功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)WSN故障容錯算法

沈瑋娜， 胡黃水， 王宏志， 王 瑩

(長春工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

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功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)WSN故障容錯算法

沈瑋娜， 胡黃水*， 王宏志， 王 瑩

(長春工業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

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

無線傳感器網(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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有計算、通信功能的傳感器節(jié)點組成的自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。傳感器節(jié)點能量有限，且通常部署在偏僻惡劣的環(huán)境中[2-4]，這些無人照看的節(jié)點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，嚴重影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行可靠性和生命周期[7-9]。因此，構(gòu)建一個能有效容忍能量耗盡和隨機故障的網(wǎng)絡(luò)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說顯得十分重要。

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

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對這一方面進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、長延時、網(wǎng)絡(luò)分割甚至崩潰等問題，使網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)故障時能繼續(xù)正常運行，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

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

文獻[7]采用枚舉法和貪婪算法實現(xiàn)對中繼節(jié)點的容錯性布局，提高網(wǎng)絡(luò)的能耗性能。文獻[8]中提出一種分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點故障檢測和隔離算法，通過正確識別正常節(jié)點來隔離故障節(jié)點，將傳感器失效的節(jié)點邏輯上與網(wǎng)絡(luò)隔離，并通過時間冗余來容忍瞬時故障。

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

文獻[11]采用著色方法來對降低干擾問題建模，為了減小節(jié)點間沖突和信號干擾，不同顏色的節(jié)點分配給不同的信道頻率，采用高效的信道選擇方法來降低干擾。文獻[12]采用最優(yōu)簇來減小無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信干擾。文中對提出的算法和LEACH等3種方法進行了性能比較，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)的容錯性能。

文獻[13]提出一種AFTBI(Active node based Fault Tolerance using Battery power and Interference model )容錯方法，采用節(jié)點的功率和干擾組合模型，使用na=[αbp,βI]來確定節(jié)點的當(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，節(jié)點狀態(tài)主要受功率影響，采用能量耗盡時的切換機制來容忍故障；當(dāng)α<β時，節(jié)點狀態(tài)則主要受通信干擾影響，采用功率調(diào)節(jié)的方法來容忍故障。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的故障容錯方法相比，AFTBI在包接收比、控制開銷、存儲器開銷以及故障恢復(fù)延時方面具有更好的性能。

現(xiàn)在幾乎所有的故障容錯方法在執(zhí)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析時僅考慮節(jié)點電源功率或是僅考慮了節(jié)點間的通信干擾，這使得網(wǎng)絡(luò)整體容錯性能并不十分理想[13]。AFTBI雖然采用兩者結(jié)合的模型來進行故障容錯，但根據(jù)不同的系數(shù)采用不同的故障容錯方法，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，電源能量耗盡時的切換機制僅選擇活動節(jié)點的鄰居節(jié)點中剩余能量最大的節(jié)點替代該節(jié)點，可能影響網(wǎng)絡(luò)的連通性以及數(shù)據(jù)收包率。節(jié)點干擾時的功率調(diào)節(jié)機制采用時分方式導(dǎo)致運算復(fù)雜度高且公共節(jié)點被分配多個不同時隙。因此，針對以上缺點，文中提出一種與AFTBI類似的自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)故障容錯算法(Fault Tolerance algorithm based on Adaptive Power Regulation， FTAPR)，通過功率自動調(diào)節(jié)來容忍因節(jié)點間干擾而引起的通信故障。當(dāng)某個節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點進入活動狀態(tài)并以所需最小功率向下一跳目標(biāo)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，否則進入睡眠狀態(tài)。而當(dāng)節(jié)點的剩余能量低于閾值時，選擇其鄰居節(jié)點中剩余能量最大的節(jié)點提供其相應(yīng)的服務(wù)，且該剩余能量最大的節(jié)點同為下一跳目標(biāo)節(jié)點的鄰居節(jié)點。

1 網(wǎng)絡(luò)模型

設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由N個節(jié)點組成，每一個節(jié)點具有唯一的ID號，所有節(jié)點隨機分布在邊長為M的正方形區(qū)域，每個節(jié)點具有最大發(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)點的初始能量為Es，不能傳輸信號時的能量閾值為Eth，則節(jié)點的剩余能量：

式中：Ed----節(jié)點發(fā)送或接收信號所消耗的能量。

通常采用一階無線通信模型[13]，即：

式中：l----需要發(fā)送或者接收的信息比特數(shù)；

d----發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的距離；

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

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

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點具有k個鄰居節(jié)時，接收信息時的信噪比[12]為：

式中：S----該節(jié)點接收鄰居節(jié)點所發(fā)送信號的功率；

I----該節(jié)點接收其它鄰居節(jié)點干擾信號的功率之和。

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

2 算法設(shè)計

FTAPR的基本思想是當(dāng)某個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，其鄰居節(jié)點除下一跳目標(biāo)節(jié)點之外都進入睡眠狀態(tài)，并自動調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點的發(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)點的剩余能量低于閾值時，節(jié)點選擇鄰居節(jié)點中剩余能量最大的節(jié)點來代替其提供所有的服務(wù)，且該節(jié)點同為下一跳目標(biāo)節(jié)點的鄰居節(jié)點，從而最大限度延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。FTAPR主要包括兩個部分，即節(jié)點間通信所需最小功率的確定和容錯機制。

2.1 節(jié)點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 容錯機制

FTAPR通過使非活動節(jié)點進入睡眠狀態(tài)來減小節(jié)點間的干擾，且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點的剩余能量低于閾值時切換到鄰居節(jié)點中能量最大且為下一跳目標(biāo)節(jié)點的鄰居節(jié)點的節(jié)點，從而有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

無功率調(diào)節(jié)節(jié)點間干擾示意圖如圖1所示。

圖1 無功率調(diào)節(jié)節(jié)點間干擾示意圖

當(dāng)某個節(jié)點A向接收節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)時，此時B的鄰居節(jié)點C、D、E(假設(shè)其發(fā)射功率與A相同)向其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，則它們之間發(fā)生相互干擾。當(dāng)B受到多個鄰居節(jié)點干擾時，B接收A的信號質(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)點間相互信號干擾，根據(jù)節(jié)點是否為活動狀態(tài)或睡眠狀態(tài)動態(tài)調(diào)整其發(fā)射功率。功率調(diào)節(jié)后節(jié)點間干擾示意圖如圖2所示。

圖2 功率調(diào)節(jié)后節(jié)點間干擾示意圖

從圖中可見，通過對節(jié)點B的各鄰居節(jié)點功率的調(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。為了克服多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)采用時分方法所帶來的計算量大和實時性差等問題，采用主從發(fā)送/應(yīng)答的方法，即當(dāng)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的同時啟動一個定時器Tm，在Tm內(nèi)收到應(yīng)答報文，節(jié)點關(guān)閉定時器，并進入睡眠狀態(tài)，否則重新發(fā)送數(shù)據(jù)并啟動定時器，確認報文為簡單的僅包含收發(fā)節(jié)點ID的報文。此外，節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)后通過式(1)計算其剩余能量。當(dāng)剩余能量Er小于等于閾值Eth時，該節(jié)點即為故障節(jié)點，故障節(jié)點收集其所有鄰居節(jié)點的剩余能量狀態(tài)，即以最大發(fā)射功率發(fā)送剩余能量請求包，各鄰居發(fā)送包含剩余能量的應(yīng)答包，請求/應(yīng)答包都為簡單的HELLO報文。然后，故障節(jié)點向下一跳節(jié)點請求其功率列表，并根據(jù)功率列表和接收到的鄰居節(jié)點剩余能量找到剩余能量最大的共同鄰居節(jié)點。最后，故障節(jié)點向該共同鄰居節(jié)點發(fā)送相關(guān)參數(shù)包括故障節(jié)點ID，上一跳節(jié)點ID，下一跳節(jié)點ID。上述過程中數(shù)據(jù)傳輸采用的發(fā)射功率從各節(jié)點的功率列表中獲取。具體的容錯機制流程如圖3所示。

圖3 FTAPR總體流程圖

3 仿真分析

為了評價和分析FTAPR的性能和效果，在OMNET++ 4.6網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上對其進行了一系列的仿真實驗，分別對收包率、故障恢復(fù)延時、能量消耗進行測試，并與相似算法AFTBI進行對比分析。

在100 m×100 m的方形區(qū)域內(nèi)隨機分布若干個節(jié)點構(gòu)成無線傳感器網(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網(wǎng)絡(luò)中的收包率進行測試。首先測試網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點無故障(包括能量耗盡和鏈路干擾)時的收包率，然后分別測試在出現(xiàn)故障情況時采用AFTBI和FTAPR的收包率。

測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 收包率對比

從圖中可見，在網(wǎng)絡(luò)未出現(xiàn)故障時節(jié)點具有較好的收包率。

AFTBI由于通過增加網(wǎng)絡(luò)活動節(jié)點以及降低通信干擾的方法使收包率大于或等于網(wǎng)絡(luò)無故障時的收包率。而FTAPR相比AFTBI采用所需的最小發(fā)射功率進行通信，進一步降低了節(jié)點間的干擾，因此其具有比AFTBI更好的收包率。

從圖中還可知,隨著節(jié)點數(shù)的增加,收包率得到提高，這是因為隨著節(jié)點數(shù)的增加，給定區(qū)域的連通性能更好。

3.2 故障恢復(fù)延時分析

故障恢復(fù)延時包括能量耗盡節(jié)點切換時間和抑制鄰居節(jié)點間干擾所用時間，在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及不同故障率情況下，對故障延時進行測量，其結(jié)果如圖5所示。

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

這是因為AFTBI采用時分順序的數(shù)據(jù)傳輸方式，而FTAPR采用并行的詢問/應(yīng)答的數(shù)據(jù)傳輸方式。

3.3 平均能耗分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯算法的重要目標(biāo)之一是盡可能地減小網(wǎng)絡(luò)的能量損耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。接下來對FTAPR容錯機制在不同網(wǎng)絡(luò)容量和不同故障條件下對網(wǎng)絡(luò)平均能量損耗進行了測試，結(jié)果如圖6所示。

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

圖5 故障恢復(fù)延時對比

圖6 網(wǎng)絡(luò)平均能量消耗對比

4 結(jié) 語

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常見的能量耗盡和通信干擾故障，提出一種新的基于功率自動調(diào)節(jié)的故障容錯算法FTAPR，一旦某節(jié)點的剩余能量小于閾值時，該節(jié)點選擇其鄰居節(jié)點中能量最大且同時為其下一跳鄰居節(jié)點的節(jié)點來執(zhí)行該節(jié)點的所有服務(wù)。算法采用自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)方法來降低鄰居節(jié)點間的通信干擾，避免節(jié)點的通信鏈路故障。仿真結(jié)果從包接收率、故障恢復(fù)延時以及平均能量消耗等方面對所提容錯機制進行了評價，結(jié)果表明,所提機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)濟結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整引導(dǎo)資金專項項目(2014Y125)； 吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目(吉教科合字[2015]第100號)； 吉林省科技廳科技發(fā)展計劃項目(20140204037GX)

沈瑋娜(1993-)，女，漢族，江蘇無錫人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事無線傳感器網(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，長春工業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及軌道車輛動力學(xué)方向研究,E-mail:huhs08@163.com.

TP 393.1

A

1674-1374(2017)01-0066-07