在实际应用中，假设它们都相互独立，那么联合概率可以写成
基于贝叶斯信任网络的故障诊断
下面举一个例子来说明贝叶斯信任网络的过程。我们假设环 境监测中有五个属性：温度（T）、相对湿度（H）、气压（P）、 光照强度（L）、节点电压（V）。它们的关系为：气压和相对湿 度受温度影响，而电压影响了所有其他属性。
无线传感器网络的自恢复策略--基于覆盖的修复
节点失效会造成某些区域不被覆盖，这时需要采取措施来弥补覆盖 空洞。节点覆盖区域定义为它的整个感知区域除去与其他节点重叠 的部分。失效节点的覆盖区域需要其他节点来弥补。假设网络中的 节点具有移动能力，它把覆盖修复过程分为四个阶段。
（1）初始化阶段：节点计算自己的覆盖区域、每个覆盖区域对应的 移动区域。
基于贝叶斯信任网络的故障诊断
贝叶斯信任网络包含一个有向图和与之对应的概率表集合。有向图 中的顶点表示变量，边表示变量之间的影响关系。贝叶斯信任网络的关 键特征是能够模型化并推理出不确定因素。 模型化节点间的可靠关系是通过节点概率表实现的，应用贝叶斯信 任网络可分为构造、学习和推论三阶段。例如，有A、B、C、D、E五个 变量时，其联合概率分布为
无线传感器网络可靠性分析
网络层可靠性 网络层的主要功能是负责节点间路由的选择及维护。可分为两种模式：、 任由节点泛洪式地选择自己的路由，不加任何干涉，泛洪就是这种模式 的典型协议，这种模式的好处就是基本上不涉及算法，节点接收到信息 之后不用维护本地路由表，直接广播数据包即可，因为多路径传输数据 包到汇聚节点，所以具有很高的容错性，但由此带来了大量冗余信息传 输，容易造成网络拥塞，耗费大量能量，因此不适宜用在无线传感器网 络中。 另外一种模式就是局部多路径传输协议，当网络正常时，网络以一跳最 优路径进行数据的传输，这样能最大限度地节省能量，如最小跳数协议。 当网络发现某节点发生拥塞时，调控节点进行多径分流，以此来降低节 点的通信负载，保证系统的可靠性
式中，β0(t)是偏移值，β1(t)是缩放倍数，ξ是测量噪声，由此可以得到下几种 故障模型
容错设计模型
（1）固定故障：固定故障是指感应器的读数一直为某个固定的值。 这个值通常大于或小于正常的感知范围。发生固定故障的感应器不能 提供任何感知环境的信息。它可以形式化为
（2）偏移故障：偏移故障是指在真实值的基础上附加一个常量。它 能被形式化为
无线传感器网络可靠性分析
传输层可靠性 在无线传感器网络中，理想的传输层能支持可靠的信息传递和提供 有效的拥塞控制，以此来延长无线传感器网络的生命周期。可靠性保证 分为两种，一种是事件的可靠性，另一种是数据包的可靠性，无线传感 器网络中一般采用基于事件的可靠性，因此只需要数据传输的可靠性达 到一个保证事件传输的阈值即可。 无线传感器网络中数据传输分为两种形式： 上行模式，即从传感器节点到汇聚节点，这是感应源节点到汇聚节点而 形成的一股数据流，目的是保证汇聚节点能够监测到感兴趣区域的事件 情况。 下行模式，即从汇聚节点到传感器节点的数据传输，在这种模式中传输 的不再是节点采集的信息，而是汇聚节点给予感应区域内的控制或者查 询消息，它可能用于调整整个网络的路由，避免网络的拥塞；也可能用 于反馈消息的正确接收或者查询某个特定区域的信息，规定其优先级等。
中值策略是利用邻居测量值的中值与自己的测量值比较，在很大程度上避 免了错误的邻居节点测量值对测量精度的影响，在有很多邻居节点测量值 错误的情况下，节点仍然能正确地判断出自己的测量值是否正确。
基于空间相关性的故障诊断
三种策略都不需要增加额外的通信量，如表9.1所示，三种策略的 识别精度，误报率和时间复杂度比较可以看出，中值策略比较适合于 无线传感器网络。
无线传感器网络容错技术概述
故障在某些条件下会使设备运转产生差错，从而导致输 出结果不正常，当这种不正常结果累积到一定程度时就 会使系统失效。
容错技术在传统分布式系统的分类方法，简述如下：
（1）故障避免：简单来说，就是避免或者预防故障的发 生。 （2）故障检测：用不同的策略来检测网络中的异常行为。 （3）故障隔离：就是对故障节点进行隔离，以免其影响 现有网络。 （4）故障修复：这是网络故障发生后的一项补救措施，
无线传感器网络可靠性分析
无线传感器网络是一个新型网络，按照功能的不同可将协议分为 五层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，采用容 错技术就是保证系统的可靠性，由于每一层的结构不同，每一层保证系 统的可靠性机制也就不同。
物理层是无线传感器网络的最底层，主要负责信息的发送、编/解码功 能，其主要可靠性都是来自于系统硬件. 数据链路层主要负责对物理层发送的数据进行错误检测，将物理层的数 据错误率降低到阈值以下，采用反馈机制来保证它的可靠性。
基于空间相关性的故障诊断
（2）无须地理位置信息。这类检测通常是通过侦听邻居数据来判断自己 测量值是否正确的，判断策略可分为多数投票策略、均值策略和中值策略。 多数投票策略是通过与邻居节点测量值进行比较，得到与自己的测量值相 同或差距在允许范围内的邻居测量值个数，如果个数超过邻居数目的一半， 则判定自己的测量值为正确的，否则就是错误的。 均值策略首先计算邻居测量值的平均值，然后比较这个均值和自己的测量 值，如果它们差距在允许的范围内，则认为自己的测量值为正确的。
无线传感器网络容错技术概述
在无线传感器网络中，至少有三大理由说明我们应该 足够重视WSN中的容错技术。 首先，要考虑相关的技术和实现方面。 其次，WSN中的应用与其相关技术和架构一样复杂。 第三，WSN本身就是一个新的科研领域，并不清楚对于一 个特定的问题该如何解决是最好的。
容错设计模型
无线传感器网络的故障从整体上考虑可以分为三个层级：部件级、节点级和网 络级。 部件级故障是指此类故障节点能够正常通信，但其测量值是错误的，会影响网 络分析处理数据的结果； 节点级故障是指故障节点不能与其他节点进行正常的通信，会影响网络连通性 和覆盖性； 网络级故障是指网络通信协议或协作管理方面的问题或其他原因造成的较大规 模的故障，导致整个网络不能正常工作。 下面来描述这种错误的测量值。设某个节点所在地的真实值为γ(t)，记测量误 差符合正态分布（0，σ2）。传感器发生故障时，测量值将可以形式化为
无线传感器网络可靠性分析
A 1 2 3
B
C
D
1 1 丢失2
2 4
2 3 4 2 3 4
无线传感器网络故障检测与诊断
基于空间相关性的故障诊断 空间相关性，是指无线传感器网络中相邻节点的同类传感器之间所测量的 值通常有很相近的特性。 （1）需要地理位置信息。在地理位置信息已知的情况下，利用三个可信 节点实现三角法检测感应器故障。
第9章 容错设计技术
第9章 容错设计技术
无线传感器网络容错技术概述
容错设计模型 无线传感器网络可靠性分析 无线传感器网络故障检测与诊断 无线传感器网络的自恢复策略
无线传感器网络容错技术概述
容错就是指当由于种种原因在系统中出现了数据、文件损坏或丢 失时，系统能够自动将这些损坏或丢失的文件和数据恢复到发生 事故以前的状态，使系统能够连续正常运行的一种技术。 失效：失效就是某个设备停止工作，不能够完成所要求的功能。 故障：故障是指某个设备能够工作，但是并不能按照系统的要求 工作，得不到应有的功能，它与失效的主要区别就是设备还在工 作，但是不正常。 差错：差错是指设备出现了的不正常的操作步骤或结果。
节点的所有属性联合概率分布函数为
基于贝叶斯信任网络的故障诊断
无线传感器网络的自恢复策略--基于连接的修复
k连通网络是指网络中任意两点之间都至少有k条不相 交的路径，k连通网络中任意k−1个节点发生故障时网络仍
然保ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ连通。
容错节点是一种可以替换失效活动节 点的睡眠节点或冗余节点。活动节点 失效会造成某些邻居节点的连接断开， 在它失效时，其邻居节点可以通过指 定的容错节点来通信。
（2）恐慌请求阶段：垂死节点广播求助消息。 （3）恐慌回应阶段：垂死节点的邻居节点收到求助消息后计算如 果自己移动到垂死节点的移动区域，是否会影响到自身的覆盖区域， 如果不影响则给求助节点返回消息。
（4）决策阶段：垂死节点根据收到的回应信息，决定让哪个节点移 动。
（3）倍数故障：倍数故障是指真实值被放大或缩小某个倍数。它可 以形式化为
（4）方差下降故障：这类故障通常是由于使用时间过长，感应器老 化后变得越来越不精确而产生的。设测量方差为σm2，故障方差为σf2， 当σm2>σf2，则误差演变为故障。包含故障的测量值为
容错设计模型
依据无线传感器网络的特点及与应用结合的限制等而制定的， 主要有以下几方面的标准。 （1）能效性：这里主要考虑传感器节点在数据采集、数据处理、 通信三方面的能耗。 （2）故障诊断精度：一般地，故障诊断精度是指一次故障诊断过 程完成后，诊断状态与实际状态相同的节点占总节点数的百分比。 有时候，故障诊断精度也被细分为故障识别率和误报率两个指标。 （3）故障诊断执行时间：在执行故障诊断过程中节点之间要进行 协作判断，也就是处于激活状态的节点数目会比较大，如果故障诊 断过程持续比较久会给网络带来较大的能耗负担。 （4）恶劣环境中的故障诊断精度：在一些特殊的应用中，由于环 境、自然灾害或人为因素的影响，网络中的故障节点分布不均匀， 可能在局部区域出现故障节点聚集的现象，这种现象会影响故障诊 断机制的性能表现，一个好的故障诊断机制应该能有效地应对这样 的情况。