CN103259867A - 一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法，包括以下步骤：根据监测数据要求取样均匀和数据传输尽量节能的需求，在传感器的实际传输半径已知的前提下，建立由均匀分簇的监测点组成的正方形基本监测区域模型；根据实际需要监测区域面积和每行/每列相邻传感器间距离，获得将实际监测区域全覆盖所需的每行最少的传感器数目；对实际监测区域中已经部署的传感器叶节点和簇首节点分别进行优化；采用双倍冗余与重传相结合方法对传输主干部分的可靠性进行优化；将叶节点可靠性、簇首节点可靠性和传输主干可靠性三部分相乘，计算得到整个远程监测系统的可靠性。本发明可以广泛应用于大规模物联网远程监测系统的可靠性分析中。

Description

一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法

技术领域

本发明涉及基于物联网远程监测技术领域，特别是关于一种适用于大规模物联网的提高物联网远程监测系统可靠性分析方法。

背景技术

随着物联网的广泛应用，一些新兴的技术领域正在蓬勃发展，远程监测作为物联网应用的一个典型实例，由于其具有精度高、实时性强、节点可以灵活部署且无需人工干预，同时感知部分可以与多种目前传输主干网例如：GPRS、3G、卫星通信、无线通信、微波和中国的北斗卫星导航系统的短信通信相结合等优点，正逐渐代替传统的监测方式。

目前，远程监测等物联网新兴技术应用日益广泛，如何有效地确保大规模物联网远程实时监测的可靠性是利用物联网开创新的生产、生活方式的重要前提，也是确保后续工作正常进行的重要保障。现有技术中确保物联网中无线传感器网络可靠性的主要方法是采取节点冗余。由于不同的传感器节点承担的任务不同，可靠性要求也就不一样，怎样冗余能够确保可靠性尽可能高是一个重要问题，而且物联网的应用过程中，投资费用也是一个重要的约束条件，怎样保证在费用一定的前提下，可靠性达到最高也是物联网从理论走向实际应用的必要前提。

在远程监测等物联网应用系统中，无线传感器网络仅仅是整个远程监测系统的一部分，仅仅保证无线传感器网络即监测区域的可靠并不能保证整个系统的可靠运行，若中间传输部分，如网关，主干传输线路等出现问题，监测中心一样收不到监测区域的信息，采用怎样的方法可以在保障监测区域可靠性的同时保证传输主干的可靠，即保证整个远程监测系统的可靠，是当前迫切需要解决的问题。另外，在诸如三江源生态远程监测等的应用中，监测区域通常都地处偏远，互联网、有线专线等可靠的IT远程传输主干通常都没有，基于GPRS或者3G的电信网通常也比较弱，传输不是很稳定，在这样恶劣的环境下如何确保传输主干的可靠，及时、准确的将监测到的信息传送到监测中心是当前面临的重要问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可靠、及时、准确的提高物联网远程监测系统可靠性分析方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法，其包括以下步骤：1）根据监测数据要求取样均匀和数据传输尽量节能的需求，在传感器的传输半径已知的前提下，建立由均匀分簇的监测点组成的正方形基本监测区域模型；2）根据实际监测区域面积s和正方形基本监测区域模型中每行/每列相邻传感器间距离l，获得将实际监测区域全覆盖所需的每行最少的传感器数目

3）对实际监测区域中已经部署的传感器叶节点和簇首节点的可靠性分别进行优化；4）采用双倍冗余与重传相结合方法对传输主干部分的可靠性进行优化；5）将叶节点可靠性、簇首节点可靠性和传输主干可靠性三部分相乘，计算得到整个远程监测系统的可靠性。

所述步骤1）中正方形基本监测区域模型包括九个传感器节点，所述九个传感器节点呈3×3阵列方式布置，每行/每列相邻两传感器节点间的距离相等，正方形基本监测区域模型中心节点为簇首节点，其它八个传感器节点为叶节点。

所述步骤3）中对实际监测区域中已经部署的传感器叶节点的可靠性进行优化的具体过程为：用户确定冗余度α后，对实际监测区域中的叶节点进行冗余，假设每行/每列相邻传感器间的实际距离l_reality设定为l的(1-α)倍，即：

l_reality＝(1-α)l，

此时实际监测区域全覆盖所需的每行最少传感器实际个数m_common：

冗余的节点个数m_redundancy：

得到实际监测区域中叶节点的可靠性为：

$R_{\mathrm{common}-\mathrm{sum}}={\left(\underset{i=m}{\overset{m_{\mathrm{common}}}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{m_{\mathrm{common}}}^i{R_{\mathrm{common}}}^i{(1-R_{\mathrm{common}})}^{m_{\mathrm{common}}-i}\right)}^{m_{\mathrm{common}}}.$

所述步骤3）中对实际监测区域中已经部署的簇首叶节点可靠性进行优化的具体过程为：假设每个并联结构单元采用i个簇首节点并联，每一个簇首节点的可靠性为R_head，不可靠性为

每个并联结构单元的可靠性为实际监测区域中总的簇首节点的可靠性为：

$R_{\mathrm{head}-\mathrm{sum}}={(1-\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Π}}}{\stackrel{\‾}{R}}_{\mathrm{head}})}^{m_{\mathrm{head}-\mathrm{sum}}}.$

在费用不超过b的情况下，i取尽可能大以使整个簇首节点的可靠性达到最优，如下所示：

式中，b_head为部署簇首节点所需的费用。

所述步骤4）中采用双倍冗余与重传相结合方法对传输主干部分的可靠性进行优化的具体过程为：1）部署时根据实际监测区域的现有通信状况，选择两种不同通信传输方式双重并行进行传输；2）对于远程主干传输采用确认重传机制确定监测系统的可靠性，具体过程为：远程主干的正常传输是由监测区域网关、传输主干和监控中心网关共同完成的，三者之间是串联结构，可靠性为：r⁰=r_sr_mr_r，其中r_s是监测区域网关的可靠性，r_m是传输主干的可靠性，r_r是监控中心网关的可靠性；当监测中心网关收到监测信息时向监测区域网关发ACK信息，如果在预设监测频率时间内监测中心网关没有收到信息则向监测区域网关发RET信息，重传次数不超过3次，若连续发送三次重传信息后监测中心网关仍未收到信息则放弃重传，认为传输主干发生故障，三次重传的可靠性分别为：第一次重传的可靠性是第一次正常传输的可靠性r⁰加上第一次正常传输失败的可靠性乘以第二次传输的可靠性乘以成功转换率c后得到，具体公式如下：

r¹＝r⁰+c(1-r⁰)r_rr_mr_sr_mr_r＝r⁰+c(1-r⁰)r_m ²r_sr_r ²；

第二次重传的可靠性是第一次重传的可靠性加上第一次重传失败的可靠性乘以第二次重传的可靠性再乘以成功转换率c，具体公式如下：

r²＝r¹+c(1-r¹)r_m ²r_sr_r ²；

第三次重传的可靠性是第二次重传的可靠性加上第二次重传失败的可靠性乘以第三次重传的可靠性再乘以成功转换率c，具体公式如下：

r³＝r²+c(1-r²)r_m ²r_sr_r ²；

3）采用双并联冗余机制得到传输主干的可靠性为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}^k=r^{k-1}(1-{\mathrm{cr}}_m{r}_r{r}^0)+{\mathrm{cr}}_m{r}_r{r}^0,1\≤k\≤3\\ r^0=r_s{r}_m{r}_r\end{array}\right.,r_m=1-{\stackrel{\‾}{r}}_{m1}{\stackrel{\‾}{r}}_{m2}$

式中，

和

为两种不同通信传输方式传输的不可靠性。

如果实际监测区域是由q个正方形基本监测区域模型组成，整个监测系统的可靠性为q个正方形基本监测区域模型的乘积关系，假设第i个正方形的可靠性是Rs_i，则实际监测区域的可靠性：

$\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{Rs}}_i.$

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的整个远程监测系统包括三部分：由叶节点和簇首节点的监测部分组成的监测节点、由簇首节点的路由部分组成的监测区域传输节点和基于双倍冗余和重传机制的传输主干和网关组成的传输系统，上述三部分逻辑上是通过串联组成的整个系统，因此整个远程监测系统的可靠性是上述三个部分的乘积，若其中某一部分的可靠性较低，则将对整个远程监测系统的可靠性造成较大影响，因此仅仅对单个部分采取可靠性保障措施并不能保证整个远程监测系统的可靠，本发明从整个远程监测系统的角度出发，针对不同部分的特点采取不同的可靠性保障措施，使整个远程监测系统的可靠性得以有效保障，因此本发明采取的整体可靠性优化方案是系统实际应用的可靠性基础。2、本发明由于对数量最多、能耗最少的叶节点采用基于寿命的部分冗余方法进行可靠性优化，因此可以在开销较少的基础上，当少量传感器叶节点失效后，仍然能够最大限度的保证监测区域信息的准确性，同时随着传感器数目的增多，监测区域整体的鲁棒性也得以提高。3、本发明由于对簇首节点采用倍增冗余方法进行可靠性优化，每个簇首节点将不再是单个故障点，而是一个至少是双倍的并联结构单元，在每个并联结构单元中，当单个簇首节点出现故障后，其余簇首节点还可以保证远程监测区域的可靠运行，可以很好地克服簇首节点任务重，耗能重，发生故障的概率也更大的缺陷；而且，将优化策略和可靠性结合起来，使簇首节点的可靠性在费用一定的情况下达到最高，对实际应用提供了理论依据。4、由于使用物联网远程监测的区域通常都地处偏远，互联网、有线专线等可靠的IT远程传输主干通常都没有，基于GPRS或者3G的电信网通常也比较弱，传输不是很稳定，本发明提出了选择两种不同传输方式同时进行传输提高主干传输的可靠性，保证了监测信息可以及时、可靠传输到监测中心；另外，本发明由于采用了确认重传机制，当监控中心网关收到监测信息时就向监测区网关发确认ACK，如果在规定的监测频率时间内没有收到信息就向监测区域网关发重传RET信息，重传次数不超过3次，若连续发送三次重传信息后仍未收到信息则放弃重传，认为传输主干发生故障，可有效的提高传输部分的可靠性。因此，本发明采用双倍冗余与重传相结合方法对传输主干部分的可靠性进行优化，可以较大幅度提高主干传输系统的可靠性。5、对于常见的整体监测几何形状都可以采用若干个正方形基本监测区域模型组合而成，同时本发明的大规模物联网远程监测系统的可靠性分析方法对于提高可靠性都给出了量化分析的结果，实用性广。因此，本发明可以广泛应用于大规模物联网远程监测系统的可靠性分析中。

附图说明

图1是本发明的正方形基本监测区域模型示意图；

图2是本发明的实际监测区域冗余前后的对比效果示意图；

图3是本发明的簇首节点并联冗余示意图；

图4是本发明基于重传的传输主干示意图；

图5是本发明融合并联和重传的传输主干示意图；

图6是图5简化后的传输主干示意图；

图7是本发明的整个远程监测系统架构示意图；

图8是本发明多种图形方案的监测区域效果图，其中图8（a）是长宽比为2:1的长方形基本监测区域示意图；图8（b）是长宽比为3:1的长方形基本监测区域示意图；图8（c）是本发明带拐角的监测区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明的提高物联网远程监测系统可靠性分析方法，包括以下步骤：

1、根据监测数据要求取样均匀和数据传输尽量节能的需求，在选购传感器的实际传输半径已知的前提下，建立由均匀分簇的监测点组成的正方形基本监测区域模型。

如图1所示，本发明的正方形基本监测区域模型1的传感器节点采用簇首结构，包括九个传感器节点，九个传感器节点呈3×3阵列方式布置，每行/每列相邻两传感器节点间的距离相等。正方形基本监测区域模型1的中心节点定义为簇首节点11，簇首节点11既用于监测信息又用于接收、融合和转发其它节点信息，其它八个节点定义为叶节点12（普通节点），叶节点12仅仅用于监测信息，不用于数据的转发。

假设建立的正方形基本监测区域模型1每行/每列相邻两传感器节点间的距离为l，周围八个叶节点12到簇首节点11的距离为l或需要保证

小于或等于传感器间的传输半径D，此时才能保证传感器间的正常通信。理想的正方形基本监测区域模型中每行/每列相邻两传感器节点间的距离为

如果需要对大面积的监测区域进行部署，可以采用若干正方形基本监测区域模型组合完成部署，并保持正方形拓扑结构不变，当采用基本监测区域模型个数为偶数时，则需要在中间增加一个簇首节点作为协调器，用来协调各个节点通信并将监测信息汇集和转发给网关的节点，当采用基本监测区域模型个数为奇数时，中间的基本监测区域模型的簇首节点作为协调器。

2、根据实际监测区域面积s和每行/每列相邻传感器间距离l，获得将实际监测区域全覆盖所需的每行最少的传感器数目

3、为了提高实际监测区域的可靠性，对实际监测区域中已经部署的传感器进行优化。由于传感器叶节点和簇首节点的功能不相同，因此采取不同的优化方法分别进行优化，进入步骤1）对叶节点的可靠性进行优化，进入步骤2）对簇首节点的可靠性进行优化，具体过程为：

1）对于数量最多、能耗最少的叶节点采用基于寿命的部分冗余方法进行可靠性优化，得到实际监测区域中叶节点的可靠性分析结果。

用户首先确定冗余度α，具体过程为：假设实际监测区域的面积为S，实际投入费用为f1，每个叶节点的费用为C，实际监测区域所需部署的正方形基本监测模型数为n。当实际监测区域仅仅需要一个理想的正方形基本监测模型进行部署时，即n=1时（如图1所示），D是叶节点和簇头节点的最大距离，则

当实际监测区域所需部署的理想正方形基本监测模型大于1，即n>1时（如图2所示），D是相邻两层两个簇头节点的最大距离，则

每行/列相邻节点间的实际距离

冗余度α为：

$\mathrm{\α}=1-\frac{d_2}{l}=1-\frac{\frac{\sqrt{S}}{\sqrt{\frac{f1}{C}}}}{l}=1-\frac{1}{l}\sqrt{\frac{\mathrm{SC}}{f_1}}$ 其中 $l=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\sqrt{2}}{2}D& n=1\\ \frac{\sqrt{2}}{6}D& n>1\end{array}\right.,$

冗余度α随投资费用f1的不同而不同，最小费用

如果d₂＞l，则不能进行正常通信，需要增加费用到f₀。如果d₂＝l，能进行正常通信，但没有冗余。如果d₂＜l，能进行正常通信，冗余度为α。

如图2所示，用户确定冗余度α后，根据实际监测区域全覆盖所需的每行最少传感器个数m和每行/每列相邻传感器间的距离为l，对实际监测区域中的叶节点进行冗余，假设每行/每列相邻传感器间的实际距离l_reality设定为理想距离l的(1-α)（0＜α＜1）倍，即：

l_reality＝(1-α)l。

此时实际监测区域全覆盖所需的每行最少传感器实际个数m_common：

冗余的节点个数m_redundancy：

其中，

表示上取整运算。

每行只要至少有m个节点有效，监测的数据就是可靠的。假设叶节点的可靠性为R_common，各行传感器必须同时满足可靠性要求，总体才是可靠的，因此行与行之间是串联结构，由于基本监测区域模型采用正方形结构，因此行数等于列数m_common，得到采取冗余后实际监测区域叶节点的可靠性为：

$R_{\mathrm{common}-\mathrm{sum}}={\left(\underset{i=m}{\overset{m_{\mathrm{common}}}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{m_{\mathrm{common}}}^i{R_{\mathrm{common}}}^i{(1-R_{\mathrm{common}})}^{m_{\mathrm{common}}-i}\right)}^{m_{\mathrm{common}}}$

式中，

是组合表达方式，表示从m_common个中选择i个。

2）对于由簇首节点的路由部分组成的监测区域传输节点（簇首节点和协调器）采用倍增冗余方法进行可靠性优化，使簇首节点的可靠性在费用一定的情况下达到最高。

在每个簇结构中，簇首节点既需要感知数据，又需要融合、转发其它节点的数据，因此簇首节点承担的任务更重，耗能也更重，簇首节点发生故障的概率也更大。簇首节点的可靠性对实际监测区域的可靠性有着更重要的意义。

如图3所示，每个簇首节点将不再是单个故障点，而是采用一个并联结构单元（并联结构单元是多个元素相互并联形成的一个共同体，这个共同体在整个系统中呈现为单个的个体），在每个并联结构单元中，当单个簇首节点出现故障后，其余簇首节点还可以保证系统的可靠运行。假设每个并联结构单元采用i个节点并联，簇首节点的单价为c_head，则部署簇首节点所需的费用b_head为：

b_head＝im_head-sumc_head，

式中，m_head-sum为未采取并联冗余时总的簇首节点数。

假设每一个簇首节点的可靠性为R_head，不可靠性为R_head，这些簇首节点所形成的并联结构单元不可靠是指组成每个并联结构的每个设备都不可靠，每个并联结构单元不可靠采用公式

表示，则每个并联结构单元的可靠性为

在实际监测区域中，当所有并联结构单元的可靠性都达到要求时，才认为是可靠的，因此上述这些并联结构单元之间为串联结构，实际监测区域中总的簇首节点的可靠性为：

$R_{\mathrm{head}-\mathrm{sum}}={(1-\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Π}}}{\stackrel{\‾}{R}}_{\mathrm{head}})}^{m_{\mathrm{head}-\mathrm{sum}}},$

为了让物联网从理论走向实际应用，投资费用也是一个重要的约束条件，怎样保证在费用一定的前提下，簇首节点的可靠性达到最高，具体优化策略为在费用不超过b的情况下，i取尽可能大以使整个簇首节点的可靠性达到最优，如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{head}-\mathrm{sum}}\→\mathrm{Max}\\ b_{\mathrm{head}}\≤b\end{array}\right.$

4、采用双倍冗余与重传相结合方法对传输主干部分的可靠性进行优化。

在诸如三江源等远程监测区域通常都地处偏远，互联网、有线专线等可靠的IT远程传输主干通常都没有，而且基于GPRS或者3G的电信网通常也比较弱，传输不是很稳定，如何及时、可靠的将信息传输到监测中心是物联网远程监测面临又一个重要问题，本发明采用双倍冗余与重传相结合方法对传输主干部分的可靠性进行优化，包括以下步骤：

1）部署时可以根据实际监测区域的现有通信状况，选择两种不同通信传输方式双重并行进行传输。

目前远程传输包括GPRS、3G、互联网、卫星通信、微波、LDmesh或北斗卫星短信传输等通信传输方式，上述通信传输方式在传输内容的形式、费用、带宽方面都不相同，也各有优缺点。为了提高主干输出的可靠性，部署时可以根据实际监测区域的现有通信状况选择两种不同通信传输方式同时进行传输，例如使用电信营运商的3G信号和北斗短信传输系统进行双重并行传输，防止其中的某个传输信号不强或者不稳定带来的信息传输中断。

2）对于远程主干传输采用确认重传机制提高监测系统的可靠性，具体过程为：

远程主干的正常传输（也称为第0次重传）是由监测区域网关（可靠性设为r_s）、传输主干（可靠性设为r_m）和监控中心网关（可靠性设为r_r）共同完成的，三者之间是串联结构，可靠性为：r⁰=r_sr_mr_r。

如图4所示，当监测中心网关收到监测信息时就向监测区域网关发ACK信息（确认信息），如果在预设监测频率时间内监测中心网关没有收到信息就向监测区域网关发RET信息（重传信息），重传次数不超过3次，若连续发送三次重传信息后监测中心网关仍未收到信息则放弃重传，认为传输主干发生故障，三次重传的可靠性为：

第一次重传的可靠性是当传输失败时，监测区域网关向监测中心网关重新发送信息，并被监测中心网关成功接收。第一次重传的信息需要通过传输主干，监测区域网关、传输主干和监测中心网关重新传输（第一次重传需要监测中心网关发送RET信息，假设发送成功的概率为c，然后RET信息通过传输主干送到监测区域网关，然后监测区域网关重新发送刚刚传输失败的信息，信息再通过传输主干，然后到达监测中心网关，所以第一次重传信息通过的路径为监测中心网关，传输主干，监测区域网关，传输主干和监测中心网关），其可靠性为第一次正常传输的可靠性r⁰加上第一次正常传输失败(不可靠)的可靠性乘以第二次传输（第一次重传）的可靠性乘以成功转换率c后得到，具体公式如下：

r¹＝r⁰+c(1-r⁰)r_rr_mr_sr_mr_r＝r⁰+c(1-r⁰)r_m ²r_sr_r ²

第二次重传的可靠性是第一次重传的可靠性加上第一次重传失败(不可靠)的可靠性乘以第二次重传的可靠性再乘以成功转换率c，具体公式如下：

r²＝r¹+c(1-r¹)r_m ²r_sr_r ²

第三次重传的可靠性是第二次重传的可靠性加上第二次重传失败(不可靠)的可靠性乘以第三次重传的可靠性再乘以成功转换率c，具体公式如下：

r³＝r²+c(1-r²)r_m ²r_sr_r ²。

3）采用双并联冗余机制得到传输主干的可靠性。

由于重传的可靠性本质上是基于串联拓扑结构的，因此只要监测区域的网关、主干传输和监测中心网关有一个失效，则系统的传输就中断，如果重传系统中某个部分的可靠性不是很高，则需要用冗余的方式增加其可靠性，将重传和冗余机制结合起来可以较大幅度地提高主干传输系统的可靠性，采用冗余后的远程监测的主干传输架构如图5所示，将图5进行简化后的传输主干图如图6所示，传输主干的可靠性为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}^k=r^{k-1}(1-{\mathrm{cr}}_m{r}_r{r}^0)+{\mathrm{cr}}_m{r}_r{r}^0,1\≤k\≤3\\ r^0=r_s{r}_m{r}_r\end{array}\right.$ 此时 $r_m=1-{\stackrel{\‾}{r}}_{m1}{\stackrel{\‾}{r}}_{m2}$

式中，k为循环次数，分别表示两个并联主干传输的不可靠性（如图5所示）。

5、将叶节点可靠性、簇首节点可靠性和传输主干可靠性三部分相乘，计算得到整个远程监测系统的可靠性。

整个远程监测系统包括三部分：①由叶节点和簇首节点的监测部分组成的监测节点，②由簇首节点的路由部分组成的监测区域传输节点（簇首节点和协调器）和③基于双倍冗余和重传机制的传输主干和网关组成的传输系统。上述三部分逻辑上是通过串联组成的整个系统，因此整个监测系统的可靠性是上述三个部分的乘积，如图7所示：字母R表示节点（可以是簇首节点或叶节点），下标第一个字母N表示第N层，以此类推到第N-1层，…直到第1层，下标第二个数字表示每层的基本监测区域外围八个叶节点的顺序号，依次从1至8编号。

上述实施例中，在实际选择和布设监测区域时，选择能够代表整体地势形态的拓扑结构，常见的整体监测几何形状包括正方形（如大面积湿地、大面积草原、大面积沙漠、大面积冰川、大面积湖泊等），长方形（如狭长的河流和山间草地等），带拐角的直角形状（如因中间有阻挡物而产生的拐弯的河流，山间等）。后两种监测区域可以采用正方形基本监测区域模型组合进行部署，例如：如图8（a）所示，长宽比为2:1的长方形监测区域可以采用两块基本监测区域模型组合后在中间增加一个簇首（sink）节点作为协调器；如图8（b）所示，长宽比为3:1的长方形基本监测区域可由3块基本监测区域模型组合，以此类推不再进行赘述；如图8（c）所示，带拐角的基本监测区域可由三块基本监测区域模型组合而成。上述这些结构可以划分成由若干q个面积最大的正方形基本监测区域模型组成，整个监测区域的可靠是指q个正方形基本监测区域模型都可靠，逻辑上是串联系统，因此整个监测系统的可靠性是q个正方形基本监测区域模型的乘积关系，假设第i个正方形的可靠性是Rs_i，则最终的可靠性是：

$\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{Rs}}_i.$

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤的等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法，其包括以下步骤：

1）根据监测数据要求取样均匀和数据传输尽量节能的需求，在传感器的传输半径已知的前提下，建立由均匀分簇的监测点组成的正方形基本监测区域模型；

2）根据实际监测区域面积s和正方形基本监测区域模型中每行/每列相邻传感器间距离l，获得将实际监测区域全覆盖所需的每行最少的传感器数目

3）对实际监测区域中已经部署的传感器叶节点和簇首节点的可靠性分别进行优化；

4）采用双倍冗余与重传相结合方法对传输主干部分的可靠性进行优化；

5）将叶节点可靠性、簇首节点可靠性和传输主干可靠性三部分相乘，计算得到整个远程监测系统的可靠性。

2.如权利要求1所述的一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法，其特征在于：所述步骤1）中正方形基本监测区域模型包括九个传感器节点，所述九个传感器节点呈3×3阵列方式布置，每行/每列相邻两传感器节点间的距离相等，正方形基本监测区域模型中心节点为簇首节点，其它八个传感器节点为叶节点。

3.如权利要求1或2所述的一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法，其特征在于：所述步骤3）中对实际监测区域中已经部署的传感器叶节点的可靠性进行优化的具体过程为：用户确定冗余度α后，对实际监测区域中的叶节点进行冗余，假设每行/每列相邻传感器间的实际距离l_reality设定为l的(1-α)倍，即：

l_reality＝(1-α)l，

此时实际监测区域全覆盖所需的每行最少传感器实际个数m_common：

冗余的节点个数m_redundancy：

得到实际监测区域中叶节点的可靠性为：

$R_{\mathrm{common}-\mathrm{sum}}={\left(\underset{i=m}{\overset{m_{\mathrm{common}}}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{m_{\mathrm{common}}}^i{R_{\mathrm{common}}}^i{(1-R_{\mathrm{common}})}^{m_{\mathrm{common}}-i}\right)}^{m_{\mathrm{common}}}.$

4.如权利要求1到3任一项所述的一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法，其特征在于：所述步骤3）中对实际监测区域中已经部署的簇首叶节点可靠性进行优化的具体过程为：假设每个并联结构单元采用i个簇首节点并联，每一个簇首节点的可靠性为R_head，不可靠性为

每个并联结构单元的可靠性为

实际监测区域中总的簇首节点的可靠性为：

$R_{\mathrm{head}-\mathrm{sum}}={(1-\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Π}}}{\stackrel{\‾}{R}}_{\mathrm{head}})}^{m_{\mathrm{head}-\mathrm{sum}}}.$

5.如权利要求4所述的一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法，其特征在于：在费用不超过b的情况下，i取尽可能大以使整个簇首节点的可靠性达到最优，如下所示：

式中，b_head为部署簇首节点所需的费用。

6.如权利要求1到5任一项所述的一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法，其特征在于：所述步骤4）中采用双倍冗余与重传相结合方法对传输主干部分的可靠性进行优化的具体过程为：

1）部署时根据实际监测区域的现有通信状况，选择两种不同通信传输方式双重并行进行传输；

2）对于远程主干传输采用确认重传机制确定监测系统的可靠性，具体过程为：

远程主干的正常传输是由监测区域网关、传输主干和监控中心网关共同完成的，三者之间是串联结构，可靠性为：r⁰=r_sr_mr_r，其中r_s是监测区域网关的可靠性，r_m是传输主干的可靠性，r_r是监控中心网关的可靠性；

当监测中心网关收到监测信息时向监测区域网关发ACK信息，如果在预设监测频率时间内监测中心网关没有收到信息则向监测区域网关发RET信息，重传次数不超过3次，若连续发送三次重传信息后监测中心网关仍未收到信息则放弃重传，认为传输主干发生故障，三次重传的可靠性分别为：

第一次重传的可靠性是第一次正常传输的可靠性r⁰加上第一次正常传输失败的可靠性乘以第二次传输的可靠性乘以成功转换率c后得到，具体公式如下：

r¹＝r⁰+c(1-r⁰)r_rr_mr_sr_mr_r＝r⁰+c(1-r⁰)r_m ²r_sr_r ²；

第二次重传的可靠性是第一次重传的可靠性加上第一次重传失败的可靠性乘以第二次重传的可靠性再乘以成功转换率c，具体公式如下：

r²＝r¹+c(1-r¹)r_m ²r_sr_r ²；

第三次重传的可靠性是第二次重传的可靠性加上第二次重传失败的可靠性乘以第三次重传的可靠性再乘以成功转换率c，具体公式如下：

r³＝r²+c(1-r²)r_m ²r_sr_r ²；

3）采用双并联冗余机制得到传输主干的可靠性为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}^k=r^{k-1}(1-{\mathrm{cr}}_m{r}_r{r}^0)+{\mathrm{cr}}_m{r}_r{r}^0,1\≤k\≤3\\ r^0=r_s{r}_m{r}_r\end{array}\right.,r_m=1-{\stackrel{\‾}{r}}_{m1}{\stackrel{\‾}{r}}_{m2}$

式中，

为两种不同通信传输方式传输的不可靠性。

7.如权利要求1到6任一项所述的一种提高物联网远程监测系统可靠性分析方法，其特征在于：如果实际监测区域是由q个正方形基本监测区域模型组成，整个监测系统的可靠性为q个正方形基本监测区域模型的乘积关系，假设第i个正方形的可靠性是Rs_i，则实际监测区域的可靠性：

$\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{Rs}}_i.$

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