功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)WSN故障容錯(cuò)算法

沈瑋娜， 胡黃水， 王宏志， 王 瑩

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

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功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)WSN故障容錯(cuò)算法

沈瑋娜， 胡黃水*， 王宏志， 王 瑩

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

提出一種基于功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)的故障容錯(cuò)算法來(lái)容忍網(wǎng)絡(luò)的能量耗盡和隨機(jī)故障，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率來(lái)減小因節(jié)點(diǎn)間干擾而引起的通信鏈路故障.當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于閾值時(shí),選擇其鄰居節(jié)點(diǎn)中剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)并以最小功率來(lái)提供其相應(yīng)服務(wù)以避免因節(jié)點(diǎn)能量耗盡而引起的節(jié)點(diǎn)失效故障。仿真測(cè)試結(jié)果表明，容錯(cuò)算法在收包率、故障恢復(fù)延時(shí)以及網(wǎng)絡(luò)平均能耗方面具有較好的表現(xiàn)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 故障容忍； 功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)； 均衡能量消耗

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有計(jì)算、通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，且通常部署在偏僻惡劣的環(huán)境中[2-4]，這些無(wú)人照看的節(jié)點(diǎn)很容易因能量耗盡和周圍環(huán)境等因素出現(xiàn)故障[4-6]，從而可能使網(wǎng)絡(luò)部分或全部失效，嚴(yán)重影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可靠性和生命周期[7-9]。因此，構(gòu)建一個(gè)能有效容忍能量耗盡和隨機(jī)故障的網(wǎng)絡(luò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)顯得十分重要。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的故障容錯(cuò)涉及到故障預(yù)防、檢測(cè)、診斷和恢復(fù)等多方面內(nèi)容[5-7]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一方面進(jìn)行了許多研究并取得了豐富的研究成果[3]。這些成果主要包括改善或避免由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量和/或通信干擾所引起的故障而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟包率高、長(zhǎng)延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)分割甚至崩潰等問(wèn)題，使網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)故障時(shí)能繼續(xù)正常運(yùn)行，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

文獻(xiàn)[4]提出了一種基于粒子群優(yōu)化方法的成簇機(jī)制，并保證簇頭之間的二連通性，從而提高網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性能。

文獻(xiàn)[7]采用枚舉法和貪婪算法實(shí)現(xiàn)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)的容錯(cuò)性布局，提高網(wǎng)絡(luò)的能耗性能。文獻(xiàn)[8]中提出一種分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)和隔離算法，通過(guò)正確識(shí)別正常節(jié)點(diǎn)來(lái)隔離故障節(jié)點(diǎn)，將傳感器失效的節(jié)點(diǎn)邏輯上與網(wǎng)絡(luò)隔離，并通過(guò)時(shí)間冗余來(lái)容忍瞬時(shí)故障。

文獻(xiàn)[9]采用整數(shù)線性規(guī)劃布局策略來(lái)放置中繼節(jié)點(diǎn)，以提供傳感器節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的故障容忍，并限制中繼節(jié)點(diǎn)的最大能量消耗來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。文獻(xiàn)[10]提出一種多項(xiàng)式時(shí)間近似算法來(lái)找到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)具有最小干擾的連通網(wǎng)絡(luò)。

文獻(xiàn)[11]采用著色方法來(lái)對(duì)降低干擾問(wèn)題建模，為了減小節(jié)點(diǎn)間沖突和信號(hào)干擾，不同顏色的節(jié)點(diǎn)分配給不同的信道頻率，采用高效的信道選擇方法來(lái)降低干擾。文獻(xiàn)[12]采用最優(yōu)簇來(lái)減小無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信干擾。文中對(duì)提出的算法和LEACH等3種方法進(jìn)行了性能比較，結(jié)果表明,其減小了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗并提高了網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性能。

文獻(xiàn)[13]提出一種AFTBI(Active node based Fault Tolerance using Battery power and Interference model )容錯(cuò)方法，采用節(jié)點(diǎn)的功率和干擾組合模型，使用na=[αbp,βI]來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，其中系數(shù)α+β=1,且0<α<1,0<β<1。當(dāng)α>β時(shí)，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)主要受功率影響，采用能量耗盡時(shí)的切換機(jī)制來(lái)容忍故障；當(dāng)α<β時(shí)，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)則主要受通信干擾影響，采用功率調(diào)節(jié)的方法來(lái)容忍故障。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的故障容錯(cuò)方法相比，AFTBI在包接收比、控制開(kāi)銷、存儲(chǔ)器開(kāi)銷以及故障恢復(fù)延時(shí)方面具有更好的性能。

現(xiàn)在幾乎所有的故障容錯(cuò)方法在執(zhí)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析時(shí)僅考慮節(jié)點(diǎn)電源功率或是僅考慮了節(jié)點(diǎn)間的通信干擾，這使得網(wǎng)絡(luò)整體容錯(cuò)性能并不十分理想[13]。AFTBI雖然采用兩者結(jié)合的模型來(lái)進(jìn)行故障容錯(cuò)，但根據(jù)不同的系數(shù)采用不同的故障容錯(cuò)方法，系數(shù)的確定很難界定，且采用最大功率發(fā)送數(shù)據(jù)增加了網(wǎng)絡(luò)能量消耗。同時(shí)，電源能量耗盡時(shí)的切換機(jī)制僅選擇活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)替代該節(jié)點(diǎn)，可能影響網(wǎng)絡(luò)的連通性以及數(shù)據(jù)收包率。節(jié)點(diǎn)干擾時(shí)的功率調(diào)節(jié)機(jī)制采用時(shí)分方式導(dǎo)致運(yùn)算復(fù)雜度高且公共節(jié)點(diǎn)被分配多個(gè)不同時(shí)隙。因此，針對(duì)以上缺點(diǎn)，文中提出一種與AFTBI類似的自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)故障容錯(cuò)算法(Fault Tolerance algorithm based on Adaptive Power Regulation， FTAPR)，通過(guò)功率自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)容忍因節(jié)點(diǎn)間干擾而引起的通信故障。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)并以所需最小功率向下一跳目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，否則進(jìn)入睡眠狀態(tài)。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于閾值時(shí)，選擇其鄰居節(jié)點(diǎn)中剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)提供其相應(yīng)的服務(wù)，且該剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)同為下一跳目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有唯一的ID號(hào)，所有節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在邊長(zhǎng)為M的正方形區(qū)域，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有最大發(fā)射功率Pmax，且支持全向發(fā)射。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量有限且具有自身的位置信息，并能改變自身的傳輸功率。記任一節(jié)點(diǎn)的初始能量為Es，不能傳輸信號(hào)時(shí)的能量閾值為Eth，則節(jié)點(diǎn)的剩余能量：

式中：Ed----節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收信號(hào)所消耗的能量。

通常采用一階無(wú)線通信模型[13]，即：

式中：l----需要發(fā)送或者接收的信息比特?cái)?shù)；

d----發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離；

Eelec----發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送每比特或者接收節(jié)點(diǎn)接收每比特信息所消耗的能量;

εamp----發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)單位距離的能耗放大倍數(shù)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)具有k個(gè)鄰居節(jié)時(shí)，接收信息時(shí)的信噪比[12]為：

式中：S----該節(jié)點(diǎn)接收鄰居節(jié)點(diǎn)所發(fā)送信號(hào)的功率；

I----該節(jié)點(diǎn)接收其它鄰居節(jié)點(diǎn)干擾信號(hào)的功率之和。

式(3)表示節(jié)點(diǎn)受到除發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)外其它鄰居節(jié)點(diǎn)的所有干擾。

2 算法設(shè)計(jì)

FTAPR的基本思想是當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其鄰居節(jié)點(diǎn)除下一跳目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之外都進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并自動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，使數(shù)據(jù)通信的每一跳都消耗更低的能量。且當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)選擇鄰居節(jié)點(diǎn)中剩余能量最大的節(jié)點(diǎn)來(lái)代替其提供所有的服務(wù)，且該節(jié)點(diǎn)同為下一跳目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，從而最大限度延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。FTAPR主要包括兩個(gè)部分，即節(jié)點(diǎn)間通信所需最小功率的確定和容錯(cuò)機(jī)制。

2.1 節(jié)點(diǎn)間通信最小功率的確定

Collecting_of_Power_Lists()

do m times

for(i∈V) do

send BrMessage

while( receive OkMessage from v∈N(i)) do

insert a new C(i,v) into TpList(i)

end while

end for

end do

2.2 容錯(cuò)機(jī)制

FTAPR通過(guò)使非活動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)來(lái)減小節(jié)點(diǎn)間的干擾，且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量低于閾值時(shí)切換到鄰居節(jié)點(diǎn)中能量最大且為下一跳目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，從而有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

無(wú)功率調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)間干擾示意圖如圖1所示。

圖1 無(wú)功率調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)間干擾示意圖

當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)A向接收節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)B的鄰居節(jié)點(diǎn)C、D、E(假設(shè)其發(fā)射功率與A相同)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，則它們之間發(fā)生相互干擾。當(dāng)B受到多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)干擾時(shí)，B接收A的信號(hào)質(zhì)量不可避免下降且不能正確接收A的數(shù)據(jù)。為了減小節(jié)點(diǎn)間相互信號(hào)干擾，根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否為活動(dòng)狀態(tài)或睡眠狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整其發(fā)射功率。功率調(diào)節(jié)后節(jié)點(diǎn)間干擾示意圖如圖2所示。

圖2 功率調(diào)節(jié)后節(jié)點(diǎn)間干擾示意圖

從圖中可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)B的各鄰居節(jié)點(diǎn)功率的調(diào)節(jié)可減小重疊干擾效果，即有：

式中：Ni′----功率調(diào)節(jié)后的干擾。

由式(3)可知，功率調(diào)節(jié)提高了網(wǎng)絡(luò)的信噪比。為了克服多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)采用時(shí)分方法所帶來(lái)的計(jì)算量大和實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，采用主從發(fā)送/應(yīng)答的方法，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器Tm，在Tm內(nèi)收到應(yīng)答報(bào)文，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉定時(shí)器，并進(jìn)入睡眠狀態(tài)，否則重新發(fā)送數(shù)據(jù)并啟動(dòng)定時(shí)器，確認(rèn)報(bào)文為簡(jiǎn)單的僅包含收發(fā)節(jié)點(diǎn)ID的報(bào)文。此外，節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)后通過(guò)式(1)計(jì)算其剩余能量。當(dāng)剩余能量Er小于等于閾值Eth時(shí)，該節(jié)點(diǎn)即為故障節(jié)點(diǎn)，故障節(jié)點(diǎn)收集其所有鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量狀態(tài)，即以最大發(fā)射功率發(fā)送剩余能量請(qǐng)求包，各鄰居發(fā)送包含剩余能量的應(yīng)答包，請(qǐng)求/應(yīng)答包都為簡(jiǎn)單的HELLO報(bào)文。然后，故障節(jié)點(diǎn)向下一跳節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求其功率列表，并根據(jù)功率列表和接收到的鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量找到剩余能量最大的共同鄰居節(jié)點(diǎn)。最后，故障節(jié)點(diǎn)向該共同鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送相關(guān)參數(shù)包括故障節(jié)點(diǎn)ID，上一跳節(jié)點(diǎn)ID，下一跳節(jié)點(diǎn)ID。上述過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸采用的發(fā)射功率從各節(jié)點(diǎn)的功率列表中獲取。具體的容錯(cuò)機(jī)制流程如圖3所示。

圖3 FTAPR總體流程圖

3 仿真分析

為了評(píng)價(jià)和分析FTAPR的性能和效果，在OMNET++ 4.6網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行了一系列的仿真實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)收包率、故障恢復(fù)延時(shí)、能量消耗進(jìn)行測(cè)試，并與相似算法AFTBI進(jìn)行對(duì)比分析。

在100 m×100 m的方形區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布若干個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基站部署在網(wǎng)絡(luò)的邊界。其中

Es=4 mJ

Eth=0.1 mJ

Eelec=50×10-6J/bit

εamp=10×10-9J/(bit×m2)

3.1 網(wǎng)絡(luò)收包率分析

在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件下的多種情況對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的收包率進(jìn)行測(cè)試。首先測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)無(wú)故障(包括能量耗盡和鏈路干擾)時(shí)的收包率，然后分別測(cè)試在出現(xiàn)故障情況時(shí)采用AFTBI和FTAPR的收包率。

測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 收包率對(duì)比

從圖中可見(jiàn)，在網(wǎng)絡(luò)未出現(xiàn)故障時(shí)節(jié)點(diǎn)具有較好的收包率。

AFTBI由于通過(guò)增加網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)以及降低通信干擾的方法使收包率大于或等于網(wǎng)絡(luò)無(wú)故障時(shí)的收包率。而FTAPR相比AFTBI采用所需的最小發(fā)射功率進(jìn)行通信，進(jìn)一步降低了節(jié)點(diǎn)間的干擾，因此其具有比AFTBI更好的收包率。

從圖中還可知,隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加,收包率得到提高，這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，給定區(qū)域的連通性能更好。

3.2 故障恢復(fù)延時(shí)分析

故障恢復(fù)延時(shí)包括能量耗盡節(jié)點(diǎn)切換時(shí)間和抑制鄰居節(jié)點(diǎn)間干擾所用時(shí)間，在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及不同故障率情況下，對(duì)故障延時(shí)進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如圖5所示。

從圖中可見(jiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)容量和故障節(jié)點(diǎn)數(shù)量增大，故障恢復(fù)延時(shí)變大。且明顯可見(jiàn)FTAPR具有比AFTBI更小的延時(shí)。

這是因?yàn)锳FTBI采用時(shí)分順序的數(shù)據(jù)傳輸方式，而FTAPR采用并行的詢問(wèn)/應(yīng)答的數(shù)據(jù)傳輸方式。

3.3 平均能耗分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)算法的重要目標(biāo)之一是盡可能地減小網(wǎng)絡(luò)的能量損耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。接下來(lái)對(duì)FTAPR容錯(cuò)機(jī)制在不同網(wǎng)絡(luò)容量和不同故障條件下對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均能量損耗進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

從圖中可見(jiàn)，由于FTAPR無(wú)論在能量耗盡節(jié)點(diǎn)切換還是在鄰居節(jié)點(diǎn)間干擾自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)機(jī)制中都采用節(jié)點(diǎn)間所需的最小功率進(jìn)行通信，其比AFTBI具有更低的平均能量消耗。

圖5 故障恢復(fù)延時(shí)對(duì)比

圖6 網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)常見(jiàn)的能量耗盡和通信干擾故障，提出一種新的基于功率自動(dòng)調(diào)節(jié)的故障容錯(cuò)算法FTAPR，一旦某節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于閾值時(shí)，該節(jié)點(diǎn)選擇其鄰居節(jié)點(diǎn)中能量最大且同時(shí)為其下一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)來(lái)執(zhí)行該節(jié)點(diǎn)的所有服務(wù)。算法采用自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)方法來(lái)降低鄰居節(jié)點(diǎn)間的通信干擾，避免節(jié)點(diǎn)的通信鏈路故障。仿真結(jié)果從包接收率、故障恢復(fù)延時(shí)以及平均能量消耗等方面對(duì)所提容錯(cuò)機(jī)制進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明,所提機(jī)制比相似的方法具有更好的性能。

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A fault tolerance algorithm based on adaptive power regulation for wireless sensor network

SHEN Weina, HU Huangshui*, WANG Hongzhi, WANG Ying

(School of Computer Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

A fault tolerance algorithm is proposed based on adaptive power regulation to tolerate the energy consumption and random false. The transmiting power is regulated to decrease the communication malfunction caused by interference among the nodes. When the rest power is less than the threshold, the node with maximum remain power is selected and offer the minimum power to ensure the services, and the node malfunction is avoided. Simulations show that the algorithm is with good performance in the aspect of packet delivery ratio, fault recovery delay and average energy consumption.

wireless sensor networks; fault tolerance; adaptive power regulation; balanced power consumption.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.1.13

2016-10-17

吉林省發(fā)改委經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整引導(dǎo)資金專項(xiàng)項(xiàng)目(2014Y125)； 吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字[2015]第100號(hào))； 吉林省科技廳科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20140204037GX)

沈瑋娜(1993-)，女，漢族，江蘇無(wú)錫人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方向研究,E-mail:SWN0715@163.com. *通訊作者：胡黃水(1974-)，男，漢族，湖南隆回人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及軌道車輛動(dòng)力學(xué)方向研究,E-mail:huhs08@163.com.

TP 393.1

A

1674-1374(2017)01-0066-07