基于温备节点的无线传感网络在井下可靠性研究

赵玉荣

安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001

基于温备节点的无线传感网络在井下可靠性研究

赵玉荣

安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001

随着无线传感网络的应用越来越广泛，在矿井中的可靠性变得越来越重要。为了更全面的评价无线传感网络的可靠性，一方面在讨论节点重要性的基础上引入了切比雪夫不等式，另一方面考虑链路通信容量对网络可靠性的影响，采用容量归一化加权的方法得出关于链路对无线传感网络可靠性的另一个指标，所得的数据经处理得到网络的可靠性。文中对一个典型的拓扑结构进行分析运算，得出网络的可靠性。通过对不同的拓扑结构进行仿真，得到网络可靠性的变化趋势。

链路通信容量；切比雪夫不等式；无线传感网络；容量归一化加权

link communicaticoanps acity; chebysheiv nequality; wireless networksc; apacity normalizewd eight ed technology

引言

无线传感网络是一种面向设备间信息交互的无线通信技术，对于一些环境比较恶劣、人迹罕至的区域，部署传感器网络已经成为越来越迫切的需求。目前对无线传感网络可靠性的研究大多都是单一性方面的可靠性研究，不能反映网络的整体的可靠性，这样的话就把网络的可靠性限制在了一定的范围之内。另外对于一般的传感器网络，网络中的节点处理数据的能力是相同的，但是对于一些比较重要的点，需要处理的数据量很大，如果还和普通的节点一样，就会造成数据的阻塞影响网络的正常的运行。

1.通信模型与算法

通常把网络抽象成只有节点和链路的网络拓扑结构，网络中的节点是独立且不孤立的；网络中不存在自身无限循环和定向无限循环的链路；节点和链路只有正常和故障两种状态且不同的链路正常和故障的概率不同。网络可靠性的度量[1]，利用节点删除法判断该节点删除后所生成的树的数目，通过归一化各节点的重要性得到各节点重要性的均值，把重要性大于均值的节点设置为温备节点。温备节点采用双机容错技术不仅对于维护网络的可靠性具有重要的作用，而且实现简单、性能稳定。利用文献[1]可得到基于节点重要性的网络均衡度的计算方法。假设网络中有n个节点，其公式为:

切比雪夫不等式:

X表示各节点的重要性归一化之后的均值，若归一化后的期望值E(X)和方差D(X)均存在则对于任意ε＞0，恒有：根据文献[1]介绍期望值E(X)恒为1，所以上式也可写成：

其中公式(3)中p1是节点重要性归一化之后在期望值附近波动的概率。对于网络拓扑结构中节点m到节点n的链路被分成两部分：第一部分是由直接与网络中温备节点相连的节点所形成的链路xi，剩下的那部分就是普通的节点组成的链路xj。综合考虑时延等各种因素的影响，两种链路正常工作时概率分别是p1i，p2j。用布尔代数积表示由各链路连接组成的路由或网络状态，用布尔代数和表示网络中并存多条路由和状态。当两个逻辑表达式至少存在一对相应的元素互为反变量，则称两个表达式不相交，这些不相交的表达式的集合就是不交化状态集。对于节点m和n形成的不交化状态集S，可以根据是否与温备节点相连计算其出现的概率ps：

通过公式(4)算出节点不交化状态对应容量下的可靠性指标[2]：

可得到网络可靠性的概率为：

2.算法的实现及仿真

如图1所示，是一种典型的通信网络拓扑结构模型：

图1 简单的典型无线传感网络

图1中的点为网络中的传感器节点，xi为两节点之间的原变量，用来表示两点之间是否接通。

首先，讨论节点的重要性对网络可靠性的影响，根据文献[1]中的算法得到其方差D=0.0078。按照切比雪夫不等式，对于给定的不同的 值所产生的概率如表1所示：

表1 不同ε下的概率值的大小及概率均值

其次，讨论链路通信容量对网络可靠性产生直观的影响。各链路xi的概率并不相同，区分的关键在于是否与温备节点相连。矿井中的无线传感网络各链路与温备节点相连或不连时正常工作的概率分别为p1i=0.97，p2i=0.92。设各链路的传输容量为：C=[6,8,5,10,4,6,7]

结合文献[2]可以算出可靠性指标为：

最后，综合性考虑节点和链路的影响，可以得到可靠性为：

图2 不同拓扑结构中节点重要性值在均值附近的节点百分比对网络可靠性影响

通过对不同的拓扑结构的仿真我们得到图2所示的曲线。从图2可知在无线传感网络中，随着在均值附近节点所占的百分比的增多网络的可靠性也随之增加。基于温备节点的无线传感网络具有较高的可靠性，能够全面、客观地对网络的可靠性进行评价。

3.结语

综上所述，在探讨矿井下网络可靠性中引入切比雪夫定理，把单一的节点对网络的可靠性影响和链路对网络可靠性的影响结合在一起，对网络的可靠性进行了比较全面的、系统的讨论，避免了讨论单一量对网络可靠性造成误差。对于复杂的大规模的网络具有良好的适用性，从不同角度准确的分析了网络的可靠性指标，具有一定的参考价值。

[1]余旭涛,张在琛,毕光国. 一种基于Ad-hoc网络可靠性度量——网络均衡度[J].应用科学学:自然科学版,2005,23(6): 582-585.

[2]戴伏生,董学励.基于可靠性指标的通信网链路重要性评估方法[J],南京邮电大学学报:自然科学版,2007, 27(1):11-18.

[3]姜禹，胡爱群,潘婷婷.基于链路重要性的分布式网络可靠性评价方法[J],东南大学学报:自然科学版，2008, 31(4):547-552.

[4]徐雪鑫, 梁家荣, 宋小天. 无线传感器网络中节点失效的可靠性研究[J], 微电子学与机,2011,28(6):95—99.

饶玉萍,林竞羽,周东方. 网络抗毁度和节点重要性评价方法[J]. 计算机工程,2009,35(6),14-16.

Research on reliability of wireless networks working in mines based on warm standby nodes

Zhao yurong
Institute of Electric and Information Technology, Anithyu oi fU Snciiveenrcse and Technology, Huainan 232001, China

With the wirelesss ensor networks used mor e and more widely,itsr eliabilityi n the min e becominmg ore and more importanFt. or a mor e comprehensaivses essmenot f the reliability of wirelesss ensor networks, On the one hand on the basis of the nodei mportancdei scussintg he Chebysheiv nequalitiys introduceOd. n the othe r hand, using the methodo f capacity normali zed weighteod btains anotheir ndicatoor f the link to wirelesss ensor networksr eliability by consider ing the impact of the link communicatcioanps acityt o networkr eliabilityF. inally, obtain the netwo rk reliabilitby y processindg ata. the reliabilitoy f the network was draw out in this paper by a typical topologay nalysis calculationT. hroughs imulatioonf the differentt opologi,e s networkr eliabilitty rends was got.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.11.080

赵玉荣 (1987--)，女，汉，安徽淮北人，在读硕士，安徽理工大学电气与信息工程学院电路与系统专业。