无线传感器网络 第08章 容错设计技术

1、无线传感器网络(wnglu)技术讲义第八章、容错设计(shj)技术2007年8月20日共五十一页内容提要(ni rn t yo)概述 故障模型故障检测故障修复(xif)可靠性协议共五十一页内容提要(ni rn t yo)概述(i sh) 故障模型故障检测故障修复可靠性协议共五十一页概述(i sh)以往容错研究(ynji)关注的领域:大规模集成电路分布式系统数据库互联网共五十一页概述(i sh)容错方面(fngmin)的术语:故障（Fault）差错（Error）失效（Failure）可靠性（Dependability）共五十一页概述(i sh)WSN容错的重要性：技术和实现因素。通常需要直接暴露

2、在环境中，在受到成本和能量限制的同时，需要完成一系列的任务。无线传感器网络是一个新兴的研究和工程领域，处理特定问题的最优方法(fngf)还不明确。无线传感器网络的应用模式。无线传感器网络通常是运行在无人干预模式，它们需要具有更强的容错能力。 共五十一页概述(i sh)大鸭岛试验(shyn)结果共五十一页概述(i sh)-一个容错实例用声音(shngyn)、高度两个特征区分一间办公室的六个人共五十一页内容提要(ni rn t yo)概述(i sh) 故障模型故障检测故障修复可靠性协议共五十一页故障(gzhng)模型部件故障传感、供电、通信等部件发生故障，测量值偏离了实际(shj)值节点故障节点无

3、法连上网络共五十一页故障(gzhng)模型故障级别故障表征故障检测修复机制部件故障节点能够正常通信，但是测量数据是错误的检测出错误的测量数据舍弃或校正出错的测量数据节点故障节点不能与其它节点进行通信通过询问或重新路由等方法检测故障节点通过移动冗余节点弥补形成的连接和覆盖问题共五十一页故障(gzhng)模型传感部件故障固定故障 偏移(pin y)故障倍数故障方差下降故障共五十一页内容提要(ni rn t yo)概述(i sh) 故障模型故障检测故障修复可靠性协议共五十一页故障(gzhng)检测部件故障检测基于(jy)空间相关性基于贝叶斯网络节点故障检测集中式分布式共五十一页部件故障(gzhng)

4、检测基于空间相关性 除了(ch le)节点n或节点8，其它节点都感应到事件发生 共五十一页部件(bjin)故障检测基于(jy)空间相关性 节点n在三个可信节点的三角区域内 共五十一页部件(bjin)故障检测比较策略多数投票(tu pio)均值中值 共五十一页部件(bjin)故障检测决策(juc)判断实例 共五十一页部件(bjin)故障检测加权中值判断(pndun)结果 加权后的理论识别率（邻居数为4） 共五十一页部件故障(gzhng)检测加权中值判断(pndun)结果 加权后的理论误报率（邻居数为4） 共五十一页部件故障(gzhng)检测基于贝叶斯网络 贝叶斯信任网络包含一个有向图和与之对应的

5、概率表集合。有向图中的顶点表示变量(binling)，边表示变量(binling)之间的影响关系。贝叶斯信任网络的关键特征是能够模型化并推理出不确定因素。模型化节点间的可靠关系是通过节点概率表实现。 共五十一页部件(bjin)故障检测基于贝叶斯网络(wnglu)-以大鸭岛试验为例共五十一页部件(bjin)故障检测基于(jy)贝叶斯网络-以大鸭岛试验为例温度、电压的概率分布 共五十一页部件故障(gzhng)检测基于(jy)贝叶斯网络-以大鸭岛试验为例气压、相对湿度的条件概率分布 共五十一页部件故障(gzhng)检测基于(jy)贝叶斯网络-以大鸭岛试验为例计算推理共五十一页节点(ji din)故障

6、检测集中式故障(gzhng)检测汇聚节点收集的信息名称描述邻居列表由邻居ID号组成的一个列表链路质量用0（100丢失）至100（100传送）间的一个数来表示字节数节点传输和收到的字节数下一跳路由的下一跳节点（路由表）路径丢失从节点到Sink节点的链接质量的一种衡量（路由表）共五十一页节点故障(gzhng)检测集中式故障(gzhng)检测汇聚节点做出的判断事件名描述用来识别事件的信息节点丢失节点没有出现在任何节点的邻居列表中所有邻居表孤立节点节点没有任何邻居此节点的邻居表路由改变比较当前路由表与上次路由表的变化此节点的路由表信息邻居表改变比较当前路由表与上次的邻居表的变化此节点的邻居表链路质量改

7、变此节点与邻居的链路质量低于统计定义的门槛值。把当前的和以前的链接质量写入日志。此节点的邻居表共五十一页节点(ji din)故障检测分布式故障(gzhng)检测每个节点判断的算法共五十一页内容提要(ni rn t yo)概述 故障(gzhng)模型故障检测故障修复可靠性协议共五十一页故障(gzhng)修复基于连接的修复 部署k连通(lintng)拓扑 非k连通图 基于覆盖的修复 共五十一页故障(gzhng)修复基于连接的修复(xif) -部署k连通拓扑 V7失效会导致网络断开成三部分共五十一页故障(gzhng)修复基于(jy)连接的修复 -部署k连通拓扑 三连通图共五十一页故障(gzhng)修

8、复基于连接的修复(xif) -部署k连通拓扑 在完全图中找最小代价的K连通子图的算法集中式 分布式 共五十一页故障(gzhng)修复基于连接的修复 -非k连通(lintng)拓扑 基站收不到某些节点的消息 共五十一页故障(gzhng)修复基于连接的修复(xif) -非k连通拓扑 重新路由共五十一页故障(gzhng)修复基于连接(linji)的修复 -选择容错节点 Sk可作为S3的容错节点共五十一页故障(gzhng)修复基于(jy)覆盖的修复名称定义计算方法覆盖区域节点单独覆盖的区域整个感知区域去掉与其它节点重叠的感知区域移动区域有效节点移动到该区域即可重新覆盖漏掉的区域以遗漏区域的边界为圆心，

9、节点感知半径为半径作圆所形成的所有区域共五十一页故障(gzhng)修复基于(jy)覆盖的修复共五十一页故障(gzhng)修复基于(jy)覆盖的修复1，初始化阶段；节点计算自己的覆盖区域、每个覆盖区域对应的移动区域。2，恐慌请求阶段；垂死节点广播求助消息。3，恐慌回应阶段；垂死节点的邻居收到求助消息后计算如果自己移动到垂死节点的移动区域，是否会影响到自身的覆盖区域，如果不影响则给求助节点返回消息。4，决策阶段；垂死节点根据收到的回应信息，决定让哪个节点移动。 共五十一页内容提要(ni rn t yo)概述 故障模型故障检测故障修复(xif)可靠性协议共五十一页可靠性协议(xiy)物理层 链路层网

10、络层传输层共五十一页可靠性协议(xiy)物理层 物理层是实现无线网络通信的基石，其可靠性能的优劣直接影响到整个系统的容错能力。物理层主要负责数据的编码调制、解调解码、发送与接收。对于(duy)无线传感器网络节点间的通信，为了使得数据能够被可靠地传输或接收，必须要做到高的接收机灵敏度、低的背景噪声及较强的抗干扰能力。 共五十一页可靠性协议(xiy)链路层 数据链路层主要负责数据流的多路选择、数据帧侦测、媒介访问、差错控制 ，保证了点到点、点到多点的可靠性链接。媒介访问控制为数据传输建立(jinl)通信链路，并提供对共享媒介的公平、有效的访问。它需要减少或避免媒介中的包冲突。 差错控制主要采用自动

11、重发请求（ARQ）和前向纠错（FEC）。 共五十一页可靠性协议(xiy)网络层 建立(jinl)局部多路径共五十一页可靠性协议(xiy)网络层 定向(dn xin)洪泛共五十一页可靠性协议(xiy)传输层事件(shjin)汇聚到Sink共五十一页可靠性协议(xiy)传输层 ESRT协议没有增加存储空间而实现了可靠传输。它由一个拥塞(yngs)控制组件来得到可靠性和控制能量。而且，ESRT运行在SINK上，对于普通节点没有增加任何成本开销。 共五十一页可靠性协议(xiy)传输层 - 从汇聚节点到传感节点的传输 PSFQ（Pump Slowly, Fetch Quickly）为无线传感器网络的重编

12、程或重新指定任务提供了可靠传输，并提供了到接收端延迟保证。源节点低速向网络注入数据包以避免网络拥塞，接收节点有足够的时间来检测(jin c)这些数据包是否丢失，假如发生丢失就请求重传。当节点收到的包序号不等于上一个包序号加1，那么就认为有包丢失。这个节点在收到正确的包之前停止继续发送包。 共五十一页可靠性协议(xiy)传输层 - 从汇聚(hu j)节点到传感节点的传输 PSFQ重传机制 共五十一页谢谢(xi xie)！共五十一页内容摘要无线传感器网络技术讲义。无线传感器网络是一个新兴的研究和工程领域，处理特定问题的最优方法还不明确。传感、供电、通信等部件发生故障，测量值偏离了实际值。节点n在三个可信节点的三角区域内。有向图中的顶点表示变量，边表示变量之间的影响(yngxing)关系。