沈瑋娜， 胡黃水， 王宏志， 王 瑩

(長春工業(yè)大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

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功率自適應調節(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 計算機科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

提出一種基于功率自適應調節(jié)的故障容錯算法來容忍網絡的能量耗盡和隨機故障，通過自動調節(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服務以避免因節(jié)點能量耗盡而引起的節(jié)點失效故障。仿真測試結果表明，容錯算法在收包率、故障恢復延時以及網絡平均能耗方面具有較好的表現。

無線傳感器網絡； 故障容忍； 功率自適應調節(jié)； 均衡能量消耗

0 引 言

無線傳感器網絡是由大量具有計算、通信功能的傳感器節(jié)點組成的自組織網絡[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)境等因素出現故障[4-6]，從而可能使網絡部分或全部失效，嚴重影響無線傳感器網絡的運行可靠性和生命周期[7-9]。因此，構建一個能有效容忍能量耗盡和隨機故障的網絡對無線傳感器網絡來說顯得十分重要。

無線傳感器網絡的故障容錯涉及到故障預防、檢測、診斷和恢復等多方面內容[5-7]。

近年來，國內外學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絡中的節(jié)點能量和/或通信干擾所引起的故障而導致的數據丟包率高、長延時、網絡分割甚至崩潰等問題，使網絡在出現故障時能繼續(xù)正常運行，從而延長網絡的生命周期。

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，從而提高網絡的容錯性能。

文獻[7]采用枚舉法和貪婪算法實現對中繼節(jié)點的容錯性布局，提高網絡的能耗性能。文獻[8]中提出一種分布式無線傳感器網絡節(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)點邏輯上與網絡隔離，并通過時間冗余來容忍瞬時故障。

文獻[9]采用整數線性規(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絡的生命周期。文獻[10]提出一種多項式時間近似算法來找到當前網絡的一個具有最小干擾的連通網絡。

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絡的通信干擾。文中對提出的算法和LEACH等3種方法進行了性能比較，結果表明,其減小了網絡的能量消耗并提高了網絡的容錯性能。

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)點的當前狀態(tài)，其中系數α+β=1,且0<α<1,0<β<1。當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α<β時，節(jié)點狀態(tài)則主要受通信干擾影響，采用功率調節(jié)的方法來容忍故障。仿真結果表明，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延時方面具有更好的性能。

現在幾乎所有的故障容錯方法在執(zhí)行無線傳感器網絡分析時僅考慮節(jié)點電源功率或是僅考慮了節(jié)點間的通信干擾，這使得網絡整體容錯性能并不十分理想[13]。AFTBI雖然采用兩者結合的模型來進行故障容錯，但根據不同的系數采用不同的故障容錯方法，系數的確定很難界定，且采用最大功率發(fā)送數據增加了網絡能量消耗。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，可能影響網絡的連通性以及數據收包率。節(jié)點干擾時的功率調節(jié)機制采用時分方式導致運算復雜度高且公共節(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類似的自適應功率調節(jié)故障容錯算法(Fault Tolerance algorithm based on Adaptive Power Regulation， FTAPR)，通過功率自動調節(jié)來容忍因節(jié)點間干擾而引起的通信故障。當某個節(jié)點需要發(fā)送數據時，節(jié)點進入活動狀態(tài)并以所需最小功率向下一跳目標節(jié)點發(fā)送數據包，否則進入睡眠狀態(tài)。而當節(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)點提供其相應的服務，且該剩余能量最大的節(jié)點同為下一跳目標節(jié)點的鄰居節(jié)點。

1 網絡模型

設無線傳感器網絡由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。網絡節(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；

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。

當網絡中的某個節(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)送數據節(jié)點外其它鄰居節(jié)點的所有干擾。

2 算法設計

FTAPR的基本思想是當某個節(jié)點發(fā)送數據時，其鄰居節(jié)點除下一跳目標節(jié)點之外都進入睡眠狀態(tài)，并自動調節(jié)數據發(fā)送節(jié)點的發(fā)射功率，使數據通信的每一跳都消耗更低的能量。且當節(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，且該節(jié)點同為下一跳目標節(jié)點的鄰居節(jié)點，從而最大限度延長網絡的生命周期。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，且當網絡中某個節(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節(jié)點的鄰居節(jié)點的節(jié)點，從而有效延長網絡生命周期。

無功率調節(jié)節(jié)點間干擾示意圖如圖1所示。

圖1 無功率調節(jié)節(jié)點間干擾示意圖

當某個節(jié)點A向接收節(jié)點B發(fā)送數據時，此時B的鄰居節(jié)點C、D、E(假設其發(fā)射功率與A相同)向其它節(jié)點發(fā)送數據，則它們之間發(fā)生相互干擾。當B受到多個鄰居節(jié)點干擾時，B接收A的信號質量不可避免下降且不能正確接收A的數據。為了減小節(jié)點間相互信號干擾，根據節(jié)點是否為活動狀態(tài)或睡眠狀態(tài)動態(tài)調整其發(fā)射功率。功率調節(jié)后節(jié)點間干擾示意圖如圖2所示。

圖2 功率調節(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)點功率的調節(jié)可減小重疊干擾效果，即有：

式中：Ni′----功率調節(jié)后的干擾。

由式(3)可知，功率調節(jié)提高了網絡的信噪比。為了克服多個節(jié)點同時發(fā)送數據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/應答的方法，即當節(jié)點發(fā)送數據的同時啟動一個定時器Tm，在Tm內收到應答報文，節(jié)點關閉定時器，并進入睡眠狀態(tài)，否則重新發(fā)送數據并啟動定時器，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)送和接收數據后通過式(1)計算其剩余能量。當剩余能量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答包，請求/應答包都為簡單的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)送相關參數包括故障節(jié)點ID，上一跳節(jié)點ID，下一跳節(jié)點ID。上述過程中數據傳輸采用的發(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網絡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)域內隨機分布若干個節(jié)點構成無線傳感器網絡，基站部署在網絡的邊界。其中

Es=4 mJ

Eth=0.1 mJ

Eelec=50×10-6J/bit

εamp=10×10-9J/(bit×m2)

3.1 網絡收包率分析

在不同網絡規(guī)模條件下的多種情況對網絡中的收包率進行測試。首先測試網絡中各節(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故障情況時采用AFTBI和FTAPR的收包率。

測試結果如圖4所示。

圖4 收包率對比

從圖中可見，在網絡未出現故障時節(jié)點具有較好的收包率。

AFTBI由于通過增加網絡活動節(jié)點以及降低通信干擾的方法使收包率大于或等于網絡無故障時的收包率。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)點數的增加,收包率得到提高，這是因為隨著節(jié)點數的增加，給定區(qū)域的連通性能更好。

3.2 故障恢復延時分析

故障恢復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，在不同網絡規(guī)模及不同故障率情況下，對故障延時進行測量，其結果如圖5所示。

從圖中可見，隨著網絡容量和故障節(jié)點數量增大，故障恢復延時變大。且明顯可見FTAPR具有比AFTBI更小的延時。

這是因為AFTBI采用時分順序的數據傳輸方式，而FTAPR采用并行的詢問/應答的數據傳輸方式。

3.3 平均能耗分析

無線傳感器網絡容錯算法的重要目標之一是盡可能地減小網絡的能量損耗，從而延長網絡的生命周期。接下來對FTAPR容錯機制在不同網絡容量和不同故障條件下對網絡平均能量損耗進行了測試，結果如圖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)點間干擾自適應功率調節(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 故障恢復延時對比

圖6 網絡平均能量消耗對比

4 結 語

針對無線傳感器網絡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。算法采用自適應功率調節(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。仿真結果從包接收率、故障恢復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，結果表明,所提機制比相似的方法具有更好的性能。

[1] 何大宇，韋銥，徐英鵬.Zgbee無線傳感器網絡的醫(yī)療應用研究[J].長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2010,31(3):355-360.

[2] Zhang Y Y, Shu L, Papk M S, et al. An intelligent and reliable data transmission protocol for highly destructible wireless sensor networks[J]. Journal of Internet Technology,2009,10(5):539-548.

[3] 李洪兵.無線傳感器網絡故障容錯機制與算法研究[D].重慶：重慶大學，2014.

[4] 蘇金樹,郭文忠,余朝龍,等.負載均衡感知的無線傳感器網絡容錯分簇算法[J].計算機學報,2014,37(2):445-456.

[5] Paradis L, Han Q. A survey of fault management in wireless sensor networks[J]. Journal of Network and Systems Management,2007,15(2):171-190.

[6] 徐小龍,耿衛(wèi)建,楊庚,等.高效容錯的無線傳感網事件及其邊界檢測算法[J].計算機研究與發(fā)展,2014,51(5)：997-1008.

[7] 王翥,王祁.多約束容錯性WSN中繼節(jié)點布局算法的研究[J].電子學報,2011,39(3):116-120.

[8] Lee M H, Choi Y H. Fault detection of wireless sensor networks[J]. Computer Communications,2008,31(14):3469-3475.

[9] Bari A. Design of fault tolerant wireless sensor networks satisfying survivability and lifetime requirements[J]. Computer Communications,2012,35(3):320-333.

[10] Aslanyan H, Rolim J. Interference minimization in wireless networks[C]// Proceedings of international conference on embedded and ubiquitous computing, Hong Kong:[s.n.],2010:444-449.

[11] Hassan M A, Chickadel A. A review of interference reduction in wireless networks using graph coloring methods[J]. International Journal on Applications of Graph Theory in Wireless ad hoc Networks and Sensor Networks,2011,3(1):22-29.

[12] Amini N, Vahdatpour A, Xu W, et al. Cluster size optimization in sensor networks with decentralized cluster-based protocols[J]. Computer Communications,2012,35(2):207-220.

[13] Geeta D D, Nalini N, Rajashekhar C B. Fault tolerance in wireless sensor network using hand-off and dynamic power adjustment approach[J]. Journal of Network and Computer Applications,2013,36(4):1174-1185.

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)改委經濟結構戰(zhàn)略調整引導資金專項項目(2014Y125)； 吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目(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)大學碩士研究生，主要從事無線傳感器網絡方向研究,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)大學副教授，博士，主要從事無線傳感器網絡及軌道車輛動力學方向研究,E-mail:huhs08@163.com.

TP 393.1

A

1674-1374(2017)01-0066-07