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無線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)用研究必須面對的重要課題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被大量用于環(huán)境檢測等領(lǐng)域。提高計(jì)算和無線通信能力，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、合作目標(biāo)跟蹤等任務(wù)。由于對系統(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)的可靠性問題。為此，用解析方法和模擬方法對傳感器網(wǎng)絡(luò)陣列的可靠性進(jìn)行分析。通過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：無線傳感器網(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、無線射頻技術(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、建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)測和軍事跟蹤偵察，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都得到了廣泛應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的好處在于它能夠通過環(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微型傳感器組成，這些傳感器都具有無線通信以及對遙測數(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，這個過程即所謂的數(shù)據(jù)融合。
相比于單個傳感器有限的通信范圍，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)所分散的區(qū)域要大得多。因此，一個給定的傳感器一般不能直接與其他所有檢測到共同事件的傳感器進(jìn)行通信。傳感器檢測到的事件以及與事件有關(guān)的信息通過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，是對遙測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的一個衡量。
由于傳感器經(jīng)常被放置在惡劣的環(huán)境下，損壞的傳感器上錯誤的數(shù)據(jù)會影響到最終結(jié)果的正確性。因此，取得可信的數(shù)據(jù)對于改善網(wǎng)絡(luò)的可靠性是非常重要的。使用多個傳感器同時(shí)監(jiān)測同一地點(diǎn)可以確保提高監(jiān)測質(zhì)量[1]。從附近傳感器上所得的數(shù)據(jù)可以用來辨別給定地點(diǎn)所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。筆者通過解析方法[2-6]和RBD 模擬方法對傳感器陣列的可靠性進(jìn)行分析。由于對系統(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。
對于一個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(無論是水平、垂直、對角位置相鄰)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)，可以很簡單地將傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性視為k/n 表決系統(tǒng)來計(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)可靠性就不能夠簡單地視為標(biāo)準(zhǔn)的k/n 表決系統(tǒng)來計(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。但是對于2×2 的傳感器陣列是個例外，因?yàn)樗辉试S一個傳感器失效，任意2 個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，對于一個4×4 的傳感器陣列。 (4)確定有2、3、4 個傳感器失效但不相鄰的過程比較繁雜。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2×2 模塊，而將每個模塊都視為一個標(biāo)準(zhǔn)的3/4 表決系統(tǒng)。
如圖3 所示。經(jīng)過上述劃分后，只要每個模塊都滿足3/4 表決系統(tǒng)要求，便不會出現(xiàn)有相鄰傳感器失效的情況。要注意的是，在上述劃分中，有的傳感器會被劃分到多個模塊中，如傳感器5會被4 個模塊同時(shí)包含。盡管如此，系統(tǒng)的可靠性不會被低估，因?yàn)樗械哪K具有相同的源，作為一個整體計(jì)算。按照上述方法，一個3×3 傳感器陣列可按圖4 的方式在RBD 中模擬。每個模塊分布與先前單個濕度傳感器使用壽命分布函數(shù)相同，通過ReliaSoft Blocksim軟件，可得到系統(tǒng)的可靠性曲線，如圖5 所示。將圖5 與圖2 進(jìn)行比較，二者符合得很好。
需要說明的是，在圖4 的可靠性框圖中，會出現(xiàn)一種情況，即傳感器1、3、7、9 同時(shí)失效。此時(shí)每個劃分模塊都滿足3/4 表決系統(tǒng)要求，即沒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3 個。此類情況對于系統(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，單個傳感器的可靠性降低，此類情況對于系統(tǒng)的可靠性影響將增加。例如，當(dāng)單個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，通過解析方法很難直接得到結(jié)果。通過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)化的無線傳感器網(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)
[2] 常柏林, 孫連霞, 馬昆林, 等. 厚膜濕度傳感器壽命特征值的估計(jì)[J]. 傳感器技術(shù), 2004, 23(8): 25-26.
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