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[网络可靠性分析

井下无线传感器网络的可靠性关键技术研究 一、概念 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN) 可靠性 二、国内外发展现状 国外 多集中在网络安全方面,以防御敌我双方的各种恶意攻击,采用一种多路径传递以抵御网络中的有选择攻击。 密钥方案 国内 国内关于无线传感器网络的可靠性也有相关研究,一种基于网络均衡度的Ad Hoc网络可靠性度量方法 ;基于发送功率的无线链路存在的概率模型 井下无线传感器网络的研究 目前,国内外专家对无线传感器网络所进行了大量的研究多集中在地面无线传感器网络,对地下的无线传感器网络尤其是煤矿井下应用的无线传感器网络系统研究较少。由于煤矿井下是非自由空间,特殊的环境、地理条件对无线传感器网络提出了特殊的要求和挑战。现有的无线传感器网络,在应用对象、信道条件、实现目标上都与矿井无线监测的具体要求存在很大的差别,难以可靠、有效的满足矿井无线安全监测的需求,无线传感器网络在煤矿的应用研究还处在初级阶段。 三、研究内容 矿井无线传感器网络的网络结构 目前关于井下无线传感器的网络结构多集中在分层簇状拓扑结构。 网状无线传感器网络,以蜂窝六边形顶点位置放置节点,构建的是完全网状网络,通信开销大。 实际上要实现井下作业的有序进行,必须对井下随机移动的矿工实现实时通信和准确定位。由于矿工的移动具有随机性和密集性,因此要实现信息的可靠传输和人员的准确定位,必须考虑随机移动节点的拓扑结构和拓扑控制算法。针对移动节点的移动性进行了分析,并设计了节点的组团协议,并对拓扑控制算法进行深入研究。 路由算法 链式结构的PEGASIS协议、地理定位辅助路由协议GEAR、基于最小跳数的能量自适应路由算法以及LEACH、SPIN、TEEN等。 针对井下无线传感器监测网络的网络特点和通信需求,将位置信息和网络梯度相结合,提出一种改进的贪婪路由算法。该算法要求节点只记录一条的最小化拓扑信息,通过逐跳转发方式实现数据的定向汇聚。路由的建立和维护采用分布式算法,路由建立速度快、代价小,网络在拓扑结构发生变化时能利用本地算法更新路由并重新构建出新的网络拓扑,最大限度地保证网络的连通性。 基于拓扑结构的井下关键数据的实时可靠性传输 井下需要传送的数据繁多,如有需要监测的温度、湿度、瓦斯浓度、压力、人员定位、实时语音和图像、视频等上行数据和相应的下行控制数据。在众多数据中,下行数据相对上行数据应该具有优先性,但生命攸关的报警数据应具有更高的优先级。在网络发生拥塞时,如何保证关键数据的实时可靠传输是需要考虑和解决的问题。结合井下实际的数据情况,如一般情况下井下的通信数据组播数据较多、且上行数据较多,另外大多数据具有周期性等实际情况,如何选取重要的数据,设计出合理的通信协议,保证重要数据的优先发送和可靠传输,即网络的QoS技术。另外结合井下巷道狭长,电磁干扰严重,如何在强电磁干扰环境下保证数据的可靠传输都是需要考虑和解决的问题。 四、提炼出研究课题 动态拓扑控制机制 资源的有效调度,网络的自组织机制,基于域的分布式自动成簇算法,无线传感器网络动态自适应部署策略研究 数据的有效可靠传输 基于事件的路由传输机制,数据流不均衡时的数据融合及多路径传递,密钥管理方案 网络可靠性评估方法 基于网络覆盖、连通度、节点行为的评测方案 7.1 可靠性理论基础 7.1.1寿命分布和失效率函数 首先,考虑子系统的可靠性特点,然后考虑子系统依照不同方法构成的大系统的可靠性。 对于简单系统,假设它仅包含两个状态:正常和故障。 寿命分布和可靠度 如果用一个非负随机变量 来描述系统的寿命, 相应的分布函数 有了寿命分布,就知道了在时刻t以前都正常的概率, 而 表示系统的可靠度函数或可靠度。 失效率函数 设系统的寿命为非负连续型随机变量 ,其分布函数为 ,密度函数为 ,定义失效率函数如下: 定义7.1 对任意t, , 失效率: 浴盆曲线 例7.1 如果一个系统的寿命分布是参数 的负指数分布,求它的失效率函数。 下图中表示了典型的失效率函数,也被称之为浴盆曲线。 7.1.2 不可修复系统和可修复系统 如果一个子系统在故障后,不再修复,这个子系统称之为不可修复系统。 如果一个子系统在故障后,经历一段时间,修复又重新使用,如此循环往复,这种系统称之为可修复系统。 可修复系统和不可修复系统的区分并不是绝对的,在一定条件下它们可以相互转换。 不可修复系统 对于不可修复系统,可靠性的重要指标为其寿命分布 和可靠度函数 。若失效率函数为常数 , 服从负指数分布,则 不可修复系统的平均寿命记为MTTF, 一般不可

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