（通信与信息系统专业论文）无线传感器网络用户设定门限事件检测算法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 是当前在国际上备受关 注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。事件检测 是无线传感器网络的一项重要应用，无线传感器网络通过外界可识别的特征 监测事件发生区域和边界，而其所面临的主要问题是检测精度受环境噪声和 设备不稳定性，以及传感器网络固有的能量约束的影响。常见的无线传感器 网络容错事件检测算法按照节点协同方式的不同，可以分为集中式容错事件 检测算法和分布式容错事件检测算法两种，而分布式容错事件检测算法更适 合应用于能量受限、带宽有限的无线传感器网络。现有的分布式容错算法通 常假设两类己知的环境特征值( 比如无事件发生和有事件发生) ，而事件检测 的最优门限值选择为两类环境特征值的中值。但在实际应用中，待检测环境 特征取值类型多样，而事件的定义往往与监测用户所关心的环境特征有关， 显然研究满足用户设定事件检测门限条件下的分布式容错事件检测算法无 疑是无线传感器网络应用中的一个重要问题。 本文结合已有的基于时间相关性( t e m p o r a lc o r r e l a t i o n ，t c ) 的分布式容 错事件检测算法和基于时空相关性( t e m p o r a l s p a t i a lc o r r e l a t i o n ，t s c ) 的分 布式容错事件检测算法研究成果，重点分析和研究了用户设定门限值对容错 事件检测算法的影响，并在此基础上总结得出与之相适应的容错事件检测技 术方案。本文首先分析了用户设定门限在不同环境特征值的概率分布条件下 的容错事件检测算法性能，分析结果表明：用户设定门限值与环境特征取值 概率分布的不同关系会直接影响容错事件检测性能：距离用户设定门限值越 远的环境特征值分布概率越大，容错事件检测算法性能越好；而处于环境特 征值中点的用户设定门限值，由于互补性，环境特征值的不同概率分布则对 算法性能没有影响。此外，论文研究了在未知环境特征值状态下适用于用户 设定门限的基于时一空相关性分布式容错事件检测算法，提出了检测把握度 的概念，仿真结果表明，基于时一空相关性分布式容错事件检测算法在性能 上优于基于空间相关性的分布式容错事件检测算法，并且同样存在一个最佳 门限区参数使算法性能达到最佳；检测把握度不仅给单个传感器节点的检测 结果的正确性提供有效的参考，还为事件边界区域节点提供分辨边界区域的 有效信息。 作为用户设定门限值条件下容错事件检测算法的应用，论文分析了环境 特征动态变化条件下的分布式容错事件检测问题。论文具体分析了基于检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼笪! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼璺曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼i 一。m 把握度的边界识别算法，以及环境特征变化条件下的容错事件检测性能。分 析结果表明，在环境特征动态变化条件下，同样存在一个最佳门限区参数， 使得基于时一空相关性分布式容错事件检测算法获得最佳的纠错性能和最小 漏警概率。在随时间不断变化的动态环境特征条件下，与静态的用户设定门 限值算法略有不同的是，用户设定的门限值距离环境特征值函数起点越远获 得的检测性能越好。同时，通过仿真可以得出，当用户设定门限值在环境特 征函数外部时，随着时间变化的环境特征值距离用户设定门限值越近，事件 检测性能越好，相反，随着时间变化环境特征值距离用户设定门限值越远， 事件检测性能越差；当用户设定门限值在环境特征函数内部时，距离环境特 征曲线起点较远的用户设定门限值检测性能明显优于距离起点较近的用户 设定门限值检测性能，这在我们实际应用无线传感器网络中是很有帮助的。 关键词：用户设定门限值；环境特征值；静态事件检测；动态事件检测；时 一空相关性；无线传感器网络。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) a r et h ec u r r e n th o tr e s e a r c hf i e l dw h i c hi s i nt h ei n t e r n a t i o n a la r e n a ，w h i c hi n v o l v e s m u l t i d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g ea n d h i g h l y c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o n s o fc o m m u n i c a t i o n a n d c o m p u t e r t e c h n o l o g i e s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts e n s o rn e t w o r ka p p l i c a t i o n si st o m o n i t o rt h ei n a c c e s s i b l ee n v i r o n m e n tt h en o i s ye n v i r o n m e n ta n d e n e r g y c o n s t r a i n t s ，h o w e v e r , c h a l l e n g et h ee v e n td e t e c t i o np r o b l e m m o s to fr e c e n t l y p r o p o s e df a u l t - t o l e r a n te v e n td e t e c t i o na l g o r i t h m sc o u l db ec a t e g o r i z e di n t ot h e c e n t r a l i z e da n dt h ed i s t r i b u t e ds c h e m ei na c c o r d a n c ew i t ht h ew a yw h e r et o m a k eu pt h ef i n a ld e c i s i o no nt h ee v e n t b a s i c a l l y , t h ed i s t r i b u t e do n ei sm o r e s u i t a b l ef o rt h ee n e r g y c o n s t r a i n e d ，b a n d w i d t h 1 i m i t e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s h o w e v e r ，t w ok n o w nr e a le n v i r o n m e n t a lv a l u e s ( i e ，t h en o r m a lv a l u ea n dt h e e v e n tv a l u e ) a r ea s s u m e di nt h ep r e v i o u s l yp r o p o s e dd i s t r i b u t e de v e n td e t e c t i o n s c h e m e s ，a n dt h eo p t i m a lt h r e s h o l di ss e tt ob et h ei n t e r m e d i a t ev a l u eo ft h er e a i v a l u e s h o w e v e r ，t h ee n v i r o n m e n t a lv a l u e st ob ed e t e c t e da r ed i v e r s ea n dt h e d e f i n i t i o no fe v e n t so f t e n d e p e n d so n t h eu s e r i n t e r e s t a p p a r e n t l y , t h e f a u l t t o l e r a n te v e n tr e g i o nd e t e c t i o ns c h e m ew i t h u s e r s p e c i f i e dt h r e s h o l di s v e r yi m p o r t a n ti nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i nt h i st h e s i s ，i ti ss h o w nt h a tt h ec o n v e n t i o n a lt e m p o r a l c o r r e l a t i o n ( t s ) ， t o g e t h e rw i t h t h et e m p o r a l s p a t i a lc o r r e l a t i o n ( t s c ) b a s e df a u l tt o l e r a n te v e n t d e t e c t i o ns c h e m e sc o u l da l s ob ee x t e n d e dt ot h ee v e n t r e g i o n d e t e c t i o n a p p l i c a t i o nw i t hu s e rs p e c i f i e dt h r e s h o l d t h eu s e r s p e c i f i e dt h r e s h o l da n di t s i m p a c to nt h ef a u l t t o l e r a n te v e n td e t e c t i o np e r f o r m a n c ea r ea d d r e s s e d t h i s t h e s i sa n a l y z e st h ep e r f o r m a n c ew h i c hi si nd i f f e r e n tp r o b a b i l i s t i cd i s t r i b u t i o n p r o p e r t i e so ft h er e a lv a l u e s ，t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h eu s e r s p e c i f i e dt h r e s h o l d a n dp r o b a b i l i s t i cd i s t r i b u t i o n p r o p e r t i e s o ft h er e a lv a l u e sw i l la f f e c tt h e d e t e c t i o np e r f o r m a n c e ：t h eg r e a t e rt h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nw h i c hf u r t h e r f r o mt h eu s e r - s p e c i f i e dt h r e s h o l di s ，t h eb e t t e rt h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eh a s a n dw h e nt h eu s e r s p e c i f i e dv a l u ei se x a c t l yt h ei n t e r m e d i a t ev a l u e ，t h ed i f f e r e n t d i s t r i b u t i o nd o e sn o ta f f e c td e t e c t i o np e r f o r m a n c eb e c a u s eo ft h ec o m p l e m e n t a r y b e s i d e s ，an e wp e r f o r m a n c em e t r i co fd e t e c t i o nc o n f i d e n c ei sp r o p o s e dt o p r o v i d em o r ei n f o r m a t i o nw i t h o u ta n yi n c r e a s ei nt h ec o m m u n i c a t i o no v e r h e a d 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 v 页 曼曼曼曼曼曼皇曼曼量皇曼晕舅曼曼曼鼍曼曼曼皇曼曼罾皇曼曼鼍舅曼i i 一一_ 一；i 皇寰曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼蔓舅曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼 i ti sa l s ov a l i d a t e dt h a t ，t h et e m p o r a l s p a t i a lc o r r e l a t i o nb a s e ds c h e m e o u t p e r f o r m st h et e m p o r a l c o r r e l a t i o nb a s e ds c h e m ei nt e r m so ff a u l t t o l e r a n t d e t e c t i o np e r f o r m a n c ew i t hs o m ei n c r e a s ei nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o n i ti s h i g h l i g h t e dt h a t ，t h e r ee x i s t sa no p t i m a lt h r e s h o l dz o n ei nb o t he v e n td e t e c t i o n s c h e m e s m o r es p e c i f i c a l l y , al a r g e rt h r e s h o l dz o n ei sp r e f e r a b l ew i t ht h e i n c r e a s ei nn o i s ev a r i a n c ea n dt h ev a r i a t i o nr a n g ei nt h er e a lv a l u e s i no r d e rt oe x p l o r et h ee v e n td e t e c t i o ni nt i m ev a r y i n ge n v i r o n m e n t ，t h e d y n a m i ce v e n td e t e c t i o nw i t hu s e r s p e c i f i e dt h r e s h o l db a s e do nt h es t a t i ce v e n t d e t e c t i o na n da1 0 c a l i z e df a u l t t o l e r a n te v e n tb o u n d a r yb a s eo nd e t e c t i o n c o n f i d e n c ei sa d d r e s s e d t h ee n v i r o n m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c so fw h i c ha r ea t i m e v a r y i n g t h e r ea l s oe x i s t sa no p t i m a lt h r e s h o l dp a r a m e t e ra c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o n b e s i d e s ，i ti sh i g h l i g h t e dt h a t ，w h e nt h eu s e r s p e c i f i e dt h r e s h o l di s o u t s i d et h ee n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c sf u n c t i o n t h ep e r f o r m a n c ei sg e t t i n g b e t t e rw i t ht h et i m e v a r y i n ge n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c si sc l o s e rt ot h e t h r e s h o l d ；w h e nt h eu s e r s p e c i f i e d t h r e s h o l di si n s i d et h ee n v i r o n m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c sf u n c t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h et h r e s h o l df a r t h e rf r o mt h e s t a r t i n gp o i n ti so b v i o u s l yb e t t e r t h a nt h ec l o s e r a n dt h i si sa ni n t e r e s t i n g o b s e r v a t i o nf o rt h er e a ld e p l o y m e n tt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sf o re v e n t d e t e c t i o ni np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：u s e r s p e c i f i e d ；e n v i r o n m e n t a lv a l u e s ；s t a t i c e v e n td e t e c t i o n ； d y n a m i ce v e n td e t e c t i o n ；s p a t i a l - t e m p o r a lc o r r e l a t i o n ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：奸忧 日期：词f d 年 月l 、7 日 指导教师签名：御象t 】 日期：硼。年主月2 7 日 西南交通大学学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 分析了基于用户设定门限的容错事件检测算法： 首先，提出基于时间相关性下用户设定门限值的容错事件检测算法，并 在纯时间相关性算法下研究事件容错性能；其次，提出基于时一空相关性下 用户设定门限值的容错事件检测算法，并研究事件容错性能。 2 提出了一个新的指标一一检测把握度： 此指标不仅可以在算法中提供分辨边界区域的信息，并且通过利用空间 相关性，为单个传感器节点的检测结果的正确性提供有效的参考。 3 提出用户设定门限值下的动态事件检测： 首先，改变环境特征值，使其取值个数增加，并研究事件容错性能；其 次，针对使环境特征值按照某个特定的函数随着时间变化，并研究事件容错 性能，提出一种用户设定门限的动态事件检测算法。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得到的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法 律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：伽0 成7 靴叩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 无线传感器网络概述及研究背景 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) 是当前在国际上备受关 注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了 传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理 技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作的实时监测、感知和采集各 种环境或监测对象的信息。这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的 网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元 世界的连通。近年来，随着无线技术、传感器技术和微电子机械技术 ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 的发展，推动了低功耗多功能传 感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通 信等多种功能，使得传感器网络技术取得了巨大的进步【6 j 。 1 1 1 无线传感器网络概述 图1 1 传感器网络体系结构 无线传感器网络的体系结构如图1 1 所示。整个传感器网络由传感器节 点群、网关( s i n k 节点) 、互联网及移动通信网络、远程监控中心组成。抛撤 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在感兴趣区域的传感器节点以自组织方式构成网络，采集数据之后以多跳中 继方式将数据传回s i n k 节点，由s i n k 节点将收集到的数据通过互联网或移 动通信网络传送到远程监控中心进行处理。在这个过程中，传感器节点既充 当感知节点，又充当转发数据的路由器。整个传感器网络是一个以数据为中 心的网络，网关节点融合的数据相当于来自一个分布式的数据库。 图1 - 2 无线传感器网络节点的组成结构 传感器网络的基本组成单位是节点，它一般由四个模块组成：传感器模 块、数据处理模块、无线通信模块及能量供应模块，如图1 2 所示。节点都 具有传感、信号处理和无线通信功能。根据应用的需要，节点的体积和质量 都应比较少。因此，节点的电源模块采用只能携带有限能量的电池来实现。 同时，更换节点电池的成本比重新布放节点还要高，这就决定了无线传感器 在使用过程中不太可能更换电池，因而节能成为无线传感器网络设计的核 心，在进行节点设计时应尽量采用寿命较长的电池及低功耗器件。 1 1 2 无线传感器网络与无线自组网络的区别 无线传感器网络与无线自组网络有着许多相似之处。在无线传感器网络 研究初期，人们一度认为成熟的i n t e r n e t 技术加上无线自组网络的机制对无 线传感器网络的设计是足够充分的，但是随着研究的深入，人们逐步认识到 无线传感器网络有着与无线自组网络明显不同的技术要求和应用目标。无线 自组网络以传输数据为目的，致力于在不依赖于任何基础设施的前提下为用 户提供高质量的数据传输服务；而无线传感器网络以数据为中心，将能源的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 高效使用作为首要设计目标，专注于从外界获取有效信息。除此之外，无线 传感器网络还具有以下一些区别于无线自组网络的独有特征： 1 规模大、密度高。为了获得尽可能精确、完整的信息，无线传感器网 络通常密集部署在大片的检测区域中，其节点的数量和密度较无线自组网络 有大幅度的提高，通过大量冗余节点的协同工作来提高系统的工作质量。 2 自组织性和动态性。无线传感器网络工作在一定的物理环境中，不断 变化的外界环境往往会严重影响系统的功能，这就要求传感器节点能够随着 环境的变化而适时地调整自身的工作状态。传感器网络中的节点个数可能因 为外界环境的变化而动态的增加或减少，而网络的拓扑结构也应随之动态的 变化。 3 以数据为中心。无线传感器网络是以数据为中心的网络，人们通常只 关心某个区域内某个观测指标的数值，而不会去具体关心单个节点的观测数 据。用户使用传感器网络监测事件时，直接将用户所关心的事件通告给网络， 然后通过网络汇报给用户。 4 可靠性。由于传感器网络大规模部署在指定的恶劣环境或无人区域， 因此网络维护比较困难，并且传感器网络的安全也十分重要，这就需要无线 传感器节点有较强的鲁棒性和容错性。 1 1 3 无线传感器网络所面临的挑战 无线传感器网络不同于传统数据网络的特点对无线传感器网络的设计 与实现提出了新的挑战，主要体现在： 1 低能耗。传感器节点通常有电池供电，而电池的容量一般都有限。由 于长期工作在无人区域，因此无法给传感器节点及时的更换电池，一旦电池 耗尽，节点就失去了作用。这就要求无线传感器网络在应用过程中，每个节 点都要最小化自身的能量消耗，所以无线传感器网络中的各项应用都要以节 能为前提。 2 实时性。无线传感器网络实际应用中大多有实时性的要求，例如对温 度的监测，一般需要在一个比较短的时间内对温度做一次响应。其反应时间 越短，系统的性能就越好。因此，这就对无线传感器网络的实时性设计提出 了很大的挑战。 3 低成本。无线传感器网络需要数量众多的节点组成，单个节点的价格 会极大程度的影响整个网络的成本。为了达到降低单个节点成本的目的，设 计对计算、通信和存储能力均要求较低的简单网络系统和通信协议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼兰! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼蔓曼曼_ _ 1 1 ：1i i , 1 4 安全，抗干扰。无线传感器网络受到低成本的严格限制，需要设计要 求较低的网络系统和通信协议，同时也会带来严重的安全问题。如何在使用 较少的能量情况下可靠地完成任务，也是无线传感器网络研究与设计面临的 一个重要挑战。 5 协作。单个的传感器节点是不能完成对目标的监测，而需要多个传感 器节点采用一定的算法通过交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总和处 理，并以事件的形式得到最终结果。 1 2 无线传感器网络容错事件检测 事件检测是无线传感器网络的一项重要应用，无线传感器网络通过外界 可识别的特征监测事件发生区域和边界。尤其是对于一些紧急事件，例如化 学物质泄漏、火灾等，往往希望尽快确定事件发生或影响的区域。无线传感 器网络可以快速检测出覆盖事件可能发生的区域，并通过传感器之间的协同 处理，检测出事件发生的确切区域 6 - 7 】。 由于无线传感器网络的中心任务是监测“环境”数据的变化，因此数据 收集及其容错处理是一项基本的要求，具体表现为相关机制设计必须考虑到 节省整个网络的能量、增强所收集数据的准确性以及提高收集数据的效率三 个方面。 1 节省能量 在无线传感器网络数据冗余度很高的情况下，数据融合就是针对冗余数 据进行网内处理，即中间节点在转发传感器数据之前，首先对数据进行综合， 去掉冗余信息，在满足应用需求的前提下将需要传输的数据量化到最小。网 内处理利用的是节点的计算资源和存储资源，其能量消耗与传送数据相比要 少很多。因此，在一定程度上尽量进行网内处理，减少数据传输量，可以有 效地节省能量。 2 获得更准确的信息 传感器网络由大量低廉的传感器节点组成，部署在各种各样的环境中， 从传感器节点获得的信息存在着较高的不可靠性。因此，仅收集少数几个分 散的传感器节点的数据较难确保得到信息的j 下确性，需要通过对监测同一对 象的多个传感器所采集的数据进行综合，来有效地提高所获得信息的精度和 可信度。另外，由于临近的传感器节点监测同一区域，其获得的信息之间差 异性很小，如果个别节点报告了错误的或误差较大的信息，很容易在本地处 理中通过简单的比较算法进行排除。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 需要指出的是，集中式的容错算法虽然可以在数据全部单独传送到汇聚 节点后进行集中融合，但这种方法得到的结果往往不如在网内进行融合处理 的结果精确，有时甚至会产生融合错误。 3 提高数据收集效率 在网内进行数据融合，可以在一定程度上提高网络收集数据的整体效 率。数据融合减少了需要传输的数据量，可以减轻网络的传输拥塞，降低数 据的传输延迟；即使有效数据量并未减少，但通过对多个数据分组进行合并 减少了数据分组个数，可以减少传输中的冲突碰撞现象，也能提高无线信道 的利用率。 近几年来，在无线传感器网络中，事件检测的容错问题逐渐成为研究热 点。目前，关于无线传感器网络事件检测算法主要分为集中式和分布式两种。 其中，集中式的无线传感器网络容错事件检测算法又可以分为二进制假设检 验算法i 1 】、改进的二进制假设检验算法【2 】【4 1 、分散检测算法【3 1 和符合能量驱 动检测算法”】等。而分布式的无线传感器网络容错事件检测算法主要有：分 布式贝叶斯容错算法【6 】、分布式贝叶斯的改进算法【9 】、基于时间相关性和基 于时一空相关性算法【8 】等。 在这些算法当中，集中式的无线传感器网络事件检测算法由于消耗的能 量较高，即使可以获得较好的性能，也不适用于无线传感器网络的实际应用。 文献 6 】提出的一种分布式的局部算法( b a y e s i a nf a u l tr e c o g n i t i o na l g o r i t h m s ， b f r a ) 被广泛的应用于理论研究和实际应用当中，通过对周边邻居节点测量 数据的统计与节点故障概率的假设，按照贝叶斯公式，传感器节点读数可以 得到当前测量值的后验概率，从而判断自己是否位于事件发生的区域之中。 分布式贝叶斯的改进算法【9 1 考虑了由于传感器误差和错误引起的对事件判断 的错误，并考虑了如何选择合适的邻居数目。b oy a o 和q c c h e n 在基于空 间相关性的b f r a 算法的基础上充分考虑时间相关性提出的一种分布式检测 算法，即基于时间相关性和基于时一空相关性的分布式容错算法。基于时一空 相关性算法在能量有效性和检测精度方面都要优于基于空间相关性的 b a y e s i a n 算法，特别是当监测环境变化缓慢时，这也为本文提供了研究基础。 1 3 现有容错事件检测研究的不足和论文研究动机 通过分析和归纳现有的无线传感器网络容错事件检测算法，我们可以看 出，尽管已经有很多无线传感器网络容错事件检测算法的研究，但仍存在以 下问题： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 对于以上无线传感器网络容错事件检测算法，无论是集中式的二进 制假设检验算法的全局阈值还是分布式的b a y e s i a n 算法中的事件监 测门限值，都没有考虑实际应用中用户的不同需求。但事实上，在 实际应用中事件的定义往往与监测用户所关心的环境特征有关。 2 在现有的无线传感器网络分布式容错事件检测算法中，都是基于这 样一个假设一一实际环境只有两类已知的环境特征值( 比如：无事件 发生和有事件发生) ，而事件检测的最优门限值选择为两类环境特征 值的中值。但在实际应用中，待检测环境特征取值类型多样。 3 在事件边界区域，空间冗余信息相互矛盾，无法实现容错检测的目 标，且引入新的检测错误的可能性增大，如分布式b a y e s i a n 容错事 件检测算法及类似的采用二进制事件判决的算法。 分析和归纳现有的无线传感器网络容错事件检测研究中所存在的突出 问题，论文工作的主要出发点是： l 、为了更好地满足无线传感器网络容错事件检测实际应用需求，必须 考虑用户设定事件检测门限条件下的容错事件检测问题。 在实际的应用中，事件检测门限值应该是最终用户对监测环境是否出现 其感兴趣的特征而定的，即事件检测门限值应该不是一成不变的，比如温度 事件的检测，用户在冬天和夏天所设定的事件门限值往往是不同的。设计一 个用户设定门限值条件下的容错事件检测算法对于实际应用是非常有意义 的，这也是本文的最主要的出发点。 2 、在实际的事件监测中，环境特征取值类型复杂，已有的研究只考虑 了两类环境特征取值条件下的事件检测问题，如何面向实际环境下传感器网 络设计与之相适应的事件检测算法，无疑是亟待深入解决的关键问题。 在无线传感器的实际应用中，环境往往是动态变化的，环境的动态变化 对事件检测的影响是本文另一个主要出发点，论文将分析研究动态环境下的 用户设定门限容错事件检测算法。 3 、在事件边界处，往往存在相邻节点空间信息相互矛盾而引入检测错 误的问题，如何提供更多有效信息确定事件边界处以便更好的对数据进行容 错? 通过提供更多事件边界区域信息，用于研究可以克服网络边界处空间冗 余信息不足的问题和网络边界处相邻节点空间冗余信息相互矛盾问题的事 件检测算法，对于提高事件检测容错性能是非常有意义的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ! i i m l ，一一, , m m ! ! ! 1 1 4 本文研究内容及结构安排 通过分析、研究和比较国内外已有的无线传感器网络容错事件检测算 法，我们得出以下结论：现有的容错算法都没有考虑实际应用中用户的需求， 反应用户所关心的环境特征较少；更多的是利用无线传感器网络中节点提供 的信息，提高在时间或者空间冗余信息不足时的事件检测的容错性能；事件 边界处，减少信息不足对事件检测带来的影响；根据传感器节点的数据尽可 能提供给用户更多的信息。结合相关分析，本论文拟定如下研究目标：研究 一种用户设定门限值的分布式容错事件检测算法，并结合实际情况研究此算 法给系统的容错性能带来什么影响；改进边界处相邻节点信息相互矛盾的问 题，更好的确定事件边界位置；研究一种动态环境下用户设定门限事件检测 算法，对比固定不变的环境特征值，更符合真实情况的检测。 针对论文的研究目标，论文的主要研究内容包括： 1 提出一种用户设定门限的事件检测算法： 首先，提出基于时间相关性下用户设定门限值的容错事件检测算法，并 在纯时间相关性算法下研究事件容错性能；其次，提出基于时一空相关性下 用户设定门限值的容错事件检测算法，并研究容错事件检测性能。 2 提出了一个新的指标一一检测把握度： 此指标不仅可以在算法中提供分辨事件边界区域的有用信息，并且通过 利用空间相关性，为单个传感器节点的检测结果的j 下确性提供有效的参考。 3 提出一种动态环境下用户设定门限事件检测算法： 首先，改变环境特征值，使其取值个数增加，并研究容错事件检测性能； 其次，针对使环境特征值按照某个特定的函数随着时间变化，并研究容错事 件检测性能，分析了适用于动态环境下满足用户设定门限的动态事件容错检 测算法。 论文研究拟解决的关键技术问题包括： 1 用户设定门限值下的基于时间相关性容错事件检测算法。 2 用户设定门限值下的基于时一空相关性容错事件检测算法。 3 一种可以用于识别事件边界区域的性能指标和识别方法。 4 动态环境下用户设定门限事件检测算法。 基于以上的主要研究内容，论文的具体安排如下： 第一章是全文的绪论，对无线传感器网络进行了概述，并介绍了本文研 究的重点无线传感器网络容错事件检测算法、现状和研究意义。 第二章主要介绍了集中式网络容错事件检测算法和分布式网络容错事 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 件检测算法，并着重分析了基于时间相关性的分布式容错事件检测算法和基 于空间相关性的分布式b a y e s i a n 容错事件检测算法。为了验证基于时间相关 性和基于空间相关性下算法的性能，并为论文后续分析奠定基础，本章介绍 了利用o p n e t 软件搭建事件检测仿真平台的基本方法，并重点讨论了基于 时间相关性和基于空间相关性的事件检测模型。 第三章介绍了本文的第一个主要研究工作，即适应用户设定事件检测门 限值条件下基于时间相关性和基于时一空相关性的容错事件检测算法，同时 结合仿真分析验证了相关检测算法性能。 第四章介绍了本文的第二个主要研究工作，即动态环境下用户设定门限 事件检测，包括环境变量为多点和随时间函数变化的两种情况，同时分别给 出算法的仿真结果和分析。最后，本文提出了一个新的性能指标一一检测把 握度，此指标不仅可以在算法中提供分辨边界区域的信息，并且通过利用空 间相关性，为单个传感器节点的检测结果的j 下确性提供有效的参考，并通过 仿真应用在用户设定门限值下的容错事件检测中。 第五章对全文工作进行了总结，并对论文下一步工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼笪曼! 曼曼曼曼曼曼蔓曼曼皇曼曼曼曼曼曼舅! ! 曼曼曼曼曼鼍i 一_ 一i 曼i 曼鼍! 曼曼曼量 第2 章无线传感器网络事件检测o p ne t 仿真建模 本章首先介绍集中式网络容错事件检测算法和分布式网络容错事件检 测算法，并着重分析了基于时间相关性的分布式容错事件检测算法和基于空 间相关性的分布式b a y e s i a n 容错事件检测算法。为了验证基于时间相关性和 基于空间相关性下算法的性能，并为论文的进一步分析奠定基础，本章介绍 了利用o p n e t 软件搭建事件检测仿真平台的基本方法，并重点讨论了基于 时间相关性和基于空间相关性的事件检测模型。最后，总结以上各种算法的 不足并提出改进方法。 2 1 无线传感器网络容错事件检测算法 常见的无线传感器网络容错事件检测算法按照节点协同方式的不同，可 以分为集中式容错事件检测算法和分布式容错事件检测算法两种。其中，集 中式检测需要最后由中心节点做决策，而分布式检测则由单个节点通过与邻 居节点之间的信息交互完成。虽然，集中式的检测方式比较简单，但是需要 消耗大量的能量用于传输数据，在能量受限、带宽有限的无线传感器网络有 一定的局限性。而分布式事件检测方法能够有效的减少网络中的数据量，从 而减少整个无线传感器网络的能量消耗。 2 2 1 集中式网络容错事件检测算法 图2 1 是集中式网络容错事件检测基本框架图，文献 1 3 】就是基于这种 检测框架。在文献e 1 中，q z h a n g ，p k v a r s h n e y 和r d w e s e l 假设个未 知独立同分布的传感器，这些传感器可以利用相同的局部判决规则产生个 二进制判定结果。这些二进制数据被传输到中心节点，基于一定的全局判定 规则，节点做出最终的判定结果。 在该检测框架中，第i 个传感器节点关于事件是否发生的判决规则为： 当量磐 旯时，“f _ l ；当拿婴 0 15 时，基于时间相关性的算法性能 要更好。此外，在不同事件概率情况下，基于时间相关性的算法的错误减少 量性能是不同的。在事件概率较小时，基于时间相关性的算法的错误减少量 性能要更好。这也说明，在环境变化较少时，基于时间相关性的算法性能要 更优些。 1 文献 7 】对文献 6 】中的错误进行了更萨，本文关于最佳门限判决方案引用文献【7 】的相关结论。 塑至圣塑查兰至圭墼圣兰兰堡篁塞塞! ! 至 蹦2 一l3 基丁空问相关性进程模型状态转移蹦 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 i in i 一电一- n o r r n a l i z e de l r o t sc o r r e c t e d i 、 一+ 一- n o r m a l i z e de r r o rr e d u c t i o ni 1 1e r r o r 一专一- n e we r r o r si n t r o d u c e d 一 ： 一一- n o r m a l i z e de r r o r su n c o r r e c t e d ；、 - - 4 - - 。m i s s i n ga l a r mp r o b a b i l i t y 一i l l i ii i 、 m 、下 、i、 ；一_ r ， i _ 一闷 一矿一：，。轰荔 一 ，量l 誓上一 乏巧辞j 弋j i 上苎苎彭r 一n s e n s o rf a u l tp r o b a b i l i t y ( p ) 图2 1 4 基于空间相关性b a y e s i a n 容错算法综合性能 5 s e n s o rf a u l tp r o b a b i l i t y ( p ) 图2 1 5 基于时间相关性和基丁空间相关性错误减少量对比 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 icc=jo口一。c；ox=io一西i_芒：io。c；cot。 j)j_jccoilo了口m匕口on=叮llljoc 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 2 3 本章小结 本章在分析了空间相关性和时间相关性的基础上，分别介绍了集中式网 络容错事件检测算法和分布式网络容错事件检测算法。通过对以上各种算法 的对比研究来看，发现现有容错事件检测算法主要存在以下问题：( 1 ) 对于 无线传感器网络容错事件检测算法，无论是集中式的二进制假设检验算法的 全局阈值还是分布式的b a y e s i a n 算法中的事件监测门限值，都没有考虑实际 应用中用户的不同需求。但事实上，在实际应用中事件的定义往往与监测用 户所关心的环境特征有关；( 2 ) 现有的无线传感器网络分布式容错事件检测 算法中，都是基