1、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),无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。,可靠性,初期，大多是针对有线网络的可靠性。主要以网络的连通度（Connection）和凝聚度(Cohesion)，作为网络可靠性的测量依据。 现阶段，考擦指标： 抗毁性（
2、Invulnerability） 生存性（Survivability） 可用性（Availability）,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
3、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
4、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
5、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
6、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,71 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
7、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
8、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，,一般不可修复系统,一般地，系统的失效率函数不为常数，设为 ，则可靠度：平均寿命,可修复系统,对于可修复系统，系统处于故障、正常的循环交替中。系统的可靠度有时也被称为可用度，它表示在总时间中有多少比例的时间系统处于正常状态，其可靠度R应与时间t无关，,平均故障间隔时间和平均修复时间,可修复系统在故障之后，其修复时间的分布有多种类型。 下面假设系统的修复时间为参数 的负指数分布，系统正常工作时间为参数 的负指数分布，
9、若 为可靠度函数，则在 时，,平均故障间隔时间和平均修复时间,为平均故障间隔时间，一般记为MTBF；为平均修复时间，一般记为MTTR， 同时 也被称为修复率。对于可修复系统可以利用实测数据来估计它的可用度；而对于不可修复系统，容易根据实测数据获得可靠度的估计值，从而得到寿命分布函数。,7.1.3 复杂系统的可靠度,子系统可以依照不同的方法构成大系统，最简单的如串接、并接。在下图中分别表示了串接、并接系统。,串接系统和并接系统,如果 个子系统只要有一个子系统故障，整个系统就故障， 个子系统就构成一个串接系统。 如果 个子系统只要有一个子系统正常，整个系统就正常， 个子系统就构成一个并接系统。,独
10、立系统可靠度计算,当各个子系统独立时，串、并接系统的可靠度分别计算如下：,非独立系统可靠度,例7.2 有n个子系统串接形成一个系统，每个子系统为可修复系统，其可靠度为 ，但当某个子系统故障时，别的子系统停顿，等故障子系统修复后，其它子系统继续一起工作，求系统可靠度R。,复杂系统可靠度,例7.3 下图表示由5个独立子系统构成 的混接系统，若第 个子系统的可靠度为 ，求整个系统的可靠度。,7.2 连通度与线连通度,若考虑连通无向图 ，连通度 与线连通度 反映了图的可靠性大小，下面再定义一个混合连通度 ，其定义如下 定义7.2 ，其中为混合割集。 则,连通度的辅助指标,为了更加细致地描述图的可靠性，
11、引入三个辅助指标。它们的定义如下： 定义7.3 最小割端集的数目；最小割边集的数目；最小混合割集的数目；,可靠性指标的计算,例7.5 下图中(a) ,(b) ,(c)三个图，分别计算它们的各种可靠性指标。,7.3 网络可靠度的计算,7.3.1 网络可靠度计算的近似公式 假设网络用无向图 表示， 如果每边的不可靠度为 ，每端的不可靠度为 ，各边，端之间的故障概率相互独立。在 的条件下，考虑网络可靠度的近似计算。,网络可靠集,网络是一个庞大的对象，需明确其可靠度的含义。下面的讨论中，网络可靠集用如下定义。 定义7.5 网络可靠集没有失效的端之间连通，而网络可靠度为网络处于可靠集的概率。 在7.2节
12、中讨论的可靠性指标有时也被称为确定性度量，与概率无关。而定义7.5中的网络可靠度不但和7.2节中的各种连通度有关，而且与边和端的故障概率有关，故有时也被称为概率性度量。,网络在只有端故障下的近似可靠度,首先，假设网络仅有端故障， 表示有 个割端的割端集的数目。此时，网络的不可靠集可以按照割端集来分类，由于各个端点的故障独立，网络可靠度可以计算如下：,网络近似可靠度,由于 ，保留最大的项，则有：类似，在只有边故障的情况下：在混合故障下， 其中 ，求和的项遍历所有 个混合割集。,例7.6 如果端故障概率为 ，边故障概率为 ， ，且各边、端故障概率独立。请计算完全二部图 在各种情况下的近似可靠度。,
13、两端之间的可靠度,考虑图的某两个端s和t，所谓s和t之间的可靠度是指s和t之间有路径相通的概率。 这个概率的近似计算类似网络可靠度的计算。如果各边、端的可靠度不一样，并且网络规模不大，也可以对可靠度做准确计算。,7.4 网络综合可靠度,在7.2中讨论了通信网的各种连通度以及一些辅助指标，这些指标仅仅依赖于拓扑结构，是对可靠性的确定性度量。 在7.3中，讨论了网络可靠度的近似计算，这些可靠度的计算首先依赖于相应可靠集的定义7.5；这些不同定义的可靠集表明了对网络可靠性的不同要求和重点，而可靠度则是网络处于相应可靠集的概率。,网络综合可靠度,为了进一步分析网络的可靠度，需要考虑网络承载的业务。 下
14、面以电话网为例，考虑网络平均呼损的计算。在4.4中已讨论电话网络平均呼损的计算方法，不过在4.4中并没有考虑网络故障因素。考虑故障因素的电话网络平均呼损也可被称之为综合不可靠度。,网络平均呼损,如果网络用 表示， 各个端和边的故障独立，考虑网络中的故障因素。 网络将有 种状态。 设在状态 下，端i和j之间的呼损为 ，这个概率可以根据状态 下网络 的新结构 ,然后依照4.4中的方法计算。,网络的平均呼损,综合可靠度的另一类定义,如设定呼损边界 ，对每个状态分析 的平均呼损，若平均呼损小于 ，则该状态 为可靠集；否则， 是不可靠集。这种可靠集定义方式不但依赖于拓扑结构，网络故障因素，同时还依赖于网络承载的业务和相应的质量指标。,综合可靠度,定义7.7 网络可靠集 而网络综合可靠度,
