收藏本站
《南京邮电大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

无线传感器网络容错关键技术研究

杨健  
【摘要】:故障容错是无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)应用中的一项关键技术。无线传感器网络中的节点失效、通信链路故障和数据的丢失等问题是不可避免的,其根本原因是无线传感器网络在部署、通信、供电、数据感知和采集等方面存在诸多的不确定性,并且无线传感器节点容易受到节点能量、计算性能、工作环境等因素的干扰。如果在实际应用的场景中出现节点失效、网络链路丢失等故障,将会影响到整个网络的工作效率、安全和服务质量。因此,如何消除故障的影响,提高无线传感器容错能力是一个值得关注的问题,无线传感器网络容错关键技术的研究具有重要的理论意义和较大的实用价值。无线传感器网络产生故障的原因可能是部署节点的失效、链路错误、网络拥塞、以及接收器或基站错误等,涉及到网络部署、路由、数据处理等环节。为了提高WSN的容错能力和鲁棒性,本文以空间冗余(如冗余的传感器节点)和信息冗余、数据冗余(如接收到的冗余数据)为研究对象,对无线传感器网络在部署、路由、数据处理过程中的容错技术进行了充分的研究。包括如下四个方面:(1)基于拓扑控制的WSN容错机制研究;(2)基于路由冗余的WSN容错机制研究;(3)基于异常数据修复的WSN容错机制研究;(4)基于冗余数据聚类的WSN容错机制研究。本文的主要工作和贡献如下:第二章中工作的创新点包括:从路径生存时间的角度优化了DPV(Disjoint Path Vector)算法,解决了个别高频使用节点生存时间短问题,从而达到提高整网能量使用均衡的目的,即,为了解决基于k顶点连通的WSN容错拓扑控制技术存在计算复杂度和耗能严重等问题,本文提出了一种基于独立路径生存时间优化控制的分布式无线传感网络拓扑容错控制方法:非相交路径生存时间优化控制算法(Disjoint Path Vector Live Time Optimize,DPLTO),算法基于DPV算法的思想,从路径生存时间角度进行优化,以延长网络生存周期。DPLTO算法包含两个阶段:初始化阶段和连通恢复阶段。初始化阶段构造一个最优化WSN拓扑,达到获取高质量的恢复路径时能耗最少的目的。在连通恢复阶段中,DPLTO算法引入了路径容忍失效时间机制。通过对路径容忍时间的动态调整,能够降低恢复阶段的路由信息交互,从而进一步降低由于故障节点引起的连锁反应造成的能量耗损。这种机制也能有效解决多节点并发故障时造成的故障容忍度低的问题。此外,DPLTO算法采用动态地调整传感节点的传输功率,从而优化能量耗损和网络的拓扑结构,以达到延长WSN网络的生命周期的目的。DPLTO从局部能耗的角度进行了考虑,即DPLTOP考虑WSN的拓扑路径上的平衡能量耗损、计算复杂度和网络恢复效率等方面的问题。仿真结果表明,DPLTO算法可以有效地保证网络的k-顶点连通性,从而延长整个网络的生命周期。第三章中工作的创新点包括:引入新的分析参数并提出了新的路由算法:引入节点能耗和节点能量参数进行节点生存指数计算,提出后向能量有效冗余路由选择算法,提高了节点生存时间,在关键节点即族头节点失效前能有效地解决备份路由选择问题,提供了高效而具有低复杂度的容错机制。即,针对WSN路由冗余设计中冗余节点引起的能耗过多问题,提出了一种基于路由冗余的WSN网络故障容错方法BRFTR(Backward Redundant Fault-Tolerant Routing),以达到网络节能的目的。该方法引入了节点能耗度和节点生存指数两个重要的参数。其中,能耗度参数通过利用节点工作时间和能量消耗情况两方面信息进行计算;节点生存指数通过邻居节点寿命和能耗度参数这两方面信息进行计算。在BRFTR方法中,使用蚁群启发式算法用于控制路由冗余休眠和工作两种状态间的交替,将路由冗余的能耗控制在合理的范围内,从而防止WSN网络由于某些关键节点提前失效致使性能下降的问题产生。此外,该算法在路由阶段以能量有效的方式来选择下一跳簇头节点,并且在簇头失效的前提下,恢复其邻居节点的连通性,即BRFTR算法提供了故障容忍机制,以便在簇头节点失效的情况下可以将数据传输到基站节点。通过实验仿真和结果分析可以看出,BRFTR不仅能高效地控制网关节点的能量消耗,而且能够延长网关节点的生命周期,从而提高网络的可用性。第四章中工作的创新点包括:尝试使用灰度模型来解决传感器网络数据检测与恢复问题:提出基于灰度模型的异常数据检测和恢复,对丢失、错误、突变、无效的数据有效的进行识别和修复。在第四章中,针对传感器节点或者无线传感器网络链路出现故障时,网络采集的数据可能存在丢失、错误、无效等异常问题,本文提出了一个包含两个阶段的ELOFGM(Extended Local Outlier Factor and Grey Model)算法:异常点检测阶段和异常点修复阶段。在异常点检测阶段,ELOFGM算法通过计算相邻两个时间窗口内所有数据点的标准差的比值,可以在缺乏数据全局信息的情况下,有效地对丢失、错误、无效类型的异常数据进行识别。在异常点修复阶段,应用灰度理论,构建了针对冗余数据的GM(1,1)模型。通过实验仿真和结果分析可以看出,GM(1,1)可以有效地完成对异常数据的修复,从而提高了数据的质量。第五章中工作的创新点包括:将R-PCA算法应用到传感器网络中,实现容错性能的提升,提出的多变量数据恢复的容错方法,有效利用WSN分布式的特点,提升了数据检测和修复精度。针对高密度的分布式传感器节点的部署,可能形成较高的相关性和节点冗余等特点,导致WSN感知的数据存在较高冗余的问题,本文结合冗余数据,应用k-means聚类的思想,在无线传感器网络故障检测R-PCA算法的基础上,提出一种基于多变量数据恢复的容错算法MDRR-PCA(Multivariate Data Recover Recursive PCA)。由于R-PCA方法的主成分转换基的提取是通过递归的方式来实现的,使得MDRR-PCA算法能够适应动态变化的无线传感器网络。MDRR-PCA算法有两大特点:(1)直接操作无线传感器网络中的簇头,因此可以有效地容忍故障孤立点;(2)充分利用邻居节点的同一个物理变量的传感数据的相关性高于来自同一节点采集的不同物理变量的数据的原理。通过实验仿真和结果分析可以看出,MDRR-PCA在故障检测精度、数据恢复精度均具有较优的性能。相对于传统的方法,在故障检测精度上提高了20%左右,在数据恢复的误差上降低了约28%。综上所述,本文系统地研究了无线传感器网络在网络部署、路由、数据处理过程中的容错问题。基于空间冗余、信息冗余和数据冗余研究了面向网络连通性和传输数据有效性的容错机制。针对网络拓扑、网络路由和网络中传输的数据,分别提出了对应的容错机制。通过仿真实验和结果分析,证明了本文提出的算法在容错方面的有效性,提升了无线传感网络的健壮性,延长了无线传感网络的生命周期,从而为提供更好的网络服务打下坚实的基础。
【学位授予单位】:南京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP212.9;TN929.5

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张新华;;基于ICA独立成分和加权依赖贝叶斯的传感器节点故障诊断[J];重庆师范大学学报(自然科学版);2015年02期
2 沈苏彬;林闯;;专题前言:物联网研究的机遇与挑战[J];软件学报;2014年08期
3 毛燕琴;沈苏彬;;物联网信息模型与能力分析[J];软件学报;2014年08期
4 张涛涛;白显宗;郝嘉;陈磊;;基于预报偏差的LEO航天器轨道异常检测[J];中国空间科学技术;2012年05期
5 沈苏彬;;物联网参考模型的分析[J];电信网技术;2012年01期
6 李超良;邢萧飞;刘跃华;;一种新型覆盖连通率计算方法[J];计算机应用;2011年12期
7 陈洁;赵全明;;基于冗余节点的LEACH协议的改进[J];电子设计工程;2011年22期
8 王换招;孟凡治;李增智;;高效节能的无线传感器网络覆盖保持协议[J];软件学报;2010年12期
9 廖国琼;李晶;;基于距离的分布式RFID数据流孤立点检测[J];计算机研究与发展;2010年05期
10 沈苏彬;范曲立;宗平;毛燕琴;黄维;;物联网的体系结构与相关技术研究[J];南京邮电大学学报(自然科学版);2009年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王禹;分布式存储系统中的数据冗余与维护技术研究[D];华南理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 翟宇坤;移动通信网络中定时同步系统装置的设计与实现[D];北京邮电大学;2011年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨冬琪;赵金龙;郭成龙;王政禄;;掌上兼职营智能感知系统的设计[J];数字技术与应用;2016年12期
2 缪运泽;金光;傅松寅;王让定;;安全能源计量系统网关的设计与实现[J];数据通信;2015年06期
3 易辉;何友全;李源;;物联网Dyser系统预测模型比较及其改进[J];科技经济导刊;2015年18期
4 苏小波;周海波;严志雁;;农业物联网数据处理若干关键技术[J];南方农业;2015年36期
5 陈娇花;;基于云平台的移动医疗健康服务系统的设计与实现[J];电子设计工程;2015年24期
6 林淑玲;;物联网技术在校园安防中的应用研究[J];科技风;2015年23期
7 刘霞;周博;朱运利;;基于物联网技术的医疗监护网络系统研制[J];实验室研究与探索;2015年12期
8 张杰;;智能建筑的物联感知系统设计[J];数字技术与应用;2015年12期
9 许荻迪;;互联网+能为银行业加上什么[J];特区经济;2015年11期
10 何冀军;卫兵;潘洁珠;;项目驱动的物联网专业课程教学改革与实践[J];合肥师范学院学报;2015年06期
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 杨健;无线传感器网络容错关键技术研究[D];南京邮电大学;2017年
2 王丽莎;分布式存储系统中多节点修复问题的研究[D];西南交通大学;2017年
3 李红艳;针对固态盘的I/O优化技术研究[D];华中科技大学;2016年
4 游鹏飞;分布式存储系统中基于纠删码的备份与修复技术研究[D];国防科学技术大学;2015年
5 王国华;高效重复数据删除技术研究[D];华南理工大学;2014年
6 刘应波;太阳望远镜海量数据存储关键技术研究[D];中国科学院研究生院(云南天文台);2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 王暘;无线通信信号测试系统时钟同步控制方法研究及实现[D];中国科学院大学(工程管理与信息技术学院);2013年
2 钱澄浩;基于三维磁场测量的全并联AT牵引网故障定位方法研究[D];西南交通大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李强;;一种基于诊断融合技术的传感器节点故障诊断[J];科技通报;2013年04期
2 刘嵩;罗敏;向军;张国平;;基于小波变换和独立成分分析的人脸识别[J];华中师范大学学报(自然科学版);2012年02期
3 严萍;张兴敢;柏业超;杜仲林;;基于物联网技术的智能家居系统[J];南京大学学报(自然科学版);2012年01期
4 周纯杰;黄雄峰;秦元庆;巴进明;王烨;陈辉;;无线传感器网络隧道施工监控系统设计与实现[J];计算机工程与设计;2011年07期
5 李玲俐;;数据挖掘中分类算法综述[J];重庆师范大学学报(自然科学版);2011年04期
6 吴学军;雷雄;;基于低功耗器件的无线环境监测器设计[J];电子技术应用;2011年05期
7 刘凯;彭力;;分簇式无线传感器网络节点故障诊断算法研究[J];传感器与微系统;2011年04期
8 杨旭;刘静;吴相彬;王荣兰;于友成;王人冬;张耀;李大卫;;利用TLE数据分析LEO卫星轨道异常的新方法——综合判据法[J];空间科学学报;2011年02期
9 王换招;孟凡治;李增智;;高效节能的无线传感器网络覆盖保持协议[J];软件学报;2010年12期
10 顾晶晶;陈松灿;庄毅;;基于无线传感器网络拓扑结构的物联网定位模型[J];计算机学报;2010年09期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 田敬;对等存储系统中的数据可用性与安全性研究[D];北京大学;2007年
2 周婧;P2P分布存储系统中海量数据的数据一致性维护技术研究[D];国防科学技术大学;2007年
3 万武南;分布式安全存储系统纠删码技术的研究[D];中国科学院研究生院(成都计算机应用研究所);2006年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 黄海剑;;几种典型无线传感器网络中的自身定位算法[J];巴音郭楞职业技术学院学报;2012年02期
2 龙俊;;浅析无线传感器网络技术的特点与应用[J];广东职业技术教育与研究;2019年06期
3 马康忠;;无线传感器网络应用若干关键问题研究[J];电子测试;2019年09期
4 张秀;;关于无线传感器网络在桥梁监测中的应用研究[J];南方农机;2019年19期
5 刘伟;刘亚荣;李卓;徐丹彤;;《无线传感器网络》实验课程教学改革探析[J];科技视界;2019年32期
6 尚建贞;;无线传感器网络中的自身定位系统研究[J];信息与电脑(理论版);2019年22期
7 刘蓉;;基于性价比的无线传感器网络能量空洞避免研究[J];电子制作;2017年22期
8 郭祥东;;无线传感器网络的技术特点及应用[J];中国新技术新产品;2018年09期
9 吴瑞睿;刘洁琳;;无线传感器网络综述[J];科技创新与应用;2018年14期
10 李志杰;;无线传感器网络的研究现状及主要应用[J];南方农机;2018年18期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 丁翠;牛长流;李建军;秦爱梅;;浅析无线传感器网络中的协作信号与信息处理[A];《教师教学能力发展研究》科研成果集(第十一卷)[C];2017年
2 吴佳;苏丹;袁卫国;;智能电网中的认知无线电传感器网络[A];2016智能电网发展研讨会论文集[C];2016年
3 张争明;林春;应怀樵;;化工安全领域的一种无线传感器网络设计[A];第二十二届全国振动与噪声应用学术会议论文集[C];2009年
4 周杨;张冬梅;查选;;基于时空模型的无线传感器网络入侵检测算法[A];第十届中国通信学会学术年会论文集[C];2014年
5 王晓;牛长流;魏晓东;王迪;;基于超声波的无线传感器网络定位设计[A];第十届中国通信学会学术年会论文集[C];2014年
6 林吉;齐晋维;李晖;;无线传感器网络测距技术综述[A];第十三届沈阳科学学术年会论文集(理工农医)[C];2016年
7 于海斌;曾鹏;;中国无线传感器网络的研究进展与挑战[A];2007-2008控制科学与工程学科发展报告[C];2008年
8 李娜;翟建设;;无线传感器网络数据融合设计[A];第三届长三角气象科技论坛论文集[C];2006年
9 王培国;陈芳群;闫斌;;基于无线传感器网络的通信枢纽安防系统的设计[A];四川省通信学会2009年学术年会论文集[C];2009年
10 高静;李建中;;无线传感器网络数据收集算法研究进展[A];黑龙江省计算机学会2009年学术交流年会论文集[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 党博文;昕诺飞:打造全球最大传感器网络[N];通信产业报;2018年
2 四川科技职业学校鼎利学院 刘桄序;物联网无线传感器网络中传感器应用热点[N];电子报;2017年
3 赛迪顾问半导体产业研究中心分析师 李龙;工业无线传感器网络产品前景广阔[N];中国计算机报;2015年
4 张庆佳;无线传感器网络成为当前研究热点[N];人民邮电;2015年
5 樊哲高;我国传感器网络标准工作取得新进展[N];中国电子报;2012年
6 本报记者 王博;传感器网络标准取得新进展[N];计算机世界;2012年
7 本报记者 赵建国;无线传感器网络改变未来世界[N];中国知识产权报;2011年
8 记者 陆成钢 通讯员 尚晓天;以无线传感器网络打造智能化城市[N];嘉兴日报;2009年
9 赛迪顾问信息产业研究中心高级咨询顾问 王坤;国际物联网行业应用概况[N];通信产业报;2009年
10 记者 张平阳;传感器网络助力精准农业[N];西安日报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张朝辉;无线传感器网络优化与目标三维定位研究[D];西安电子科技大学;2019年
2 林德钰;无线传感器网络节能策略关键技术研究[D];西安电子科技大学;2019年
3 于斌斌;无线传感器网络中的认证与签名方案研究[D];吉林大学;2019年
4 应可珍;能量高效的无线传感器网络数据融合关键技术研究[D];浙江工业大学;2019年
5 杨健;无线传感器网络容错关键技术研究[D];南京邮电大学;2017年
6 Syed Bilal Hussain Shah;智能无线传感器网络中网络设计、路由和定位方法研究[D];大连理工大学;2019年
7 牛炳鑫;无线传感器网络中高时效信息收集机制的研究[D];大连理工大学;2019年
8 赵建光;基于向量网的软件定义无线传感器网络研究[D];北京交通大学;2019年
9 默罕默德;无线传感器网络的安全问题进行分析研究[D];北京交通大学;2019年
10 张晓梅;车载自组织和无线传感器网络中安全可靠的服务传输研究[D];上海交通大学;2018年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 高兴;无线传感器网络数据盲校正方法研究[D];重庆邮电大学;2019年
2 梁雅媚;基于蒙特卡洛的无线传感器网络移动节点定位改进算法研究[D];湘潭大学;2019年
3 王瑾;无线传感器网络的随机密钥预分发及匿名性技术研究[D];扬州大学;2019年
4 袁晓明;无线传感器网络防窃听和入侵检测方法的研究[D];南京航空航天大学;2019年
5 李瑞晴;基于压缩感知的大规模无线传感器网络数据收集策略研究[D];浙江师范大学;2019年
6 刘一珏;无线传感器网络中分簇路由协议的研究与设计[D];沈阳化工大学;2019年
7 余艳萍;面向可变负载的无线传感器网络低能耗MAC协议研究与设计[D];广东工业大学;2019年
8 周东蕴;基于ZigBee无线传感器网络的环境监测系统实现[D];哈尔滨工业大学;2018年
9 邓玉莲;无线可充电传感器网络高效在线充电算法[D];广东工业大学;2019年
10 唐庆;无线传感器网络安全定位算法研究[D];国防科技大学;2017年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026