无线传感器网络中网络层故障容错技术研究进展图文.docx

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无线传感器网络中网络层故障容错技术研究进展图文

·１９２６·计算机应用研究　３６，３７，６４，６５］和故障容错研究［。

第３０卷６０］传输方式［，降低数据丢失率（ＰＰＬ）和提高网络传输可靠性。

ＥＣ（ｆｏｒｗａｒｄｅｒｒｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）对每个源数据包编在源节点运用Ｆ码成多份编码数据片，并沿多条互补交叉的路径传输到目的节点。

源节点应用负载均衡算法确定在每一条路径上分配多少数据片进行传输。

在目的节点将接收到与源数据片数量相等或更多的编码数据片进行解码重构，以减小数据丢失率，达到更高的传输可靠性。

６１］Ｋｉｍ等人［研究了影响无线传感器网络可靠性的因素，　网络层容错研究发展趋势无线传感器网络作为物联网推广的重要载体、未来延伸Ｉｎｔｅｒｎｅｔ覆盖范围和实现普适计算的一项关键技术，必将在国民经济和社会发展各个领域显示出巨大的价值。

将无线传感器网络应用到火灾预警、安全检测、健康监护和关键设备状态监测等领域，必将对网络的可靠性和稳定性等提出较高的要求，这为无线传感器网络故障检测与容错技术带来了较大的挑战。

针对网络层容错技术是无线传感器网络容错的一项非常重要的研究内容，本文重点对网络层的容错控制技术进行了总结。

网络层容错控制技术仍是无线传感器网络容错研究的重点，其研究内容和发展趋势主要包括如下几个方面：

ａ）多路径路由传输协议的优化。

多路径路由传输机制仍将是无线传感器网络路由层传输故障容错的主要研究内容。

针对不同的网络特点和应用要求，建立合适的多路径路由传输机制，并充分考虑到多路径路由建立计算复杂度、能效性和时间延迟等关键指标。

在多路径路由建立的方法上探讨更有效的建立方式，如引入仿生智能算法等。

目前多路径路由较多考虑的是单源节点单目的节点或多源节点单目的节点的情况，根据不同的网络应用需求，将多路径路由传输机制延伸到多源节点多目的节点情况下开展故障容错研究。

ｂ）将网路层的多种容错机制与方法进行有效组合，包括多路径路由传输与编码机制、数据重传机制或负载均衡机制相结合等。

探索多路径路由建立方式与多种编解码方式相结合，根据网络及节点能耗、开销、时延和带宽利用情况，将编码数据片通过负载均衡规则优化分配到多路径上传输，以实现负载均衡，减少传输时延，提高数据传输有效性和准确率。

将网络编码与多路由传输相结合实现容错，优化网络编码技术，降低计算复杂度，解决网络编码与时间同步的问题，或结合安全性考虑容错等。

ｃ）网络层与其他层联合控制优化。

网络层多路径路由机制与网络拓扑结构设计相结合，如考虑是在平面结构上、簇层次结构上，还是在树—簇拓扑结构上建立多路径路由传输机制。

网络层多路径路由机制与节点代理、移动节点管理策略、节点覆盖性与连通性策略相结合，开展网络容错控制技术研究。

现有网络节点更多的是考虑节点位置固定没有移动的情况，当节点因移动导致与网络连接或覆盖等问题出现时，通过能量管理、信道资源共享、信息传输拥塞优化和管理策略等联合实现故障容错管理。

ｄ）引入仿生学原理与现代智能仿生算法开展网络层故障容错研究。

仿生学理论和现代智能仿生算法包括有生物免疫系统机理、模糊诊断、专家系统、人工神经网络、粒子群算法、蚁群算法和遗传免疫算法等，对无线传感器网络的故障检测与容错提供了较好的思路和方法，已显示出了较好的容错效果，成为新的研究热点。

对多种容错方法进行优化组合以提高网络容错性，包括链路层重传机制，纠删编码如线性编码、范德蒙式矩阵编码和Ｒｅｅｄ编码等。

通过寻找故障节点的可替代下一跳节点进行Ｓｏｌｏｍｏｎ数据传输，能减少数据包的丢失。

实验结果表明每一种方法能解决不同的故障类型，通过对这些方法的合理组合，能较大幅度地提高网络可靠性和容错性，降低数据丢包率和网络开销，使链路故障快速恢复。

文献［３２，６２］中采取了类似于ＴｉｎｙＤＢ结构的网络系统，ｉｎｋ节点建立的高稳定性和高带宽的链路利用一部分节点与ｓ进行数据传输；当节点需要特定的信息时，在网络中泛洪发送请求信息。

当请求信息经历网络节点时，记录下路径并包括每一跳的可靠度和能量信息。

源节点利用请求数据包携带的丢包率和能量信息选择路径进行数据传输，结果显示在增加数据片数量的情况下，网络能耗与传输效率也随之下降。

这是一个利用了链路层信息来进行路由决策的跨层设计。

在网络存在多个节点故障的情况下，运用改进路由协议［６３］ＢＶＲ（ｂｅａｃｏｎｖｅｃｔｏｒｒｏｕｔｉｎｇ）在ｍｅｓｈ、ｔｏｒｕｓ、ＦＣＲ和ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｇｒａｐｈ等不同的拓扑结构上，根据网络吞吐率、传输时延、计算开销和数据准确率等指标开展容错性能比较。

　网络层引入仿生智能容错机理基于仿生学原理与现代智能仿生算法的无线传感器网络故障检测与容错是新的研究热点［３７，４６～４９］。

无线传感器网络层引入仿生学原理或仿生智能处理方法能较好地提高其容错性，这包括生物免疫系统机理、模糊诊断、专家系统、人工神经网络、粒子群算法、蚁群算法和遗传免疫算法等，对无线传感器网络的故障检测与容错提供了较好的思路和方法，已显示出了较好的容错效果。

已有学者将仿生学理论和现代智能仿生算法应用到无线传感器网络故障检测与容错研究中，如将蚁群算法的群智能优势引入到网络层多路由的构建中，粒子群算法能够利用其快速的聚类收敛特性在拓扑结构构建中提高网络分簇效率，人工神经网络或结合模糊算法等在应用层或网络层可对感知数据单元进行预测与容错，遗传算法可应用到网络链路层或网络层对其数据单元进行编码传输，提高数据容错性等。

将生物免疫系统机理引入到无线传感器网络故障检测与容错中，已初显良好的容错效果和优势。

国外已有学者在这方３７，４６～４９］３５］。

Ｂｏｋａｒｅｖａ等人［提面做了前期基础性的研究工作［出了一种基于生物免疫机制的无线传感器网络容错结构ＳＡＳＨＡ，将淋巴结机制用于产生胸腺机制检测器对故障进行检测，完成对故障的确诊。

此结构不但能识别已知故障，对未知ａｂｂａｒｉ等人模拟生故障具有良好的自适应学习和进化能力。

Ｊ物免疫系统或神经免疫系统的自学习、自组织、记忆和信息处理等机理，利用免疫理论中的克隆选择、亲和力和免疫网络理论等构建网络模型，开展无线传感器网络安全检测、系统协调　结束语稳定性和可靠性是无线传感器网络应用较为重要的性能指标，尤其是应用到火灾预警、安全检测和健康监护等对无线传感器网络可靠性要求较高的领域。

通过网络故障容错，能提高网络传输稳定性、可靠性和数据传输准确性。

故障容错控制

第７期李洪兵，等：

无线传感器网络中网络层故障容错技术研究进展·１９２７·　　　已成为无线传感器网络一项关键技术和研究热点。

本文首先简要介绍了无线传感器网络容错概况，针对网络层容错是无线传感器网络故障容错一个重要的研究内容，重点归纳总结了网络层容错控制技术，主要包括多路由传输、纠删网络编码、数据重传机制、跨层协同优化与复合容错和仿编码／生智能容错等，并对网络层容错控制技术的发展趋势作了探讨。

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３７９９３８０９．［１９］ＨＯＡＮＧＮ，ＳＯＮＶ．Ｄｉｓｊｏｉｎｔａｎｄｂｒａｉｄｅｄｍｕｌｔｉｐａｔｈｒｏｕｔｉｎｇｆｏｒｗｉｒｅ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＥｌｅｃｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｔｒｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００５：

１１１２．［２０］ＨＡＳＳＡＮＥＩＮＨ，ＬＵＯＪｉｎｇ．Ｒｅｌｉａｂｌｅｅｎｅｒｇｙａｗａｒｅｒｏｕｔｉｎｇｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｏｆｔｈｅ２ｎｄＩＥＥＥＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＤｅｐｅｎｄａｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ：

５４６２．ｂｉｌｉｔｙａｎｄＳｅｃｕｒｉｔｙｉｎＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．２００６［２１］ＧＡＮＥＳＡＮＤ，ＧＯＶＩＮＤＡＮＲ，ＳＨＥＮＫＥＲＳ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈｌｙｒｅｓｉｌｉｅｎｔ，ｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔｍｕｌｔｉｐａｔｈｒｏｕｔｉｎｇｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＡＣＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＭｏｂｉｌｅＡｄｈｏｃＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇａｎｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇ．ＮｅｗＹｏｒｋ：

ＡＣＭＰｒｅｓｓ，２００１：

２５１２５４．［２２］ＨＩＮＤＡ，ＡＮＪＡＬＩＡ．Ｒｅｌｉａｂｌｅｆａｕｌｔｔｏｌｅｒａｎｔｍｕｌｔｉｐａｔｈｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｏｆｔｈｅ２５ｔｈＢｉｅｎｎｉａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．２０１０：

３２３３２６．［２３］ＩＮＤＲＡＪＩＴＢ，ＰＲＡＳＥＮＪＩＴＣ，ＨＡＦＩＺＵＲＲ．ＭＦＴＲ：

ｍｕｌｔｉｐａｔｈｆａｕｌｔ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｏｆｔｈｅ５ｔｈＩｎｔｏｌｅｒａｎｔｒｏｕｔｉｎｇｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ：

４１０４１５．ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．２０１１［２４］ＨＡＭＩＤＮ，ＭＡＧＨＳＯＵＤＡ．ＩＦＲＰ：

ａｎｉｎｔｒｕｓｉｏｎ／ｆａｕｌｔｔｏｌｅｒａｎｔｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｓｉｌｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｅｌｅｃｔｅｄＴｏｐｉｃｓｉｎ：

２４２９．ＭｏｂｉｌｅａｎｄＷｉｒｅｌｅｓｓＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇ．２０１１［２５］ＺＨＡＯＬｅｉ，ＫＡＮＢａｏｑｉａｎｇ，ＸＵＹｏｎｇｊｕｎ，ｅｔａｌ．ＦＴＳＰＥＥＤ：

ａ，ｒｅａｌｔｉｍｅｒｏｕｔｉｎｇｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｆａｕｌｔｔｏｌｅｒａｎｔ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇａｎｄＭｏｂｉｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ．２００７：

２５３１２５３４．［２６］ＣＨＥＡＲＯＮＺ，ＡＬＫＨＡＴＥＥＢＷＦＭ，ＡＮＷＡＲＦ．Ａｎｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｆａｕｌｔｆｏｌｅｒａｎｔｒｏ