无线传感器网络可靠性评估理论与方法研究

Existing theories and methods on WSN reliability has little relationship with practical WSN application， and research on WSN reliability evaluation is still lake of systematic works. Based on the reliability requirements of structural monitoring systems, a systematic research process of architecture design, modeling, algorithm implementation and joint optimization is proposed on WSN reliability evaluation. Firstly, by integrating both of the infrastructure communication reliability and application communication reliability of WSN, a evaluation architecture which can be applied to general purpose applications is to be constructed. Then, by incorporating both common-cause failures (CCF) and imperfect coverage(IPC) into reliability modeling, models of WSN reliability for different levels of reliability evaluation architecture is to be built. In order to reduce the computation complexity, OBDD and its extension forms will be introduced to implement algorithms of WSN reliability. For joint optimization of service quality and reliability of WSN, ADD is introduced to implement the reliability model of WSN with two types of failure modes in constrained conditions of message delay and energy consumption metrics, at the same time MDD is introduced to design algorithm of evaluating WSN reliability when each link of the network has various degraded modes on the equilibrium problem between service quality and reliability of WSN. Finally, a Train Health Monitoring system prototype base on WSN is to be constructed to verify the effectiveness and applicability of the results proposed by this project.

目前WSN可靠性评估理论与现实可靠性需求之间缺乏有机联系，并且WSN可靠性评估也缺乏系统研究。针对这些问题，本项目以结构健康监测系统可靠性需求为基础，按照体系设计，模型构建，算法设计以及联合优化的研究思路，对WSN可靠性评估的理论与方法进行整体研究；首先整合WSN基础通信可靠性和应用通信可靠性形成应用于一般领域的WSN可靠性评估体系，进而综合考虑共因失效和不完全覆盖对WSN可靠性的影响对不同可靠性评估层次构建容错条件下WSN可靠性评估模型，然后引入OBDD及其扩展形式实现降低计算复杂度的WSN可靠性评估算法。针对WSN可靠性与服务质量之间的均衡，引入ADD设计时延和能耗约束下两状态WSN可靠性评估算法；当链路存在多种降级模式时，引入MDD设计WSN可靠性评估算法，实现WSN可靠性与服务质量之间的联合优化。最后构建一个基于WSN的铁路监测系统原型，验证本项目研究成果的有效性和实用性。

无线传感器网络（WSN）是传感器构成的物理世界与信息服务构成的虚拟世界之间联系的桥梁，它使我们能从更深层次和更广范围理解和控制我们所生存的环境。然而在WSN能够真正建立不限地域进行传感、联网和计算—即环境感知的基础结构之前，保证智能传感器间以及智能传感器与基站间的通信可靠非常关键。一旦WSN不可靠，很多任务就无法完成，会造成传感器资源的浪费，缩短 WSN 的生命周期。因此在成功部署WSN之前，可靠性评估是一个重要的必不可少的工作。WSN可靠性分析和评估是NP难问题，二叉决策图（OBDD）及其变种形式，如多值决策图（MDD），是适合处理大规模问题的紧凑有效的数据结构。本项目主要聚焦WSN中无线资源管理机制、WSN可靠性分析与评估、提高WSN系统可靠性、基于符号技术的WSN可靠性评估以及大规模问题的符号表示等研究内容，开展了严谨的理论研究和实验验证，提出了有效的解决方法和方案。基于演化博弈论分别构建了无线资源管理中功率控制和垂直切换的形式化模型，设计了一种基于定价机制的功率控制收益函数；基于OBDD提出了能够分析组播下大规模WSN可靠性的符号OBDD_Multicast算法；为评估多态WSN的可靠性并降低其计算的组合复杂度，构建了节点三态的WSN模型，给出了结合信息流动力学的时延约束下三态WSN可靠性符号化定义，提出了基于 MMDD的三态WSN可靠性符号算法；利用动态故障树模型的事件元素与逻辑门元素建立WSN可靠性结构，针对可修复节点建立基于马尔科夫随机过程的容错动态逻辑门模型；基于网络节点和边二元状态的假设，构建了节点和边不可靠网络的形式化模型，给出了分析节点和边不可靠网络可靠度的NEFＮ_MDD算法；给出了DTN_OBDD网络可靠度评估算法，通过遍历可行路径的OBDD计算网络可靠度；给出了多状态流网络可靠性评估的两种符号算法，MFN_OBDD和MFN_MDD；提出了基于决策图的大规模图数据的一种表示方法——k2-MDD。本项目研究成果为分析和评估大规模WSN可靠性、提高WSN可靠性、大规模问题的形式化表示等提供了新的理论、方法和技术。