無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)據(jù)故障診斷與網(wǎng)絡(luò)連通恢復(fù)方法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的核心支撐技術(shù)，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)難救援、工業(yè)控制、智能家居等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已成為信息領(lǐng)域的研究重點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為應(yīng)用中心，具有節(jié)點數(shù)量大、分布范圍廣、通信和計算資源有限、電源能量受限、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜等特性，在這些內(nèi)外部因素的相互影響下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源更容易發(fā)生故障，造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓并帶來嚴重損失。因此及時發(fā)現(xiàn)并盡快恢復(fù)故障，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的關(guān)鍵共性問題

2、，是確保網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性的必要手段。
　　在國家科技支撐計劃課題“建筑用能系統(tǒng)監(jiān)測與優(yōu)化控制技術(shù)研究及示范”等項目資助下，論文圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在的不同層次故障類型，以實際應(yīng)用需求為背景，按照建立系統(tǒng)模型、理論推導(dǎo)、提出新方法、仿真驗證、實驗測試的研究思路，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的故障診斷和恢復(fù)機制進行了較為深入的探討和系統(tǒng)研究。
　　論文首先針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信層次中的鏈路傳輸質(zhì)量問題，提出基于網(wǎng)絡(luò)層析技術(shù)的鏈路故

3、障診斷方法。該方法將網(wǎng)絡(luò)鏈路診斷中的主動和被動策略相結(jié)合，通過被動收集端到端路徑傳輸數(shù)據(jù)，快速對網(wǎng)絡(luò)路徑進行劃分，排除正常鏈路；再通過相鄰路徑間的邏輯推理，最小化狀態(tài)待定鏈路；然后采取主動發(fā)送改進的單播探測包，模擬多播網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，推理剩余鏈路狀態(tài)，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸特性的準確判斷。仿真實驗表明：與其他方法比較，該方法引入主動和被動相結(jié)合的協(xié)同方式，受故障鏈路的數(shù)量影響較小，具有更高的故障檢測精度；提出的單播探測包發(fā)送機制在減少發(fā)包數(shù)

4、據(jù)量的同時，增強了探測數(shù)據(jù)包之間的相關(guān)性。
　　其次，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)層次中的數(shù)據(jù)異常問題，提出基于時空相關(guān)性的數(shù)據(jù)故障診斷方法。該方法采用節(jié)點自身狀態(tài)判斷和鄰居節(jié)點相互判斷相結(jié)合的故障診斷策略。利用數(shù)據(jù)的時間相關(guān)性，建立節(jié)點感知數(shù)據(jù)的時間序列預(yù)測模型，確定每個節(jié)點的初步判斷狀態(tài)；利用數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，建立四種不同類型的判定準則，確定每個節(jié)點的最終判定狀態(tài)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)故障的分布式診斷。仿真實驗表明：該方法的不同判定準則

5、和參數(shù)設(shè)置具有不同的故障診斷精度，可根據(jù)實際應(yīng)用情況進行選擇。與其他方法比較，該方法即使在大規(guī)模節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)生故障時，仍具有較高的故障檢測率和較低的誤報率。
　　論文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大面積節(jié)點故障造成的分割分區(qū)問題，提出基于虛擬力和三角形斯坦納點的分割網(wǎng)絡(luò)連通恢復(fù)方法。該方法將網(wǎng)絡(luò)分割分區(qū)視為內(nèi)部連通的不同節(jié)點的集合，更有利于優(yōu)化分區(qū)間的連接節(jié)點；引入虛擬力，利用傳感器節(jié)點與節(jié)點之間的相互作用力、監(jiān)測邊界對節(jié)點的斥力，實現(xiàn)節(jié)點均勻

6、分布，減少不同分區(qū)間的連通成本；通過比較三角形斯坦納點與最小生成樹方式的連通增益，采用不同的分區(qū)連通方式，從而進一步優(yōu)化連通分區(qū)需要的節(jié)點數(shù)量和位置關(guān)系。仿真實驗表明：與其他方法比較，該方法恢復(fù)連通需要更少的中繼節(jié)點；當目標區(qū)域中分割分區(qū)數(shù)量增加時，該方法優(yōu)勢更顯著。
　　論文還針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通問題，提出基于多目標優(yōu)化的移動數(shù)據(jù)采集器網(wǎng)絡(luò)連通恢復(fù)方法。該方法采用聚類算法進行分區(qū)探測，考慮數(shù)據(jù)收集過程中的采集延遲和任務(wù)均衡因

7、素，將網(wǎng)絡(luò)連通和數(shù)據(jù)采集器路徑優(yōu)化問題，轉(zhuǎn)化為一種改進的多旅行商問題；引入虛擬分區(qū)和層次染色體結(jié)構(gòu)，進行問題轉(zhuǎn)換和結(jié)構(gòu)編碼，采用同層最優(yōu)解相鄰個體刪除策略，改進種群多樣性；提出適合編碼特征的多目標優(yōu)化遺傳算法，求解數(shù)據(jù)采集器的最優(yōu)采集位置和移動路徑。仿真實驗表明：該方法能夠有效求解問題的Pareto最優(yōu)解，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連通恢復(fù)技術(shù)提供一種新思路；與其他方法比較，算法種群的多樣性獲得明顯改善。
　　論文最后結(jié)合建筑環(huán)境數(shù)據(jù)采集實

8、際應(yīng)用，研制了基于CC1110射頻芯片的無線傳感器節(jié)點，基于ARM9開發(fā)板的嵌入式網(wǎng)關(guān)，并通過CAN總線實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，從而構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)，進行節(jié)點組網(wǎng)測試分析，驗證了論文提出方法的有效性和正確性。
　　綜上所述，論文建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障診斷與恢復(fù)理論方法體系，能夠提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可生存性能力和水平，為軍事安全、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效運行提供理論和技術(shù)支撐，具有較大研究意義和工程應(yīng)用前景