摘要：如何提高感測器網路的壽命是感測器網路應用研究必須面對的重要課題。無線感測器網路被大量用於環境檢測等領域。提高計算和無線通訊能力，將感測器的作用由單純的資訊傳播，擴大至更加精細的感測器資訊融合、分類、合作目標跟蹤等任務。由於對系統失效模式的特殊定義，傳統的解析方法不能解決大規模感測器網路的可靠性問題。為此，用解析方法和模擬方法對感測器網路陣列的可靠性進行分析。通過RBD 模擬方法得到的3×3 感測器陣列的可靠性結果，與數學解析方法所得結果符合得很好。
關鍵詞：無線感測器網路;k/n 表決系統;可靠性框圖
0、引言
隨著大型積體電路、無線射頻技術以及嵌入式處理器技術的快速發展，感測器網路的廣泛使用，以便能夠從環境中隨時隨地獲得諸如溫度、壓力等物理量正在成為現實。在最新的許多研究領域，如危險環境探測、建築物結構監測和軍事跟蹤偵察，無線感測器網路都得到了廣泛應用。無線感測器網路的好處在於它能夠通過環境中大量的感測器節點，提供大面積的物理特性讀數。這樣的感測器網路通常都由幾百甚至上千個微型感測器組成，這些感測器都具有無線通訊以及對遙測資料進行適當處理的能力。由感測器得到的資訊，最終傳送到中央伺服器或接收器。由於感測器網路受能量以及通訊頻寬的限制，對所得資料就地進行分析，在途中進行處理，減少到達接收器的資料流量是非常重要的，這個過程即所謂的資料融合。
相比於單個感測器有限的通訊範圍，整個感測器網路所分散的區域要大得多。因此，一個給定的感測器一般不能直接與其他所有檢測到共同事件的感測器進行通訊。感測器檢測到的事件以及與事件有關的資訊通過多層次的融合最終在接收器處彙總。在接收器的彙總報告的可信度，是對遙測資料準確性的一個衡量。
由於感測器經常被放置在惡劣的環境下，損壞的感測器上錯誤的資料會影響到最終結果的正確性。因此，取得可信的資料對於改善網路的可靠性是非常重要的。使用多個感測器同時監測同一地點可以確保提高監測質量[1]。從附近感測器上所得的資料可以用來辨別給定地點所得資料的準確性。筆者通過解析方法[2-6]和RBD 模擬方法對感測器陣列的可靠性進行分析。由於對系統失效的特殊定義，需要將感測器陣列進行重新劃分後再進行模擬計算。
1、系統失效定義及解析法
與其他的複雜系統一樣，一個感測器網路有多種故障模式。這裡首先討論以二維網格形式佈置的感測器陣列的可靠性。
對於一個n× n的感測器網路陣列，系統故障有以下2 種情況，其中任何一種情況發生即視為系統失效。
1)失效的感測器數量大於給定的數值k，一般k≤n。
2)有相鄰的感測器失效。
在圖1(a)的感測器佈局中，最多可以有6 個感測器失效。當圖1(a)中圈所有的感測器失效時，系統仍然能夠在可接受的失效範圍內工作。在圖1(b)的感測器佈局中，當有相鄰位置(無論是水平、垂直、對角位置相鄰)的感測器失效時，即視為系統失效。當只按照第一種方式定義失效時，可以很簡單地將感測器網路的可靠性視為k/n 表決系統來計算。這裡n 為總的感測器數量，k 為要求正常工作的感測器數量。但是，當考慮第二種失效方式時，系統可靠性就不能夠簡單地視為標準的k/n 表決系統來計算。因為此時，這樣的方法得到的是系統可靠性的上界。但是對於2×2 的感測器陣列是個例外，因為它只允許一個感測器失效，任意2 個感測器失效都將是相鄰的。此時系統可靠性即按照標準的k/n 系統計算。在圖2中，按一般溼度感測器引數取值，取β = 2.24,η = 16100。但是，隨著感測器數量的增加，同時考慮維修時間和成本、零件供應和維修人員等情況後，獲取可靠性和可行性的解決方案將變得十分困難，甚至是不可能的。例如，對於一個4×4 的感測器陣列。 (4)確定有2、3、4 個感測器失效但不相鄰的過程比較繁雜。因此，利用模擬模擬成為一種可行的方法。
2、利用RBD 模擬解決方案
鑑於前文對於系統失效的定義，相鄰的感測器不能同時失效。因此，在可靠性框圖(RBD)中，可將感測器陣列劃分為若干個2×2 模組，而將每個模組都視為一個標準的.3/4 表決系統。
如圖3 所示。經過上述劃分後，只要每個模組都滿足3/4 表決系統要求，便不會出現有相鄰感測器失效的情況。要注意的是，在上述劃分中，有的感測器會被劃分到多個模組中，如感測器5會被4 個模組同時包含。儘管如此，系統的可靠性不會被低估，因為所有的模組具有相同的源，作為一個整體計算。按照上述方法，一個3×3 感測器陣列可按圖4 的方式在RBD 中模擬。每個模組分佈與先前單個溼度感測器使用壽命分佈函式相同，通過ReliaSoft Blocksim軟體，可得到系統的可靠性曲線，如圖5 所示。將圖5 與圖2 進行比較，二者符合得很好。
需要說明的是，在圖4 的可靠性框圖中，會出現一種情況，即感測器1、3、7、9 同時失效。此時每個劃分模組都滿足3/4 表決系統要求，即沒有相鄰的感測器失效，但此時失效的感測器總數已經超過3 個。此類情況對於系統的可靠性貢獻非常小。以3×3 的感測器陣列為例，假設每個感測器的可靠性為0.95，此時系統可靠性為0.054 × 0.955 = 4.83613×10?6 ， (5)等同於失效。但是，隨著感測器使用壽命增加，單個感測器的可靠性降低，此類情況對於系統的可靠性影響將增加。例如，當單個感測器可靠性降低為0.7 時，系統可靠性為0.34 × 0.75 = 0.00136137 ， (6)影響依舊很小。
3、結論
用解析方法和模擬方法對感測器網路陣列的可靠性進行了分析。隨著感測器網路規模的擴大，通過解析方法很難直接得到結果。通過RBD 模擬方法得到的3×3 感測器陣列的可靠性結果與解析方法所得結果符合得很好。
[參考文獻](References)
[1] 程大偉, 趙海, 孫佩剛, 等. 基於聯合優化的無線感測器網路傳輸可靠性研究[J]. 感測技術學報, 2007,20(12): 2701-2708.
Cheng Dawei, Zhao Hai, Sun Peigang, et al. Study on reliability transmission based on joint optimization forwireless sensor networks [J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2007, 20(12): 2701-2708.(in Chinese)
[2] 常柏林, 孫連霞, 馬昆林, 等. 厚膜溼度感測器壽命特徵值的估計[J]. 感測器技術, 2004, 23(8): 25-26.