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工业控制WSN汇聚节点可靠性分析

更新时间：2019-12-30 19:14:06 大小：482K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：工业控制 wsn 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为了确保应用于工业控制领域的无线传感器网络(WSN)可靠性,从工业控制领域典型WSN实时性和可靠性特点出发,考虑常见软故障的重发机制,选择汇聚节点的备件数和重发次数为特征量,在定性分析基础上建立可靠性泛函模型,定量分析了备件数与重发次数对可靠性的影响,运用Markov链及概率分析法建立重发次数与通信时间及能耗之间的量化关系.并以应用于电力系统中WSN为例,对汇聚节点可靠性模型进行求解.结果表明,在汇聚节点通信实时性和能耗满足电力系统相应要求的情况下,若位差错率为0.2×10-3,重发次数为3且备件个数为2时,汇聚节点模型可靠性仍可达99.9%以上.

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艮．芰嚣

JOURNALOF

JIA．NGSU UNI、7ERSl，I’y(Natm‘al Science Edition)

doi：10．3969／j．issn．1671—7775．2011．03．015

工业控制WSN汇聚节点可靠性分析

张荣标，陈婷，沈卓，沈敏

(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013)

摘要：为了确保应用于工业控制领域的无线传感器网络(WSN)可靠性，从工业控制领域典型WSN

实时性和可靠性特点出发，考虑常见软故障的重发机制，选择汇聚节点的备件数和重发次数为特征

量，在定性分析基础上建立可靠性泛函模型，定量分析了备件数与重发次数对可靠性的影响，运用

Markov链及概率分析法建立重发次数与通信时间及能耗之间的量化关系．并以应用于电力系统中

WSN为例，对汇聚节点可靠性模型进行求解．结果表明，在汇聚节点通信实时性和能耗满足电力系

统相应要求的情况下，若位差错率为0．2× 10～，重发次数为3且备件个数为2时，汇聚节点模型可

靠性仍可达99．9％以上．

关键词：可靠性模型；无线传感器网络；汇聚节点；备件；重发

中图分类号：TP393

文献标志码：A

文章编号：1671—7775(2011)03—0320—05

of sink node in industrial control WSN

Reliability analysis

Min

Zhang Rongbiao，Chen Ting，Shen Zhuo，Shen

of Electrical and Information

(School

Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China)

order to ensure the

wireless sensor

network(WSN)applied

in industrial con—

functional model

Abstract：In

reliability

trol

the retransmission mechanism of common soft

fault，reliability

domain，regarding

was established based on

number of sink node and retransmission

qualitative analysis by using spare parts

as characteristic

times

_partsnumber and retransmission times on the

quantities．Effects

spare

reliability

time

relationships among^{retransmission}times，communication

were

and

quantitatively analyzed．Quantitative

were built Markov chains and

WSNin

power

system

energy

to seek solution for the

probability analysis．The

model of sink node．The results show that

reliability

consumption

was taken as an

example

of network transmission and node

real—time

the

meet the

of the

when

energy consumption

two

requirements

and three

spare parts

sink node

reach over 99．9％with

retrans—

reliability

powersystem．the

mission

if the bit errorrate is 0．2× 10-3．

time，even

sensor

model；wireless

sensor

networks；sink

node；spare parts；retransmission

Key words：reliability

无线传感器网络(wireless

network，简称

故障源出发研究提高WSN可靠性的方法，如xu

Wenyuan等‘11利用跳频技术抗无线干扰，Muhammad

WSN)在工业控制领域具有广泛的应用前景，然而

应用环境(如电力系统，机械制造等行业)对网络可

靠性要求相对较高．近年来，国内外学者对WSN可

靠性做了大量研究¨ 8l，大致可分为2类：第1类从

Mahbuh

Alam等‘23通过控制传输速率避免信道拥塞

以实现数据的可靠传输；第2类利用历史数据建模

提高WSN的可靠性，如Shoubhik Mukhopadhyay

收稿日期：2009—09—10

基金项目：国家“863”计划项目(2006AAl02258)

作者简介：张荣标(1957一)，男，江苏海门人，教授，博士牛导师(zrb@ujs．edu．a11)，主要从事计算机网络与智能监测技术研究

陈婷(1985一)，女，江苏镇江人，硕士研究生(．COITI．cn)，主要从事网络町靠性研究．

万方数据

嚣‘提出罄F模捌的数据-Ⅱ靠悱技术．根据时问相

关r#建立数据预删模型．井利用模型进{j寅时溟差

控正前一种研究方法只能降低特定故障源对WSN

IⅡ靠r#的影响，尤浩埘故障源小明的情况避行娃刊!

舌种研究方浊虽然可以投时纠正社点“及无线通

f二链路中出现的瞬时故障．但是，、_硬件发牛敞障

时rll于T业控制钡域实时性蛆求较高．般不采川

冗余口点增加连通嗖，数据传送就会被巾断．同样存

忙一定的小足之处

道故障一般是山1‘扰、障碍等导数形成的瞬口撇障，

田此间时采用重筮机制解决通信的不稳定性州题．

儿而提高节点可靠性

然m1，n：提高扩象口点町靠忡的同时．余度配置

及重发机制增加丁H^能耗厦通fj时延．冈此将备

件数K和觅监次数x作为特征埘．建立邪Ⅳn．聚节

点ur靶性模型J1：荐重考虑2个盖系．即汇聚节点故

障率b葺什数K及最嵌状敷，之间的芰系(备件数

K可确定f|景节点【l：常或救障的状态数，雨发扶数

，rⅡ确定虹粲节点内部模块止常工作状态下的故障

率)“及数据传输平均能牦髓通信时问时雨嵌攻

文中拟探讨阿络I业控制领域肌型WSN巾汇

檗节点关键郎件的可释性，运用M“kov状态图及概

半分析打法．宴观nf靠性泛幽横删的求解．建讧汇聚

口点町靠性与JL特¨ 毒数之州的托系，外以电力系

统tl· WSN iI球H点为侧定鞋分析“景节点可靠陀

横型．确定较为台理的模型錾数

数。的制约共系小生一般性忭如1-假设∞箭件

nr修u修复如撕：②重发机制作川于rH内传感节

，_与汇聚口点U及子咧问汇聚口^之间舶通信，

旦传送m错对整十数据帧进{r重发．@汇聚H氍

n目能耗主要酱虑通价中发送和接收能牦处理能牦、

dmⅢ”

休口K能耗不Tk④阿络采用TDMA(11口llme

1}E聚节点可靠性模型

multiple acc惴)的非竞争九线f；道分配冉式通信

模型由泛函丧示为

1典型WSN基本结构

根据WSN在I业控制领域中^口脏用特点，网络

J 有较高的宴刖性和町张忡蹦I妊一种结构柑封

简单的典型瑚绪(如应川于生产牟同．变电站等场

所)网络由m个子网组成．每十子网震m若丁佑感

17点和一个犷壤F点组成的吊型喇络结构，f嘲川

各7【：聚竹点以多跳方式将于网f．．电传送到监控

巾心

fR=p(K，zr

、

{

．，。

¨ =mlE—I。j，

式中：f(K．x)反映备件数与莆发次数对nr靠性的影

响．女(E．f。)眨映d．景节点能耗E灶通信时州t

对琥发状数的制约

2模型定量分析

模喇定量分析的盖键足蜘何实现泛酮p(K，

r)．4(E．f )的计并通过蔷fI数’J畦发次数对nf

靠件影响的丹析可求出口(K，r)，由能牦及通f二时

蝴埘乖垃状数制约盖系的分析IⅡ求出$(E．，。)

2I可靠性月的计算

愈嘉

将n糍节点内射m艘障的处理器和无线收发措

日I目镕“于h％日

造2十相对蚀F的僻件模欢化．刈访模块进行泉度

雕氍撤*{处理器部件运行和休眠“＆无线收发器

开脚q盖闱．将模块一￡土山4种上作状忠止常运

行．监税、体眦Hf战障

}¨ ￡1

ofⅥ’SN

Top“loho

2汇聚节点可靠性挺型

由跚l可知“。聚筘点皿实现阿帑数据nf靠传

输的兰键i【_：聚节点的故障主要包括2娄：硬件故障

W逋{i信谴故障在一些对ar靠性蛰求很高的恤川

中，如馓小卫星里务H群机系统、现代作战飞机系

统导弹控制系统等弊常呆用双横，‘余订案搭缱系

统的容错结构，提高系统。f靠性IN此，文，|，借鉴机

触l墟高可靠性的方法．对汇聚节点的关键部件采

取备忭措施，一定程度上增强硬件的鲁棒性越信信

舡壤H点的状态分为3娄：韧始状志指主模块

止常I”备川模块I监说卡模块的Jifl：．儿余备用

畿址怀毗：啦收状态指并艇址都发生敞障时d．聚节

忆址丁的状忠．· ft问状惑介于J．进阿娄状忠之阿．其

个数由酐件数K决定

采用Mukov娃分析汇聚竹点状态转移过程，没

*’聚节点共有N。十状态，则备什数为K，甄发次数

万方数据

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