基于二元决策图的无线传感器网络可靠性与竞争失效问题分析

【摘要】：无线传感器网络(WSN)如今在军事、医疗、工业等多种领域中被广泛应用。可靠性作为WSN的一个重要性能指标,是保障传感器网络能够正常工作,发挥其功能的重要因素。特别是随着信息技术的进一步更新,WSN的复杂程度不断提高,使得无线传感器网络故障率提高,安全机制受到影响,满足其可靠性的要求难度进一步加大。本文提出了无线传感器网络模型的两种工业应用,以二元决策图算法(BDD)和故障树分析相融合的办法解决了 WSN可靠性的分析难点和竞争失效问题。针对无线传感器网络可靠性的分析,本文通过对用于复杂混合气体检测的WSN模型1进行了详细的说明。传感器阵列作为模型中的一个组件,其拓扑结构采用星状网,传感器节点能与接收设备(计算机)直接通信。分析过程是采用故障树分析技术和二元决策图算法相融合的办法来建立模型以定量分析可靠性。文章在传感器寿命服从指数分布与威布尔分布情况下,分析了处于三种不同状态下的系统的可靠性,给出了在服从指数分布下的特定失效率和威布尔分布下形状参数α的改变对系统可靠性的影响。针对竞争失效问题的研究,本文首先考虑了单个传感器内竞争失效问题,进一步考虑了外来攻击与内在因素两者在时间域上的竞争失效问题。单个传感器内的竞争失效为模型1带来的部件间的不可知失效,通过建立BDD模型,分析其对系统的可靠性影响;进一步研究,将WSN模型2应用于身体传感器网络系统(BSNs),此时有中继节点的加入,与传感器节点形成了概率性功能依赖(PDEP)关系。外来干扰攻击与中继节点失效都可能导致BSNs系统发生失效,因此在传输失效和概率性故障隔离导致系统失效之间存在一个时间域的竞争。本文提出了一种组合方法可以用来分析与传输失效具备多个依赖关系的无线传感器网络系统的可靠性,并通过仿真实验,得出了概率性故障隔离下系统的可靠性要比确定性故障下系统的可靠性要提高的多。