無線傳感器網絡 第08章 容錯設計技術

1、無線傳感器網絡(wnglu)技術講義第八章、容錯設計(shj)技術2007年8月20日共五十一頁內容提要(ni rn t yo)概述 故障模型故障檢測故障修復(xif)可靠性協(xié)議共五十一頁內容提要(ni rn t yo)概述(i sh) 故障模型故障檢測故障修復可靠性協(xié)議共五十一頁概述(i sh)以往容錯研究(ynji)關注的領域:大規(guī)模集成電路分布式系統(tǒng)數據庫互聯(lián)網共五十一頁概述(i sh)容錯方面(fngmin)的術語:故障（Fault）差錯（Error）失效（Failure）可靠性（Dependability）共五十一頁概述(i sh)WSN容錯的重要性：技術和實現因素。通常需要直接暴露

2、在環(huán)境中，在受到成本和能量限制的同時，需要完成一系列的任務。無線傳感器網絡是一個新興的研究和工程領域，處理特定問題的最優(yōu)方法(fngf)還不明確。無線傳感器網絡的應用模式。無線傳感器網絡通常是運行在無人干預模式，它們需要具有更強的容錯能力。 共五十一頁概述(i sh)大鴨島試驗(shyn)結果共五十一頁概述(i sh)-一個容錯實例用聲音(shngyn)、高度兩個特征區(qū)分一間辦公室的六個人共五十一頁內容提要(ni rn t yo)概述(i sh) 故障模型故障檢測故障修復可靠性協(xié)議共五十一頁故障(gzhng)模型部件故障傳感、供電、通信等部件發(fā)生故障，測量值偏離了實際(shj)值節(jié)點故障節(jié)點無

3、法連上網絡共五十一頁故障(gzhng)模型故障級別故障表征故障檢測修復機制部件故障節(jié)點能夠正常通信，但是測量數據是錯誤的檢測出錯誤的測量數據舍棄或校正出錯的測量數據節(jié)點故障節(jié)點不能與其它節(jié)點進行通信通過詢問或重新路由等方法檢測故障節(jié)點通過移動冗余節(jié)點彌補形成的連接和覆蓋問題共五十一頁故障(gzhng)模型傳感部件故障固定故障 偏移(pin y)故障倍數故障方差下降故障共五十一頁內容提要(ni rn t yo)概述(i sh) 故障模型故障檢測故障修復可靠性協(xié)議共五十一頁故障(gzhng)檢測部件故障檢測基于(jy)空間相關性基于貝葉斯網絡節(jié)點故障檢測集中式分布式共五十一頁部件故障(gzhng)

4、檢測基于空間相關性 除了(ch le)節(jié)點n或節(jié)點8，其它節(jié)點都感應到事件發(fā)生 共五十一頁部件(bjin)故障檢測基于(jy)空間相關性 節(jié)點n在三個可信節(jié)點的三角區(qū)域內 共五十一頁部件(bjin)故障檢測比較策略多數投票(tu pio)均值中值 共五十一頁部件(bjin)故障檢測決策(juc)判斷實例 共五十一頁部件(bjin)故障檢測加權中值判斷(pndun)結果 加權后的理論識別率（鄰居數為4） 共五十一頁部件故障(gzhng)檢測加權中值判斷(pndun)結果 加權后的理論誤報率（鄰居數為4） 共五十一頁部件故障(gzhng)檢測基于貝葉斯網絡 貝葉斯信任網絡包含一個有向圖和與之對應的

5、概率表集合。有向圖中的頂點表示變量(binling)，邊表示變量(binling)之間的影響關系。貝葉斯信任網絡的關鍵特征是能夠模型化并推理出不確定因素。模型化節(jié)點間的可靠關系是通過節(jié)點概率表實現。 共五十一頁部件(bjin)故障檢測基于貝葉斯網絡(wnglu)-以大鴨島試驗為例共五十一頁部件(bjin)故障檢測基于(jy)貝葉斯網絡-以大鴨島試驗為例溫度、電壓的概率分布 共五十一頁部件故障(gzhng)檢測基于(jy)貝葉斯網絡-以大鴨島試驗為例氣壓、相對濕度的條件概率分布 共五十一頁部件故障(gzhng)檢測基于(jy)貝葉斯網絡-以大鴨島試驗為例計算推理共五十一頁節(jié)點(ji din)故障

6、檢測集中式故障(gzhng)檢測匯聚節(jié)點收集的信息名稱描述鄰居列表由鄰居ID號組成的一個列表鏈路質量用0（100丟失）至100（100傳送）間的一個數來表示字節(jié)數節(jié)點傳輸和收到的字節(jié)數下一跳路由的下一跳節(jié)點（路由表）路徑丟失從節(jié)點到Sink節(jié)點的鏈接質量的一種衡量（路由表）共五十一頁節(jié)點故障(gzhng)檢測集中式故障(gzhng)檢測匯聚節(jié)點做出的判斷事件名描述用來識別事件的信息節(jié)點丟失節(jié)點沒有出現在任何節(jié)點的鄰居列表中所有鄰居表孤立節(jié)點節(jié)點沒有任何鄰居此節(jié)點的鄰居表路由改變比較當前路由表與上次路由表的變化此節(jié)點的路由表信息鄰居表改變比較當前路由表與上次的鄰居表的變化此節(jié)點的鄰居表鏈路質量改

7、變此節(jié)點與鄰居的鏈路質量低于統(tǒng)計定義的門檻值。把當前的和以前的鏈接質量寫入日志。此節(jié)點的鄰居表共五十一頁節(jié)點(ji din)故障檢測分布式故障(gzhng)檢測每個節(jié)點判斷的算法共五十一頁內容提要(ni rn t yo)概述 故障(gzhng)模型故障檢測故障修復可靠性協(xié)議共五十一頁故障(gzhng)修復基于連接的修復 部署k連通(lintng)拓撲 非k連通圖 基于覆蓋的修復 共五十一頁故障(gzhng)修復基于連接的修復(xif) -部署k連通拓撲 V7失效會導致網絡斷開成三部分共五十一頁故障(gzhng)修復基于(jy)連接的修復 -部署k連通拓撲 三連通圖共五十一頁故障(gzhng)修

8、復基于連接的修復(xif) -部署k連通拓撲 在完全圖中找最小代價的K連通子圖的算法集中式 分布式 共五十一頁故障(gzhng)修復基于連接的修復 -非k連通(lintng)拓撲 基站收不到某些節(jié)點的消息 共五十一頁故障(gzhng)修復基于連接的修復(xif) -非k連通拓撲 重新路由共五十一頁故障(gzhng)修復基于連接(linji)的修復 -選擇容錯節(jié)點 Sk可作為S3的容錯節(jié)點共五十一頁故障(gzhng)修復基于(jy)覆蓋的修復名稱定義計算方法覆蓋區(qū)域節(jié)點單獨覆蓋的區(qū)域整個感知區(qū)域去掉與其它節(jié)點重疊的感知區(qū)域移動區(qū)域有效節(jié)點移動到該區(qū)域即可重新覆蓋漏掉的區(qū)域以遺漏區(qū)域的邊界為圓心，

9、節(jié)點感知半徑為半徑作圓所形成的所有區(qū)域共五十一頁故障(gzhng)修復基于(jy)覆蓋的修復共五十一頁故障(gzhng)修復基于(jy)覆蓋的修復1，初始化階段；節(jié)點計算自己的覆蓋區(qū)域、每個覆蓋區(qū)域對應的移動區(qū)域。2，恐慌請求階段；垂死節(jié)點廣播求助消息。3，恐慌回應階段；垂死節(jié)點的鄰居收到求助消息后計算如果自己移動到垂死節(jié)點的移動區(qū)域，是否會影響到自身的覆蓋區(qū)域，如果不影響則給求助節(jié)點返回消息。4，決策階段；垂死節(jié)點根據收到的回應信息，決定讓哪個節(jié)點移動。 共五十一頁內容提要(ni rn t yo)概述 故障模型故障檢測故障修復(xif)可靠性協(xié)議共五十一頁可靠性協(xié)議(xiy)物理層 鏈路層網

10、絡層傳輸層共五十一頁可靠性協(xié)議(xiy)物理層 物理層是實現無線網絡通信的基石，其可靠性能的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)的容錯能力。物理層主要負責數據的編碼調制、解調解碼、發(fā)送與接收。對于(duy)無線傳感器網絡節(jié)點間的通信，為了使得數據能夠被可靠地傳輸或接收，必須要做到高的接收機靈敏度、低的背景噪聲及較強的抗干擾能力。 共五十一頁可靠性協(xié)議(xiy)鏈路層 數據鏈路層主要負責數據流的多路選擇、數據幀偵測、媒介訪問、差錯控制 ，保證了點到點、點到多點的可靠性鏈接。媒介訪問控制為數據傳輸建立(jinl)通信鏈路，并提供對共享媒介的公平、有效的訪問。它需要減少或避免媒介中的包沖突。 差錯控制主要采用自動

11、重發(fā)請求（ARQ）和前向糾錯（FEC）。 共五十一頁可靠性協(xié)議(xiy)網絡層 建立(jinl)局部多路徑共五十一頁可靠性協(xié)議(xiy)網絡層 定向(dn xin)洪泛共五十一頁可靠性協(xié)議(xiy)傳輸層事件(shjin)匯聚到Sink共五十一頁可靠性協(xié)議(xiy)傳輸層 ESRT協(xié)議沒有增加存儲空間而實現了可靠傳輸。它由一個擁塞(yngs)控制組件來得到可靠性和控制能量。而且，ESRT運行在SINK上，對于普通節(jié)點沒有增加任何成本開銷。 共五十一頁可靠性協(xié)議(xiy)傳輸層 - 從匯聚節(jié)點到傳感節(jié)點的傳輸 PSFQ（Pump Slowly, Fetch Quickly）為無線傳感器網絡的重編

12、程或重新指定任務提供了可靠傳輸，并提供了到接收端延遲保證。源節(jié)點低速向網絡注入數據包以避免網絡擁塞，接收節(jié)點有足夠的時間來檢測(jin c)這些數據包是否丟失，假如發(fā)生丟失就請求重傳。當節(jié)點收到的包序號不等于上一個包序號加1，那么就認為有包丟失。這個節(jié)點在收到正確的包之前停止繼續(xù)發(fā)送包。 共五十一頁可靠性協(xié)議(xiy)傳輸層 - 從匯聚(hu j)節(jié)點到傳感節(jié)點的傳輸 PSFQ重傳機制 共五十一頁謝謝(xi xie)！共五十一頁內容摘要無線傳感器網絡技術講義。無線傳感器網絡是一個新興的研究和工程領域，處理特定問題的最優(yōu)方法還不明確。傳感、供電、通信等部件發(fā)生故障，測量值偏離了實際值。節(jié)點n在三個可信節(jié)點的三角區(qū)域內。有向圖中的頂點表示變量，邊表示變量之間的影響(yngxing)關系。