基于WSN的无线冗余时间触发构架的总线研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 4.7MB 92 页 15积分

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摘要

传统的总线形式一般有基于事件触发和时间触发这两种形式，事件触发虽然

灵活性较高，但是时间确定性和可靠性得不到保证，时间触发机制能提供确定的

网络行为并具有一定的容错能力，但其灵活性很差。于是本实验室之前提出了无

线冗余时间触发构架的思想，即用一条无线信道代替一条冗余的总线信道，形成

每个通信节点拥有一条有线总线信道和一条无线冗余信道的拓扑模型，有线总线

上传输且始终传输状态信息，而在无线信道上没有事件信息发生时和总线上传送

相同的状态信息，如果节点检测到有事件发生，那么立刻在无线信道上传送事件

信息。

在理论上已经证明了该构架对传统总线形式在性能上的提升，但是其工作的

前提有些理想化，并且适用范围较为单一，所以针对该构架的不足之处，在其无

线部分引入了在无线传感器网络方面的思想与技术，以期在性能以及可实现性方

面对之前的研究工作有进一步的提升。

首先，本文在无线信道上使用了一种新型的路由协议，利用了 ZRP 协议的集

群结构，构造了一套新的路由工作方式。即在区域内路由协议中采用 DSDV 协议，

使下层节点的传输延迟有一定的保障且保证下层节点协议的简单性，在区域间路

由协议中使用 SPEED 这一能够保证传输延迟及可靠性的路由协议，通过仿真后证

明其在端到端延迟、丢包率、能量消耗方面都有比原有路由协议有更好的表现。

其次，在网络拥塞控制中的队列管理上使用了 ARED 算法，考虑到当某些链

路上的节点出现故障的情况下，其他的链路上的负载将会相应加重，所以经过在

重负载模型下的测试后，证明了相比现在常用的 RED 算法，其在丢包率、延迟、

吞吐量上的性能更为出色。

最后，在 WSN 的支撑技术的使用方面，利用现有 WSN 的数据融合方法以及

安全系统中的拜占庭将军问题，提出了一种新的基于 OM 算法与贝叶斯检测算法

的容错检测算法，

OM 算法的引入可以使得在使用贝叶斯检测算法时保证区域内节

点都尽可能基于同样的公共信息做出判定，这样可以杜绝在判断时发生不一致的

现象。该容错检测算法可以在故障率 10%时达到 90%以上的故障减少率，从而可

以大大减少故障对节点的影响以及保证节点判断的一致性。

关键词：无线传感器网络实时路由协议队列管理容错检测算法

ABSTRACT

Traditional fieldbus is usually based on two forms such as event-triggered and

time-triggered. Although the event-triggered form has a good perform of flexibility,but

its time deterministic and reliability can not work well. On the other hand, the

time-triggered form can supply good time deterministic and reliability but its flexibility

is poor. Our laboratory has put forward the wireless redundancy time-triggered

communication structure, it provides a wireless redundant channel to replace the backup

bus channel. Then the topological model is that each node has a bus channel and a

backup wireless communication channel. The bus channel always transmits state

messages, the wireless communication channel transmits state messages like the bus

channel, as long as there are no event messages. Once event occurrs, it responds to

transmit event messages in no time.

Theoretically we have proved that this kind of structure can improve the

performance of the traditional bus. But some premises are idealized. For the lack of

these points, the paper introduced the technology of wireless sensor networks into the

wireless communication to make a improvement on some aspects of performance.

Firstly, the paper introduces a new routing protocol into the wireless channel. The

new routing protocol takes the full advantage of ZRP protocol, DSDV protocol and

SPEED protocol, it uses DSDV protocol in the bottom layer and SPEED protocol in the

top layer which can guarantee the delay in the bottom layer and the reliability in the top

layer. With the simulation, the paper proves that this routing protocol has a better

performance on delay, miss ratio and energy consumption.

Secondly, the paper uses the ARED algorithm in congestion control. Sometimes

some nodes of the net may break down, and it will make the load of the other nodes

more heavier. We uses NS-2 making a simulation that the ARED algorithm has a better

performance on miss ratio, delay and throughput than RED algorithm when they are in

the same heavy load.

Finally, on the aspect of support technology, the paper provides a new algorithm

for fault-tolerant event detection with the data fusion technology of WSN and the

Byzantine general problem which is always used in security system. This algorithm can

prevent the disagreement of the sensor nodes’ judgement because of the usage of the

OM algorithm and the Bayesian algorithm for fault-tolerant event detection. With the

III

simulation, we can get that more than 90% when the fault nodes are corrected when the

fault rate is about 90%, so it can reduce a large quantity of fault nodes under the premise

of the agreement of sensor nodes’ judgement.

Key Words: Wireless sensor networks, Real-time routing protocol,

Queue management, Fault-tolerant detection algorithm

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...................................................................................................................1

§1.1 无线传感器网络的发展与应用........................................................................1

§1.1.1 WSN 的发展历程 ....................................................................................1

§1.1.2 WSN 的应用 ............................................................................................2

§1.2 无线冗余时间触发构架....................................................................................4

§1.3 课题的来源及意义............................................................................................5

§1.4 课题主要研究内容............................................................................................7

第二章无线传感器网络体系结构及相关理论基础.....................................................8

§2.1 WSN 体系结构及特征 ......................................................................................8

§2.1.1 WSN 网络结构 ........................................................................................8

§2.1.2 WSN 节点结构 ........................................................................................9

§2.1.3 WSN 协议栈 ..........................................................................................10

§2.1.4 WSN 的特点 .......................................................................................... 11

§2.2.2 WSN 的限制 ..........................................................................................12

§2.2 传统 WSN 路由协议 .......................................................................................13

§2.2.1 能量感知路由协议................................................................................14

§2.2.2 反应式路由协议....................................................................................15

§2.2.3 地理位置路由协议................................................................................17

§2.2.4 集群结构的路由协议............................................................................17

§2.3 WSN 服务质量 ................................................................................................18

§2.3.1 服务质量的定义....................................................................................19

§2.3.2 WSN 针对 QoS 的研究 .........................................................................20

§2.3.3 WSN 中的 QoS 关键技术 .....................................................................20

§2.4 WSN 的关键支撑技术 ....................................................................................21

§2.4.1 数据融合概述........................................................................................21

§2.4.2 数据融合的结构分类............................................................................22

§2.4.3 数据融合的形式分类............................................................................23

§2.5 本章小结..........................................................................................................24

第三章基于 ZRP 结构的表驱动实时路由协议 ......................................................... 25

§3.1 ZRP 体系结构 ................................................................................................. 25

§3.1.1 ZRP 工作原理 ....................................................................................... 26

§3.1.2 ZRP 的特点 ........................................................................................... 27

§3.2 基于 ZRP 结构的表驱动实时路由协议的整体框架 .................................... 27

§3.3 区域间协议设计..............................................................................................28

§3.3.1 SPEED 协议结构框架 .......................................................................... 29

§3.3.2 API 函数及数据包格式 ........................................................................ 29

§3.3.3 延迟估计方案........................................................................................30

§3.3.4 SNGF 算法 ............................................................................................ 30

§3.3.5 邻居反馈环机制....................................................................................31

§3.3.6 压力反馈路由变更机制........................................................................32

§3.3.7 路由空洞的避免....................................................................................34

§3.4 区域内路由协议设计......................................................................................35

§3.5 基于 ZRP 结构的表驱动实时路由协议的仿真测试 .................................... 37

§3.5.1 仿真参数及性能指标............................................................................37

§3.5.2 仿真结果及分析....................................................................................38

§3.6 本章小结..........................................................................................................42

第四章拥塞控制中的队列管理算法研究...................................................................43

§4.1 网络拥塞问题..................................................................................................43

§4.1.1 网络拥塞的直接原因............................................................................43

§4.1.2 网络拥塞导致的结果............................................................................43

§4.2 队列管理算法..................................................................................................44

§4.3 Droptail 算法 ................................................................................................... 45

§4.4 RED 算法 .........................................................................................................45

§4.5 自适应 RED 算法 ............................................................................................49

§4.6 自适应 RED 算法在重负载下的性能分析 ....................................................50

§4.6.1 网络仿真模型........................................................................................50

§4.6.2 仿真及性能分析....................................................................................50

§4.7 本章小结..........................................................................................................54

第五章数据融合中的容错性设计...............................................................................55

§5.1 拜占庭故障......................................................................................................55

§5.1.1 拜占庭将军问题....................................................................................55

§5.1.2 拜占庭将军问题的可解性....................................................................57

§5.2 OM 算法.......................................................................................................... 58

§5.3 基于 OM 的新型值融合算法......................................................................... 61

§5.3.1 空间相关性............................................................................................61

§5.3.2 贝叶斯容错事件检测算法....................................................................62

§5.3.3 基于 OM 与贝叶斯容错事件检测算法的值融合算法....................... 64

§5.3.4 基于 OM 与贝叶斯容错事件检测算法的值融合算法的性能分析... 65

§5.4 本章小结..........................................................................................................71

第六章结论与展望.......................................................................................................72

§6.1 课题工作总结..................................................................................................72

§6.2 课题研究展望..................................................................................................72

参考文献.........................................................................................................................74

附录.................................................................................................................................78

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................87

致谢.............................................................................................................................88

第一章绪论

传统的总线形式一般基于事件触发，虽然灵活性较高，但是时间确定性和可

靠性得不到保证。时间触发机制能提供确定的网络行为并具有一定的容错能力，

但其灵活性很差。于是将两种机制的优点相结合，现已开发一种新的通信机制基

于无线冗余的时间触发构架。经过性能测试来看，是较为成功的。其实时性、可

靠性都比原有事件触发架构的性能有一定提升。但是其在诸多方面仍存在着不足，

我们需要为应用对象提供更为快速、可靠、稳定的信息传输。

§1.1 无线传感器网络的发展与应用

首先我们来确定无线传感器网络（Wireless Sensor Network，以下简称 WSN）

的定义，我们继承目前大多数研究者较为接受的对 WSN 的定义：大规模、无线、

自组织，多跳、无分区、无基础设施支持的网络。信息的生成、获取、存储、传

输、处理和应用是现代信息科学的六大组成要素，但是其中的信息获取也是信息

技术产业链上的重中之重，想若是没有了信息的获取那么就根本谈不上信息的传

输。随着现代微电子技术、微机电系统、片上系统、无线通信技术、信号处理技

术、计算机网络技术的进步和互联网的迅速发展，传统的传感器信息获取技术从

独立的单一化模式进而向智能化、网络化方向发展，成为信息获取最重要和最基

本的技术。

§1.1.1 WSN 的发展历程

WSN 是一门交叉学科，涉及计算机、微电子、传感器、网络、通信、信号处

理等各个方面。贝尔定律指出：每十年就有一类新的计算设备诞生。从过去的历

史我们可以看到，我们经历了从巨型机、小型机、工作站、PC 到PDA 的演变，

新一代的设备马上就会在不久的将来诞生，而 WSN 的出现正好顺应了这个趋势。

大量的微型无线传感器网络节点被使用到我们生活的物理世界里，为实现人与自

然界更为多样的信息交互提供了技术条件。从这些角度看来，WSN 节点或许就该

是新一代计算设备或者是其中的一种[1]。图 1.1 直观的描述了计算设备的演化历史。

图1.1 计算设备的演化史

基于 WSN 的无线冗余时间触发构架的总线研究

对WSN 的研究起源于 20 世纪 70 年代。最早应用于军事领域，比如了声音监

测系统（Sound Surveillance System）以及空中预警于控制系统（Airborne Warning

and Control System）。这种原始的传感器网络通常只能捕获单一的信号，传感器节

点之间进行简单的 p2p 通信，网络一般采用分级处理结构。

1980 年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）的分布式传感器网络项目开

启了现代传感器网络研究的先河。通过卡耐基梅隆大学、匹兹堡大学、麻省理工

学院等大学的研究人员的努力，项目在操作系统、信号处理、目标跟踪、节点试

验平台等方面都取得了一定进展。

20 世纪 80~90 年代，

WSN 的研究依然停留在军事领域，并成为网络中心站思

想的关键技术，其中比较著名的有：美国海军研制的协同交战能力系统，用于反

潜的确定性分布系统，以及远程战场传感器网络系统和战术远程传感器系统等无

人看管地面传感器网络系统[1] 。

1994 年加州大学洛杉矶分校的 William J.Kaiser 教

授向 DARPA 提交了研究建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors”，对

推动 WSN 研究有里程碑的意义[2]。

随着无线通信技术与微芯片制造技术的发展与进步，WSN 的研究在许多方面

都有了长足的进步。2006 年初发布的《国家中长期科学与技术发展纲要》为信息

技术确定了三个前沿方向，其中就有两项与 WSN 技术相关，分别为智能感知技术

和自组织网络技术，由此可见无线传感器网络的重要性，并且我国也提出了

WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation）标准，

它是由 863 先进制造技术领域《工业无线技术及网络化测控系统研究与开发》项

目提出的。规范于 2008 年10 月31 日经过国际电工委员会（IEC）批准，成为公

共可用规范 IEC/PAS 62601。

§1.1.2 WSN 的应用

WSN 网络是面向应用的，贴近客观物理世界的网络系统，其产生和发展一直

都与应用相联系。多年来经过不同领域研究人员的演绎，WSN 技术在军事领域、

精细农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗监护、工业监控、智能交通、

物流管理、自由空间探索、智能家居等领域的应用得到了充分的肯定和展示。

1. 工业监控

第一章绪论

该应用是针对流程工业设备故障诊断，为鞍钢冷连轧的连续退火线设计的炉

辊轴承温度无线检测系统，如图 1.2 所示。温度检测点为 406 点。系统工作在433MHz

频段，使用两节 AA 电池供电，采样周期 5-20 分钟可调，系统已稳定运行 18 个月，

数据传输可靠性在 99%以上。在生产中已多次成功对事故进行预警，减轻了现场

工人劳动强度。

图1.2 鞍钢冷连轧连续退火线炉辊轴承温度无线检测系统

2. 农业数据采集

在农业中的周边环境监测以及精细农业方面，WSN 系统最为广泛。在 2002

年，英特尔公司就率先在俄勒冈地区建立了世界上第一个采用无线监控的葡萄园，

这是一个非常典型的精准农业、智能耕种的实例。杭州齐格科技有限公司和浙江

农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台，该平台利用了无线传感器技术实

现对农田温室大棚温度、湿度、露点、光照等环境信息的监测。

3. 医疗健康监测

哈佛大学的一个研究小组利用 WSN 构建了一个医疗监测平台。传统模式下，

住院病人躺在病床上，身上安装了若干监测传感器，通过线缆来连接那些监测仪

器。在那种模式下，病人必须呆在床上，活动非常不自由，利用 WSN 技术，病人

便可不受线缆的束缚，自由活动，医生通过手持 PDA 可以随时监控病人的身体情

况，该系统已经在波士顿附近的医院进行测试[5]。

4. 结构化监测

结构化监测的目的是观测建筑物、桥梁、轮船以及飞行器等物体在外力作用

下的应力响应，或者是用来诊断和定位可能发生的局部形变损伤以及塌陷等，是

一项非常重要的工程技术。传统技术手段只有通过线缆把分布在不同部位的传感

器采集的数据汇集到中心节点上以后再进行处理，现场的排线非常凌乱，调试安

装以及修复工作都很费力，

WSN 的出现为结构化监测提供了省时省力的技术手段。

基于 WSN 的无线冗余时间触发构架的总线研究

现在在旧金山金门大桥上已经使用了 200 多个 Mica2 节点组成的 WSN 对其进行健

康状况监测，效果也已达到预期。

5. 生态环境监测

2002 年，由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的

科学家把 WSN 技术应用于监视美国缅因州大鸭岛上一种名叫 Leach Storm 的海燕

的生活习性进行了细微观测。2005 年，澳洲的科学家利用 WSN 技术来探测北澳

大利亚蟾蜍的分布情况。

6. 智能交通系统

WSN 在智能交通方面也有广阔的前景，美国交通部提出了“国家智能交通系

统项目规划”，根据预测将于 2025 年全面投入使用。这个智能交通系统综合传感

器网络，依靠 GPS 系统的地理位置定位、区域网络系统等资源，来实现对交通车

辆的优化调度，并且可以为个体交通推荐实时最佳的行车路线指导。目前在美国

的宾夕法尼亚州的匹兹堡市已经建有类似的智能交通信息系统。

§1.2 无线冗余时间触发构架

无线冗余时间触发构架的理论基础来自于时间触发架构，其由 Kopetz 等人提

出，主要是为了在设计可靠性分布式嵌入式系统提供一个框架。在此架构中，为

了实现可靠性，通常采用冗余信道的模式，两条相同的信道上传输相同的信息，

当有一条信道出现错误时，信息可以通过另一条信道顺利传输。

该模型将其中一条有线信道用无线信道代替，将无线的调度方式引入现有的

冗余时间触发模型中，从而为柔性时间触发的实现引入了更加灵活的有线无线调

度算法相结合的环境中。带无线冗余的通信模型如图 1.3 所示。

引入该模型除了能实现柔性时间触发调度，同时能进一步增加系统的稳定性。

因为普通的双总线方式是简单的复制，只能够容单个节点错误。但通常情况下，

两条总线所在位置都比较近，当一条总线受到干扰的时候，导致了信息误码，另

一条总线一般也会受到相同的影响。也就是说这种双总线只对线路断开错误有明

显效果，但是对干扰和噪声，它的作用较小。而本文将另一条冗余总线变成无线

方式，那么其物理介质发生了改变，在本质上做到了隔离，所以受到的干扰不再

有耦合作用。所以这样系统的可靠性自然要优于总线冗余的方式。根据图论法分

析可以证明无线冗余模型的优势。

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摘要：

I摘要传统的总线形式一般有基于事件触发和时间触发这两种形式，事件触发虽然灵活性较高，但是时间确定性和可靠性得不到保证，时间触发机制能提供确定的网络行为并具有一定的容错能力，但其灵活性很差。于是本实验室之前提出了无线冗余时间触发构架的思想，即用一条无线信道代替一条冗余的总线信道，形成每个通信节点拥有一条有线总线信道和一条无线冗余信道的拓扑模型，有线总线上传输且始终传输状态信息，而在无线信道上没有事件信息发生时和总线上传送相同的状态信息，如果节点检测到有事件发生，那么立刻在无线信道上传送事件信息。在理论上已经证明了该构架对传统总线形式在性能上的提升，但是其工作的前提有些理想化，并且适用范围较为单一...

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