無(wú)線(xiàn)傳感器陣列的可靠性分析
摘要：如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究必須面對(duì)的重要課題。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)被大量用于環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。提高計(jì)算和無(wú)線(xiàn)通信能力，將傳感器的作用由單純的信息傳播，擴(kuò)大至更加精細(xì)的傳感器信息融合、分類(lèi)、合作目標(biāo)跟蹤等任務(wù)。由于對(duì)系統(tǒng)失效模式的特殊定義，傳統(tǒng)的解析方法不能解決大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性問(wèn)題。為此，用解析方法和模擬方法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)陣列的可靠性進(jìn)行分析。通過(guò)RBD 模擬方法得到的3×3 傳感器陣列的可靠性結(jié)果，與數(shù)學(xué)解析方法所得結(jié)果符合得很好。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò);k/n 表決系統(tǒng);可靠性框圖
0、引言
隨著大型集成電路、無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)以及嵌入式處理器技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用，以便能夠從環(huán)境中隨時(shí)隨地獲得諸如溫度、壓力等物理量正在成為現(xiàn)實(shí)。在最新的許多研究領(lǐng)域，如危險(xiǎn)環(huán)境探測(cè)、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和軍事跟蹤偵察，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)都得到了廣泛應(yīng)用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的好處在于它能夠通過(guò)環(huán)境中大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，提供大面積的物理特性讀數(shù)。這樣的傳感器網(wǎng)絡(luò)通常都由幾百甚至上千個(gè)微型傳感器組成，這些傳感器都具有無(wú)線(xiàn)通信以及對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理的能力。由傳感器得到的信息，最終傳送到中央服務(wù)器或接收器。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)受能量以及通信帶寬的限制，對(duì)所得數(shù)據(jù)就地進(jìn)行分析，在途中進(jìn)行處理，減少到達(dá)接收器的數(shù)據(jù)流量是非常重要的，這個(gè)過(guò)程即所謂的數(shù)據(jù)融合。
相比于單個(gè)傳感器有限的通信范圍，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)所分散的區(qū)域要大得多。因此，一個(gè)給定的傳感器一般不能直接與其他所有檢測(cè)到共同事件的傳感器進(jìn)行通信。傳感器檢測(cè)到的事件以及與事件有關(guān)的信息通過(guò)多層次的融合最終在接收器處匯總。在接收器的匯總報(bào)告的可信度，是對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的一個(gè)衡量。
由于傳感器經(jīng)常被放置在惡劣的環(huán)境下，損壞的傳感器上錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)會(huì)影響到最終結(jié)果的正確性。因此，取得可信的數(shù)據(jù)對(duì)于改善網(wǎng)絡(luò)的可靠性是非常重要的。使用多個(gè)傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)同一地點(diǎn)可以確保提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量[1]。從附近傳感器上所得的數(shù)據(jù)可以用來(lái)辨別給定地點(diǎn)所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。筆者通過(guò)解析方法[2-6]和RBD 模擬方法對(duì)傳感器陣列的可靠性進(jìn)行分析。由于對(duì)系統(tǒng)失效的特殊定義，需要將傳感器陣列進(jìn)行重新劃分后再進(jìn)行模擬計(jì)算。
1、系統(tǒng)失效定義及解析法
與其他的復(fù)雜系統(tǒng)一樣，一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)有多種故障模式。這里首先討論以二維網(wǎng)格形式布置的傳感器陣列的可靠性。
對(duì)于一個(gè)n× n的傳感器網(wǎng)絡(luò)陣列，系統(tǒng)故障有以下2 種情況，其中任何一種情況發(fā)生即視為系統(tǒng)失效。
1)失效的傳感器數(shù)量大于給定的數(shù)值k，一般k≤n。
2)有相鄰的傳感器失效。
在圖1(a)的傳感器布局中，最多可以有6 個(gè)傳感器失效。當(dāng)圖1(a)中圈所有的傳感器失效時(shí)，系統(tǒng)仍然能夠在可接受的失效范圍內(nèi)工作。在圖1(b)的傳感器布局中，當(dāng)有相鄰位置(無(wú)論是水平、垂直、對(duì)角位置相鄰)的傳感器失效時(shí)，即視為系統(tǒng)失效。當(dāng)只按照第一種方式定義失效時(shí)，可以很簡(jiǎn)單地將傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性視為k/n 表決系統(tǒng)來(lái)計(jì)算。這里n 為總的傳感器數(shù)量，k 為要求正常工作的傳感器數(shù)量。但是，當(dāng)考慮第二種失效方式時(shí)，系統(tǒng)可靠性就不能夠簡(jiǎn)單地視為標(biāo)準(zhǔn)的k/n 表決系統(tǒng)來(lái)計(jì)算。因?yàn)榇藭r(shí)，這樣的方法得到的是系統(tǒng)可靠性的上界。但是對(duì)于2×2 的傳感器陣列是個(gè)例外，因?yàn)樗辉试S一個(gè)傳感器失效，任意2 個(gè)傳感器失效都將是相鄰的。此時(shí)系統(tǒng)可靠性即按照標(biāo)準(zhǔn)的k/n 系統(tǒng)計(jì)算。在圖2中，按一般濕度傳感器參數(shù)取值，取β = 2.24,η = 16100。但是，隨著傳感器數(shù)量的增加，同時(shí)考慮維修時(shí)間和成本、零件供應(yīng)和維修人員等情況后，獲取可靠性和可行性的解決方案將變得十分困難，甚至是不可能的。例如，對(duì)于一個(gè)4×4 的傳感器陣列。 (4)確定有2、3、4 個(gè)傳感器失效但不相鄰的過(guò)程比較繁雜。因此，利用模擬仿真成為一種可行的方法。
2、利用RBD 仿真解決方案
鑒于前文對(duì)于系統(tǒng)失效的定義，相鄰的傳感器不能同時(shí)失效。因此，在可靠性框圖(RBD)中，可將傳感器陣列劃分為若干個(gè)2×2 模塊，而將每個(gè)模塊都視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的.3/4 表決系統(tǒng)。
如圖3 所示。經(jīng)過(guò)上述劃分后，只要每個(gè)模塊都滿(mǎn)足3/4 表決系統(tǒng)要求，便不會(huì)出現(xiàn)有相鄰傳感器失效的情況。要注意的是，在上述劃分中，有的傳感器會(huì)被劃分到多個(gè)模塊中，如傳感器5會(huì)被4 個(gè)模塊同時(shí)包含。盡管如此，系統(tǒng)的可靠性不會(huì)被低估，因?yàn)樗械哪K具有相同的源，作為一個(gè)整體計(jì)算。按照上述方法，一個(gè)3×3 傳感器陣列可按圖4 的方式在RBD 中模擬。每個(gè)模塊分布與先前單個(gè)濕度傳感器使用壽命分布函數(shù)相同，通過(guò)ReliaSoft Blocksim軟件，可得到系統(tǒng)的可靠性曲線(xiàn)，如圖5 所示。將圖5 與圖2 進(jìn)行比較，二者符合得很好。
需要說(shuō)明的是，在圖4 的可靠性框圖中，會(huì)出現(xiàn)一種情況，即傳感器1、3、7、9 同時(shí)失效。此時(shí)每個(gè)劃分模塊都滿(mǎn)足3/4 表決系統(tǒng)要求，即沒(méi)有相鄰的傳感器失效，但此時(shí)失效的傳感器總數(shù)已經(jīng)超過(guò)3 個(gè)。此類(lèi)情況對(duì)于系統(tǒng)的可靠性貢獻(xiàn)非常小。以3×3 的傳感器陣列為例，假設(shè)每個(gè)傳感器的可靠性為0.95，此時(shí)系統(tǒng)可靠性為0.054 × 0.955 = 4.83613×10?6 ， (5)等同于失效。但是，隨著傳感器使用壽命增加，單個(gè)傳感器的可靠性降低，此類(lèi)情況對(duì)于系統(tǒng)的可靠性影響將增加。例如，當(dāng)單個(gè)傳感器可靠性降低為0.7 時(shí)，系統(tǒng)可靠性為0.34 × 0.75 = 0.00136137 ， (6)影響依舊很小。
3、結(jié)論
用解析方法和模擬方法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)陣列的可靠性進(jìn)行了分析。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，通過(guò)解析方法很難直接得到結(jié)果。通過(guò)RBD 模擬方法得到的3×3 傳感器陣列的可靠性結(jié)果與解析方法所得結(jié)果符合得很好。
[參考文獻(xiàn)](References)
[1] 程大偉, 趙海, 孫佩剛, 等. 基于聯(lián)合優(yōu)化的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2007,20(12): 2701-2708.
Cheng Dawei, Zhao Hai, Sun Peigang, et al. Study on reliability transmission based on joint optimization forwireless sensor networks [J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2007, 20(12): 2701-2708.(in Chinese)
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