性评估工具。物联网应用的前景十分广阔，对于应用系统的可靠性评估仍处在理论研究阶段，缺乏切实可用的可靠怀评估工具。

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