無線傳感器網絡數據傳輸容錯技術研究.pdf

1、無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量低成本、微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的多跳自組織網絡系統(tǒng)，其目的是感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域內監(jiān)測對象的信息，并傳輸給匯聚節(jié)點。
　　 在以數據為中心的無線傳感器網絡應用中，由于數目龐大的節(jié)點硬件結構脆弱且能量受限、部署環(huán)境惡劣和無線信道本身不可靠等特性，網絡經常出現(xiàn)節(jié)點損壞、通信鏈路斷開等故障，使得理論上提出的各層

2、網絡協(xié)議往往難以實際應用，因而近年來研究界普遍認識到，傳統(tǒng)基于冗余的容錯(Fault Tolerance)技術由于沒有綜合考慮能量受限等傳感器網絡特性，因而難以在傳感器網絡中實現(xiàn)，節(jié)能高效的容錯技術已經成為傳感網絡研究的關鍵問題。
　　 一般意義上的容錯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。傳感器網絡的容錯性指的是當部分節(jié)點或鏈路失效后，網絡能夠進行傳輸數據的恢復或者網絡結構自愈，從而盡可能減小節(jié)點或鏈路失

3、效對傳感器網絡功能的影響。目前相關學術研究主要集中在以下三個方面：
　　 部署覆蓋中的容錯。傳感器網絡的部署階段，研究主要關注于在部分節(jié)點、鏈路失效的情況下，如何事先部署或事后移動、補充傳感器節(jié)點，從而保證對監(jiān)測區(qū)域的覆蓋和保持網絡節(jié)點之間的連通。
　　 事件檢測中的容錯。傳感器網絡應用于外部環(huán)境中特定事件的偵測，如火災、入侵等等。研究主要關注于當網絡部分失效時，如何判斷當地傳感器節(jié)點發(fā)出的信息是否正確、綜合多個傳感器節(jié)

4、點的匯報信息之后做出的決策是否正確，以及如何最終保證對特定事件檢測的成功率等。
　　 數據傳輸中的容錯。傳感器網絡作為一項新型的信息采集技術，將數據傳輸到匯聚節(jié)點是非常重要的環(huán)節(jié)，研究主要考慮當部分節(jié)點或鏈路失效時，數據如何在網絡中存儲、聚合、傳輸、恢復等問題，主要關注網絡層及其以上層的容錯技術和策略。
　　 本文針對傳感器網絡容錯性的需求及容錯問題的研究現(xiàn)狀，基于數據冗余和路徑冗余方法，對傳感器網絡數據傳輸過程中的容錯

5、技術進行了研究。本文的研究從五個方面展開：(1)傳感器網絡節(jié)點失效分析和模型研究，該模型提供了對協(xié)議、算法進行容錯檢驗的平臺；(2)適應傳感器網絡特性的數據源節(jié)點前向糾錯(FEC)算法研究；(3)基于網絡編碼技術的數據轉發(fā)節(jié)點容錯編碼研究；(4)基于路徑冗余和跨層設計的數據轉發(fā)節(jié)點容錯選路算法研究；(5)集成以上單元容錯技術的分簇傳感器網絡簇內數據交換和簇間數據傳輸的效率及容錯性研究。
　　 本文取得的研究成果包括如下幾個方面：

6、
　　 1.基于數據包的自適應前向糾錯編碼算法：針對現(xiàn)有的前向糾錯碼編碼復雜、計算量大而不適用于傳感器網絡的問題，提出一種以數據包為處理對象的自適應FEC 編碼。該編碼采用異或運算，編解碼速度快，同時提出了可以進行失效路徑診斷的路由反饋機制。
　　 2.容錯網絡編碼技術：針對數據傳輸中間節(jié)點現(xiàn)有容錯技術效率不高的問題，提出一種結合多路徑路由和隨機網絡編碼的數據傳輸機制。該機制結合多路路徑，采取低計算復雜度的線性隨機網絡編

7、碼算法，在保證能量有效性的同時能夠對數據包的丟失進行較好的恢復。
　　 3.能量感知的容錯路由協(xié)議：針對現(xiàn)有的傳感器網絡路由協(xié)議沒有考慮容錯性的問題，采用跨層設計提出了一種能量感知的、基于路徑冗余的容錯路由協(xié)議。該協(xié)議利用延時測量的方法檢測節(jié)點失效，并通過將網絡層控制消息附著于MAC 層的方式減小控制開銷，可以在能量有效的情況下提供較好的實時性和容錯性。
　　 4.分簇傳感器網絡數據傳輸容錯策略：以分簇的無線傳感器網絡為