水下传感器网络冗余设计

水下传感器网络冗余 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 3 水下传感器网络冗余设计 31 2 辰李 群, 钟德欢, 陈 (11 北海舰队司令部, 山东 青岛 266071, 21 解放军 91379 部队, 山东 青岛 266002, )31 海军工程大学, 武汉 430033 摘 要: 冗余设计可以有效地延长水下传感器网络寿命和提高网络可靠性, 基于可靠性理论, 考虑水下传感器网络环境及节点垂直移动等约束, 在对冗余非共享 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 研究的基础上, 结合水下传感器网络特点, 提出了适合于水下传感器网络特点 的冗余共享设计方案, 并给出了冗余共享方案的可靠性模型, 通过数值计算, 研究了网络可靠性变化曲线及冗余节点数与网 络寿命的关系。经过软件仿真, 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明在同一网络寿命情况下, 相对于冗余非共享方案, 冗余共享方案所需冗余节点 M A TL A B 数更少, 降低了网络部署成本, 达到了冗余优化的目的。 关键词: 水下传感器网络, 冗余设计, 可靠性, 网络优化 中图分类号: 212 文献标识码: T P A Study of Re l iab il ity Redun dan cy D e s ign of Un derwa ter Sen sor Ne twork s 1 2 3, 2, L I Q u n ZHON G D eh u an CH EN C h en (11, , 266071, , 2191379 ,H ead qu a r te r of B e ih a i F lee tF lee t of N or th S ea Q ingD ao C h ina U n it of PL A )266002, , 311 , 430033, Q ingD ao C h ina N av a l U n iv of E ng inee r ing W u h an C h ina ’: , A bstra c tIt is ve ry im po r tan t to p ro lo n g n e tw o rk s life t im e an d in c rea se re liab ility in U SN ’1 redu n dan cy de sign co u ld p ro lo n g n e tw o rk s life t im e an d in c rea se re liab ilityT h is p ap e r p ropo se s th e 1 redu n dan cy de sign fo r U SN b a sed o n re liab ility th eo ryIt tak e s ve r t ica lly m o v in g lea sh o f U SN sen so r s 1an d reno va t in g p e r io d s lea sh in to acco u n t an d b a sed o n th e stu dy in g th e redu n dan t u n sh a red sch em eA t th e , 1 1 sam e t im eT h e redu n dan t sh a re sch em e w a s p ropo sedA n d th e re liab ility m o de l is a lso p ropo sedT h e re la t io n sh ip b e tw een th e n um b e r o f redu n dan t sen so r s an d n e tw o rk life t im e is re sea rch ed b y a typ ica l , ca lcu la t io n T h e sim u la t io n re su lt s o f m a t lab sim u la t io n show s th a t redu n dan cy sh a re sch em e n eed few e r ’1redu n dan cy sen so r s an d co u ld ach ieve th e effec t o f p ro lo n g in g n e tw o rk s life t im e an d in c rea sin g re liab ility : , , , Key word su n de rw a te r sen so r n e tw o rk sredu n dan cyre liab ilityn e tw o rk op t im ize 1 22 的应用前景。延长网络寿命和提高网络可靠性是 引 言水下传感器网络研究的重要领域, 目前有部分学者 3 对传感器网络的可靠性进行了研究, 如程大伟等水 下 传 感 器 网 络 ( U n de rw a te r Sen so r在联合优化的基础上对传感器网络的可靠性进行了 ) , 是网络系统研究的一个重要领 N e tw o rk sU SN 研究, 文献4 对进行了多级簇结构的可靠性 W SN 域, 它在海洋水文数据收集、海水污染监测、海洋灾 描述, 采用连通性和覆盖性对基本簇单元进行可靠 害预警、船舶导航和军事水下监测等方面有着广泛 性研究。文献5 26 将网络系统可靠性与系统 W SN 功能联系起来, 综合考查连通性测度以外的多种因收稿日期: 2011205228 修回日期: 2011207219 素对可靠性的影响。文献7 对水下移动工具的水声 ()3 基金项目: 湖北省自然科学基金资助项目 1086 ZR Y ( ) 作者简介: 李 群 19712 , 男, 山东烟台人, 工程师, 研 通信的可靠性进行了研究; 文献8 研究了水下传感 究方向: 计算机网络, 传感器网络。 ( ) 李 群, 等: 水下传感器网络冗余设计总第 37- 1533 ?75? 究了二维和三维水下声学传感器网络的部署策略的, 即为网络中每个传感器节点都部署个冗余传略 m通信构建, 确定满足应用所要的优化感知和通信覆 感器节点, 如图 3 所示, 这种部署方式需要大量的传盖条件下节点的数目, 并提供一个估计补偿网络可 感器节点且成本较高。?冗余共享策略, 即只在网络 能的失效所需的多余节点数目, 此模型对可靠性的 ( ) ( 的最上层 利用重力下降情况或最下层 利用浮力 研究仅考虑了节点失效对网络寿命的影响, 以上研 ) 上升情况的每个节点处部署个冗余传感器节点,m 究考虑因素不够全面, 较理想化。水下传感器网络具 这种部署方式网络成本相对于前一种方案较低, 如 有节点移动能力受限、部署规模大、节点成本高等特 点, 本文充分考虑水下传感器网络节点移动特点和 图 4 所示。 网络特性, 基于可靠性理论, 研究了水下传感器网络 的冗余设计方案对网络优化的影响。 1 相关模型 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 及模型建立 三维空间传感器部署问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 已有不少学者进行了 10 研究, 如黄艳等人考虑到传感器节点间的协同能 冗余非共享策略图 图 3图 4 冗余共享策略图 力, 提出了一种基于监测融合的部署策略。11SM 冗余非共享策略 211 11 N azru l A lam 针对三维空间的覆盖问题, 证明了 , 为提高水下传感器网络可靠性, 延长网络寿命 由截八面体构成的体心覆盖模型的极优性, 并给出 ,并考虑水下传感器的高成本特性、失效率高的特点12 了不同部署策略的部署方案。刘华峰等针对水下 最直观的做法就是给每个传感节点配置若干备用节13 传感器网络的部署问题, 在研究的截Co nw ay J H 点, 即本选题所说的冗余非共享策略, 在冗余非共享 八面体体心覆盖模型基础上, 提出了基于随机部署策略中, 给每个传感节点配置个冗余节点, 以提高 m 网络可靠性和延长网络寿命。 为研究非冗余共享策 的 算法, 利用传感器在垂直方向的移动, 由平 E T G 略的可靠性变化, 使用“冷贮备”模型研究冗余传感 面正方形格结构生成一个近似的空间体心立方格结 器节点数对网络寿命的影响, 为简化研究, 仅考虑当 11 213 构。由目前的研究可知, 三维空间中已知的最优所有传感器为同型传感器的情况, 结合网络有效工 ( 球 覆 盖 形 式 为 体 心 立 方 格 2bo dycen te red cu b ic () 作的条件, 以 系统为基础, 研究网络寿命与 k N G ) 覆盖, 其部署模型如图 1 所示, 部署方案如图la t t ice 可靠性的关系。 2 所示。 基于体心覆盖模型较典型的部署方式有下设传感器节点失效率为。对于由个单元同分Κn 降法和上升法两种, 前者利用重力在使节点下降到 需要部署节点的位置如算法; 后者将传感器节 E T G 14点首先部署在水下, 然后利用浮力将传感器节点部 () 布的 系统, 则网络可靠度为 : k n G 署到相应位置, 可以达到隐蔽性的要求, 这两种部署 n n- i ii ( ) ( ) ( ) ( ) 方法的共同点是节点只具备垂直移动的能力, 而不 R t] = 1 C n [R t] 1 -R s t ?i= k 具备水平移动的能力。 当足够大时:n ( ) ( ) = {0??- }=R s tp N tn k ( ( ) ) ( ) ( ( ) ) 0- n ×1- R t N t- n ×1- R t { ??p ( ) ( ( ) ) ( ) ( ( ) ) n ×R t×1- R tn ×R t×1- R t( )b t ( ( ) ) n - k - n ×1- R t }?( )?a t ( ) (( ) )n ×R 2 × Π t×1- R t 1 2 x ×- 2 ()2 ed x 图 2 体心覆盖 图 1 截八面体覆盖 ( ( ) ) - n ×1- R t()( ) 3 其中, = a t( ) (( ) ) n ×R t×1- R t 2 网络冗余部署 ( ( ) ) n - k - n ×1- R t()( ) 4 = b t冗余部署是提高网络可靠性延长网络寿命的有 ( ) (( ) )n ×R t×1- R t效方式, 针对以截八面体体心覆盖模型部署的水下 ( )通过正态分布表可以求得网络可靠度为。 R s t传感器网络, 通过冗余设计提高水下传感器网络的 212 冗余共享策略及分析可靠性, 其节点部署方式有两种: ?冗余非共享策 由于水下传感器网络部署规模大, 给每个传感 李( ) 群, 等: 水下传感器网络冗余设计总第 37- 1535 ?77? ) 有 个节点失效, 且 < = 3, 则有: i i 3 结论3(() () () ) 0+ 1+ 20 = p p p p 1 2 针对水下传感器网络易失效、节点成本高和数() ( (() () () ) = 3 30+ 1+ 2p 1 C p p p p 量多的特点, 充分考虑水下传感器网络特性和部署 2 () () (() () () ) = 3 3×3×0+ 1+ 2+ p 2 C p p p p p 约束, 研究水下传感器网络的冗余设计问题, 在冗余 1 2( () () () () ) C 4×0+ 1+ 2p p 3 p p 非共享方案的基础上给出了冗余共享方案, 并给出 3 3 21 () () () (() = 3+ 3+ ×4×0+ 3 3 2 p 3 C p C C p p p 了网络可靠性计算模型, 通过软件仿真和实例求解 1 2得到了以下结论: 对冗余非共享策略, 使用的冗余传 () () ) () (() () () ) p 1+ p 2+ C 3 p 5×p 0+ p 1+ p 2 感器节点较多, 成本较大, 随着网络寿命的不断增 则系统可靠度为:加, 部署的冗余传感器节点数也在不断增加; 由网络 3 3 w l 冗余节点数与网络寿命的关系可以进一步求出冗余 ( ) ((() ) p =p N , y k = R s t= x 2 x = ????k = 0 k = 0 x = 1 y = 1 共享方案的最优冗余节点数。 冗余共享策略相比于 ) p + k = p +p + p 0 1 2 3 冗余非共享策略, 达到相同的网络寿命所需的冗余 通过编程求解可得系统可靠性随时 节点数量少, 达到了降低网络成本、提高网络可靠性 M A TL A B 和延长网络寿命的目的。 间变化如图 7 所示。 参考文献: 进一步研究, 网络冗余节点数与网络寿命的关 系, 仿真结果如图 8 所示。 2, , . A k y ild iz I F Pom p ili D M e lo d ia TU nde rw a te r A 1 ] : [ . co u st ic Sen so r N e tw o rk sR e sea rch C h a llenge s J () , 2005, 3 3: 2572279.A d H o c N e tw o rk s 2 ] , , , . 2 H e idem ann J Ye W W ills J e t a lR e sea rch C h a ll enge s and A pp lica t io n s fo r U nde rw a te r Sen so r 图 8 冗余数与寿命 图 7 可靠性曲线2 [ ]N e tw o rk ing C P ro c o f th e IE E E W ire le ss 由图 8 可以看出, 冗余传感器节点的加入显著. , Comm un ica t io n and N e tw o rk ing Co nfL a s V ega s提高了网络的可靠性水平, 随着节点数的提高, 网络 , : , 2006: 2282235.N evadaU SA IE E E P re ss 寿命提高, 但是当冗余节点上升到 7 个以后, 网络寿 程大伟, 赵 海, 孙佩刚, 等. 基于联合优化的无线传 3 ] 感器网络传输可靠性研究[. 传感技术学报, 2007,J 命不再提高或提高不明显, 从而可以求出最优冗余 () 20 12: 270122708. 节点数。 理论分析可知冗余共享方案比冗余非共, . X ing L D A k h ile sth aQ o S R e liab ility o f 4 ] 享方案 H ie ra rch ica l C lu ste red W ire le ss Sen so r N e tw o rk s 所需要的冗余节点数少, 能够节省网络成本, 下面研 [ ] 225.C P ro ceed ing s o f th e th IE E E In t l 究冗余共享方案与非共享方案的差异, 比较两者达 P e rfo rm ance Co 2m p u t ing and Comm un ica t io n s 到同样的网络寿命所需 , 2006: 6412646.Co nfe rence 冗余节点数。 依旧选用 . 2X ing LIn teg ra ted M o de ling fo r F au ltT o le ran t 5 ] [] Sen so r N e tw o rk s R e liab ility and Secu r ity C T h e 图 6 所示部署结构, 使用 软件仿真, 对 M A TL A B 52nd A nnua l R e liab ility & M a in ta inab ility () 06, , , 2006: Sym po sium RAM SN ew po r t B each CA 每 次 取 定 的 冗 余 节 点 1982204. 数, 仿真 100 次然后取寿 冗余共享与非共享比 图 9, . , 6 ] H o sam M F A bo E IFo to h S SIyenga rK r ish nendu 命 平 均 值 作 为 网 络 寿较 . C h ak raba r tyCom p u t ing R e liab ility and M e ssage 命, 这样就可以消除网 D e lay fo r Coop e ra t ive W ire le ss D ist r ibu ted Sen so r 络受随机因素的影响, 在两种部署方案下的冗余节[. 2 N e tw o rk s Sub jec t to R andom F a ilu re J IE E E T 点数与网络寿命如图 9 所示。() 2155., 2006, 54 1: 145ran sac t io n s o n R e liab ility ( 由图 9 可以看出, 在相同的网络寿命下 即划一 A m r ita A N , D a r io P. R e liab ility in U nde rw a te r 7 ] 与轴平行的直线, 可得与两条斜线的两个交点, 这 x 2 [ ]In te rV eh ic le Comm un ica t io n s C In te rna t io na l 两个点的横坐标及对应同一网络寿命所需的冗余节 ,Co nfe rence o n M o b ile Com p u t ing and N e tw o rk ing ) 点数, 冗余共享方案所需的节点数少于冗余非共享 2 P ro ceed ing s o f th e 3 rd A CM In te rna t io na l方案, 与理论分析一致。 , 2008: 19226. (W o rk shop o n U nde rw a te r N e tw o rk s下 )转第 82 页 ( 火 力 与 指 挥 控 制) 总第 37- 15402012 年 第8 期 ?82? 波长小于波段时, 随着波长减小气象效应加剧, 远 入研究。S : 参考文献距探测性能急剧下降。可见, 雷达所处的波段是飞机 生存力高低是否受降雨环境影响的根本性因素, 只 1 ] 马东立, 张 考. 飞机生存力评估方法[. 系统工程 J () 理论与实践, 1998, 23 9: 1152119. 有在特定的波段内, 才可以针对其因气象效应造成 王 旭, 宋笔锋, 郭晓辉. 飞行器被雷达发现概率的 的探测性能下降而提高飞机的生存力。 2 ] () 计算方法研究[. J 系统工程理论与实践, 2006, 313降雨量 () 6: 1302134. 其 他参数设置同 311 节, 降雨量分别为 =Χ 3 ] 郭晓辉, 宋笔锋, 王 旭. 具有电子对抗功能的飞机 1 、= 4 、= 10 和 = 16 mm hΧmm hΧmm h Χmm h生存力评估方法[. 系统工程理论与实践, 2005, 30 J 时飞机在航路上的生存力如图 5 所示。() 6: 71275. 由 图 5 可见, 对于 = 011 的雷达, 降雨量越 Κm . M eh lis JSea rch R ada r C um u la t ive P ro bab ility o f 4 ] 大, 对飞机的生存力的影响越显著。这是由于随着降 [. D e tec t io n J IE E E T ran sac t io n s o n A e ro sp ace and 雨量的增大, 雨杂波的成指数式增大, 导致综 R C S () , 1973, 9 6: 9482950.E lec t ro n ic Sy stem s 合信干比减小, 进而雷达探测概率下降, 飞机生存力 . [ ] Boo th J PW ea th e r and R ada r In te rac t io n s C 的提高就变得更为明显。以300 距离为例, 不考 km 5 ] 21212., 2005 : 1202虑 降雨影响时, 飞机生存力小于 013, 而考虑降雨作 A e ro sp ace Co nfe renceIE E E 用后, 4 的降雨量可使飞机生存力提高到mm h , . H u Y D D om en ic BA Com p a ra t ive A sse ssm en t 6 ] o f R F C lu t te r M o de ls fo r U se in M issile S im u la t io n 0145, 超过 10 的降雨量则使飞机的生存力提 mm h S tud ie s[R . A IA A 2200124125, 2001. 高到 017 以上。 7 ] . 雷达系统分析与建模[. 北京: 电子工D av id K BM 业出版社, 2007. 北 4 8 ] 297. 雷达电波传播折射与衰减手册[ . 87GJB ZS 结论 京: 总装备部, 1997. 降雨对飞机生存力影响是可观的, 特别是在 S 张9 ] 考, 马东立. 军用飞机生存力与隐身设计[. M 波段内, 降雨的影响使得飞机的生存力有较为明显 北京: 国防工业出版社, 2002. 的提高; 随着降雨量的增大和敌方雷达波长的减小, 庞学亮, 王 清. 高速飞行器背景磁场模型分析与改 10 ] () 进[. 四川兵工学报, 2010, 31 5: 22224.J 降雨状况对飞机生存力的影响也不断增大。 本文研 王 旭, 宋笔锋. 一对一遭遇时飞机生存力2探测时究过程中, 未计及降雨对飞机飞行安全和飞机执行 11 ] () 航空学报, 2008, 29 4: 9142918. 间解析模型[. J 任务的效能的影响, 只是从飞机生存力的角度研究 12 ] 刑昌风, 李敏勇, 吴 玲. 舰载武器系统效能分析降雨的影响, 因此可以认为: 通过侦查手段获取敌方 [M . 北京: 国防工业出版社, 2008.雷达参数后, 利用天气和环境特性来制定相应的战 牛宝成. 气候环境与武器装备效能[. 电子产品可 13 ] J 术和航路, 是有助于提高飞机生存力的。下一步将就 () 靠性与环境试验, 2000, 19 4: 34237. 如何对飞机生存力与作战效能进行综合权衡进行深 () 1039. 上接第 77 页 , . 8 ] Zh ang W Y , U rba sh iM . A D e lay re liab ility A na ly sis 11 ] N azru l A lam S M Zygm un t J HCo ve rage and 22 []hop U nde rw a te r A co u st ic Comm un ica t io n Co nnec t iv ity in T h reeD im en sio na l N e tw o rk s C fo r M u lt i 12[ C ] In te rna t io na l Co nfe rence P ro ceed ing s o f th e th A nnua l In te rna t io na l o n M o b ile ,Co nfe rence o n M o b ile Com p u t ing and N e tw o rk ing Com p u t ing and N e tw o rk ing, P ro ceed ing s o f th e 2nd 2006: 3462357. , 2007: 57264.w o rk shop o n U nde rw a te r ne tw o rk s 刘华峰, 陈果娃, 金士尧. 三维水下传感器网络的拓 , , . 9 ] D a r io P T omm a so M Ian F AD ep lo ym en t 12 ] ( ) 扑生成算法 [. 计算机工程与应用, 2008, 44 2:J A na ly sis in U nde rw a te r A co u st ic W ire le ss Sen so r 1632171. [] N e tw o rk s C In te rna t io na l Co nfe rence o n M o b ile , . , Co nw ay J H S lo ane N J ASp h e re P ack ing sCom p u t ing and N e tw o rk ing, P ro ceed ing s o f th e 1st 13 ] , [ . 3 . : L a t t ice sand g ro up s M rd edN ew Yo rkA CM In te rna t io na l W o rk shop o n U nde rw a te r 22, 1999.Sp r inge rV er lag , 2006: 48255.ne tw o rk 黎 放, 王志国, 李 平, 等. 舰船可靠性管理工程 黄 艳, 于海斌. 一种高效覆盖的水下传感器网络部 10 ] 14 ] [. 北京: 国防工业出版社, 1997.M ( ) 署 策略[ . 电子与信息学报, 2 0 0 9 , 3 1 5 : 1 0 3 5 2J