無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸容錯(cuò)技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量低成本、微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。
　　 在以數(shù)據(jù)為中心的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，由于數(shù)目龐大的節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)脆弱且能量受限、部署環(huán)境惡劣和無(wú)線信道本身不可靠等特性，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)損壞、通信鏈路斷開(kāi)等故障，使得理論上提出的各層

2、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議往往難以實(shí)際應(yīng)用，因而近年來(lái)研究界普遍認(rèn)識(shí)到，傳統(tǒng)基于冗余的容錯(cuò)(Fault Tolerance)技術(shù)由于沒(méi)有綜合考慮能量受限等傳感器網(wǎng)絡(luò)特性，因而難以在傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)，節(jié)能高效的容錯(cuò)技術(shù)已經(jīng)成為傳感網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　 一般意義上的容錯(cuò)性是指在故障存在的情況下系統(tǒng)不失效、仍然能夠正常工作的特性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性指的是當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)或鏈路失效后，網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的恢復(fù)或者網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自愈，從而盡可能減小節(jié)點(diǎn)或鏈路失

3、效對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的影響。目前相關(guān)學(xué)術(shù)研究主要集中在以下三個(gè)方面：
　　 部署覆蓋中的容錯(cuò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署階段，研究主要關(guān)注于在部分節(jié)點(diǎn)、鏈路失效的情況下，如何事先部署或事后移動(dòng)、補(bǔ)充傳感器節(jié)點(diǎn)，從而保證對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的覆蓋和保持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的連通。
　　 事件檢測(cè)中的容錯(cuò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于外部環(huán)境中特定事件的偵測(cè)，如火災(zāi)、入侵等等。研究主要關(guān)注于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)部分失效時(shí)，如何判斷當(dāng)?shù)貍鞲衅鞴?jié)點(diǎn)發(fā)出的信息是否正確、綜合多個(gè)傳感器節(jié)

4、點(diǎn)的匯報(bào)信息之后做出的決策是否正確，以及如何最終保證對(duì)特定事件檢測(cè)的成功率等。
　　 數(shù)據(jù)傳輸中的容錯(cuò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)新型的信息采集技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)是非常重要的環(huán)節(jié)，研究主要考慮當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)或鏈路失效時(shí)，數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)、聚合、傳輸、恢復(fù)等問(wèn)題，主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)層及其以上層的容錯(cuò)技術(shù)和策略。
　　 本文針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性的需求及容錯(cuò)問(wèn)題的研究現(xiàn)狀，基于數(shù)據(jù)冗余和路徑冗余方法，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的容錯(cuò)

5、技術(shù)進(jìn)行了研究。本文的研究從五個(gè)方面展開(kāi)：(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效分析和模型研究，該模型提供了對(duì)協(xié)議、算法進(jìn)行容錯(cuò)檢驗(yàn)的平臺(tái)；(2)適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)特性的數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)前向糾錯(cuò)(FEC)算法研究；(3)基于網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)容錯(cuò)編碼研究；(4)基于路徑冗余和跨層設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)容錯(cuò)選路算法研究；(5)集成以上單元容錯(cuò)技術(shù)的分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)數(shù)據(jù)交換和簇間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男始叭蒎e(cuò)性研究。
　　 本文取得的研究成果包括如下幾個(gè)方面：

6、
　　 1.基于數(shù)據(jù)包的自適應(yīng)前向糾錯(cuò)編碼算法：針對(duì)現(xiàn)有的前向糾錯(cuò)碼編碼復(fù)雜、計(jì)算量大而不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，提出一種以數(shù)據(jù)包為處理對(duì)象的自適應(yīng)FEC 編碼。該編碼采用異或運(yùn)算，編解碼速度快，同時(shí)提出了可以進(jìn)行失效路徑診斷的路由反饋機(jī)制。
　　 2.容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)：針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸中間節(jié)點(diǎn)現(xiàn)有容錯(cuò)技術(shù)效率不高的問(wèn)題，提出一種結(jié)合多路徑路由和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。該機(jī)制結(jié)合多路路徑，采取低計(jì)算復(fù)雜度的線性隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編

7、碼算法，在保證能量有效性的同時(shí)能夠?qū)?shù)據(jù)包的丟失進(jìn)行較好的恢復(fù)。
　　 3.能量感知的容錯(cuò)路由協(xié)議：針對(duì)現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議沒(méi)有考慮容錯(cuò)性的問(wèn)題，采用跨層設(shè)計(jì)提出了一種能量感知的、基于路徑冗余的容錯(cuò)路由協(xié)議。該協(xié)議利用延時(shí)測(cè)量的方法檢測(cè)節(jié)點(diǎn)失效，并通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)層控制消息附著于MAC 層的方式減小控制開(kāi)銷，可以在能量有效的情況下提供較好的實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性。
　　 4.分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸容錯(cuò)策略：以分簇的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為