基于容错发生函数的无线传感网络数据传输模型可靠性计算

In the project, we propose a new definition of reliability of wireless sensor network(WSN) from the point of view of sensing accuracy. Because most WSN reliability problems are associated with sensing data transmission, we study reliability of WSN from two aspects of data transmission and sensing accuracy in this project. According to different topology used by WSN, divide processes of data transmission into three categories，they are processes of data transmission upon topologies of line structure based on chain, planar structure based on mesh and hierarchical structure based on cluster. Establish the two-way consecutive k-out-of-n:F system, k/L/πR*R/m*n:F system based on virtual grid nodes and weighted voting system with k-coverage to describe above three processes of data transmission. Improve UGF method and name it fault-tolerant UGF algorithm, the improved algorithm can test sensing data and correct error of data in the process of reliability evaluation. Use improved new algorithm to calculate the reliability of three established WSN models, and further analyze the impact on WSN reliability made by singal transmission power control, node density, perception thresholds and other parameters. Transfer WSN probabilistic region failure problem to network coverage problem, and use improved fault-tolerant UGF algorithm to calculate degree of WSN reliability attenuation caused by the interference sources in different positions.

本项目从感知精度的角度提出了新的WSN可靠性定义。针对目前WSN可靠性问题大多与感知数据传输有关联这一特点，本项目从数据传输过程和感知精度两方面对WSN可靠性展开研究。根据WSN采用的不同拓扑结构将数据传输过程分为三类，对基于链的线性结构、基于Mesh的平面结构、基于簇的层次结构三类拓扑结构上的WSN数据传输过程进行系统建模，构建双向连续k/n:F模型、虚拟网格节点k/L/πR*R/m*n:F模型、k-覆盖加权表决模型。对UGF算法进行改进提出容错UGF算法，新算法在可靠性评价过程中可对感知数据进行检验和误差修正。利用容错UGF算法对建立的三类系统模型的可靠性进行计算，并进一步研究传感节点功率控制、节点分布密度、感知阈值等参数对WSN可靠性影响程度。将外界干扰引起的WSN概率区域失效问题转换为对应的网络覆盖问题进行求解，根据求解结果利用容错UGF算法研究干扰对WSN可靠性衰减的影响程度。

本项目解决了WSN在不同拓扑结构下的可靠性建模及评价问题。建立了BDTT模型描述线性拓扑结构WSN的数据传输过程，从测量精度、数据融合频次、测量可信度三个角度提出了WSN数据传输可靠性的定义，改进了UGF算法使其具有容错功能，用改进后的算法计算了BDTT模型的可靠性，分析了传感器测量精度、融合次数和累积测量可信度对模型可靠性的影响。建立了分层WVS模型和带不可靠链接的WVS模型描述分簇结构下的WSN数据传输，定义系统的最终决策与系统实际输入相同的概率为系统可靠性，改进UGF算法评价了上述模型的可靠性并进行了灵敏度分析。分析结果显示：带不可靠链接的WVS系统可靠性随着链接可靠性的增加或者节点数量的增加而提高，但节点数超过一定数量后再增加节点系统可靠性不会提高；某一特定链接可靠性的变化对系统可靠性变化的影响程度随着其他链接可靠性和节点数量的增加而下降；当所有其他链接可靠性较高时，某一特定链接可靠性对系统可靠性影响很小；如果系统包含较多节点或链接比较可靠，则所有链接可靠性的变化对系统可靠性变化无影响；当整个系统可靠性很低时，特定链接的可靠性对系统可靠性影响也很小。从K-Coverage的角度定义了网状拓扑WSN的可靠性，建立了2维k/r*r/m*n:F模型用于描述网状拓扑结构WSN的工作机制，并基于有限马尔科夫链理论提出了算法计算了上述模型的可靠性并进行了灵敏度分析，结果显示模型的K覆盖可靠性随K值的增加而降低，随节点分布间距d的减小而增大。将概率区域失效问题逆向映射为对应的覆盖问题，基于现有计算K覆盖可靠性的算法提出了计算逆向模型区域失效概率的算法，并采用Maple软件进行编程，在传感节点随机部署和预定位置部署情况下，仿真计算了部署区域中各子区域易受干扰程度。上述成果可为提高WSN在设计、部署、运行等阶段的可靠性提供有效支持。