無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)研究

郭燕鴻

摘要：本文將針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限的特點(diǎn)，對(duì)無限傳感器網(wǎng)絡(luò)故障管理的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究，并對(duì)比闡述幾種常見的故障檢測(cè)的方法，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用與發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；資源受限；故障管理；故障檢測(cè)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過具備數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式而形成的無線網(wǎng)絡(luò)。無線傳感技術(shù)與基站或路由器等基礎(chǔ)通信設(shè)施不同，其是通過特定的分布式協(xié)議自組織起來的網(wǎng)絡(luò)。基于無線傳感技術(shù)，其能夠?qū)Ω鞣N環(huán)境或檢測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)奸惡、感知和采集，并且能夠?qū)λ占男畔⑦M(jìn)行處理直接傳送至用戶端，能夠?yàn)橛脩籼峁┤娴摹⒖煽啃暂^高的詳實(shí)可靠的信息。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠被適用于大多數(shù)惡劣以及特殊的環(huán)境條件下，其已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、箭筒管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。

隨著無線傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，以及其應(yīng)用范圍的不斷拓寬，其經(jīng)常被應(yīng)用于一些極端惡劣的環(huán)境條件下，以收集外部環(huán)境的數(shù)據(jù)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的電源、存儲(chǔ)和計(jì)算能力有限，并且應(yīng)用環(huán)境惡劣，使得傳感器節(jié)點(diǎn)比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)更易于失效。在這些情況下維持高質(zhì)量的服務(wù)，并盡可能地降低能源消耗是很有挑戰(zhàn)性的，有效的故障管理對(duì)于達(dá)成這些目標(biāo)是有極大幫助的。因此，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行管理是非常重要的。一般來說無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障的管理包括三個(gè)階段：網(wǎng)絡(luò)故障的檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)故障的診斷以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的恢復(fù)等。

本文由于篇幅以及研究經(jīng)歷有限，將重點(diǎn)研究無線床干起網(wǎng)絡(luò)故障管理中的網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)按照故障檢測(cè)的執(zhí)行主體所處位置的不同，可以將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)方法分為集中式方法和分布式方法。

一、集中式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)方法

集中式方法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障診斷中較為常見的一種方法。一般來說，負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控、對(duì)失敗或可疑節(jié)點(diǎn)進(jìn)行追蹤的店是處于物理上或邏輯上的中心位置節(jié)點(diǎn)。中心位置的節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所負(fù)責(zé)的事務(wù)較多。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)營(yíng)過程中，通常是不讓中間位置的節(jié)點(diǎn)不受到能量的限制。進(jìn)而能夠保證其執(zhí)行大范圍的故障管理任務(wù)。集中式方法的接受如集中式方法的結(jié)構(gòu)如主要采用周期輪詢的方式來對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理：中心節(jié)點(diǎn)通常采用周期性主動(dòng)探測(cè)的方式發(fā)布一些探測(cè)包，來獲取節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，對(duì)獲得的信息進(jìn)行分析，從而確定節(jié)點(diǎn)是否失效。

采用集中式網(wǎng)絡(luò)管理，所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都由一個(gè)管理者進(jìn)行管理。當(dāng)信息流量不大的時(shí)候，集中式網(wǎng)絡(luò)管理簡(jiǎn)單且有效，在失效節(jié)點(diǎn)定位方面具有高效和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，所以它非常適用十小型的局域網(wǎng)絡(luò)。在集中式網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)下，管理者作為“客戶”要完成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)，同時(shí)還必須與多個(gè)作為“服務(wù)器”的代理交換信息。這種結(jié)構(gòu)存在著較大的缺陷，主要表現(xiàn)為：

1）所有的分析和計(jì)算任務(wù)都集中在中心節(jié)點(diǎn)站，造成網(wǎng)絡(luò)管理的瓶頸，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重。由于其余節(jié)點(diǎn)的信息收集后都是發(fā)往中心節(jié)點(diǎn)，因此中心節(jié)點(diǎn)很可能變成一個(gè)專門用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)以滿足故障檢測(cè)和管理的需要。隨之而來的問題就是中心節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)域會(huì)有大量的流量往來，導(dǎo)致該區(qū)域的節(jié)點(diǎn)能量消耗急劇增加，越是靠近中心節(jié)點(diǎn)的越是這樣。

2）中心節(jié)點(diǎn)站一旦失效，整個(gè)網(wǎng)管系統(tǒng)就崩潰了，這樣導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的可靠性偏低。

3）集中式結(jié)構(gòu)導(dǎo)致大量的原始數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，帶來了大量額外的通信量，占用大量的通信帶寬，并導(dǎo)致網(wǎng)管系統(tǒng)工作效率降低。

4）用于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)并收集數(shù)據(jù)的代理是預(yù)先定義好且功能固定的，一旦要擴(kuò)展新的功能時(shí)十分不便，這樣會(huì)造成系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較差。

5）遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)與管理中心之間的距離較遠(yuǎn)，且傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用多跳通信，因此這兩者之間的信息交互時(shí)延過長(zhǎng)。

二、分布式方法

分布式方法支持局部決策的概念，能夠平滑地將故障管理分散到網(wǎng)絡(luò)中去。目標(biāo)是讓節(jié)點(diǎn)在與中心節(jié)點(diǎn)通信前，能夠給出一定層次的決策。在這種思想下，傳感器節(jié)點(diǎn)能做的決策越多，越少的信息將被傳輸給中心節(jié)點(diǎn)，從而減少通信量。其算法流程如右表1。分布式的方法通常分為以下幾種：

1）節(jié)點(diǎn)自檢測(cè)方法。節(jié)點(diǎn)自檢測(cè)的方法依賴于節(jié)點(diǎn)自身所包含的功能進(jìn)行故障檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給管理節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]中介紹了一種節(jié)點(diǎn)自檢測(cè)的方法，通過軟件和硬件的接口檢測(cè)物理節(jié)點(diǎn)的失效。硬件接口包含了幾個(gè)靈活的電路用于檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的方位和碰撞。軟件接口包含了幾個(gè)軟件部件，用于采樣傳感器節(jié)點(diǎn)的讀取行為。由于故障的檢測(cè)由節(jié)點(diǎn)本身完成，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要部署額外的軟件或硬件節(jié)點(diǎn)用于故障檢測(cè)。

2）鄰居協(xié)作的方法。顧名思義，鄰居協(xié)作的基本思想就是：在節(jié)點(diǎn)發(fā)出故障告警之前，將節(jié)點(diǎn)獲得的故障信息與鄰居（一跳通信范圍內(nèi)）獲得的故障信息進(jìn)行比較，得到確認(rèn)的情況下才將故障信息發(fā)往管理節(jié)點(diǎn)。在大多數(shù)的情況下，中心節(jié)點(diǎn)并不知道網(wǎng)絡(luò)中的任何失效信息，除非那些已經(jīng)用節(jié)點(diǎn)協(xié)作方式確認(rèn)的故障。這樣的設(shè)計(jì)減少了網(wǎng)絡(luò)的通信信息，從而保留了節(jié)點(diǎn)的能量。

3）基于分簇的方法。基于分簇的方法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成不同的簇，從而將故障管理也分散到各自的區(qū)域內(nèi)完成。簇內(nèi)采用散播的方式來定位失敗節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)與一跳范圍內(nèi)的鄰居以某種規(guī)則交換信息。通過分析收集到的信息，根據(jù)預(yù)先定義的失敗檢測(cè)規(guī)則可以最終確定失敗節(jié)點(diǎn)。接著，如果發(fā)現(xiàn)了一個(gè)故障節(jié)點(diǎn)，該區(qū)域所在的節(jié)點(diǎn)將會(huì)把信息傳播給所有的簇。

三、結(jié)束語(yǔ)

如今，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍正在逐步擴(kuò)大，而且多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)性架構(gòu)。因此對(duì)于無線床干起網(wǎng)絡(luò)的研究對(duì)實(shí)踐工作具有一定的指導(dǎo)意義，本文主要針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障的方法進(jìn)行了分類描述分析，對(duì)于指導(dǎo)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障研究工作具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]孫凌逸，黃先祥，蔡偉，夏梅尼.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2011（01）

[3]申山宏，黃日茂，李昌華.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障相關(guān)性分析[J].電腦知識(shí)與技術(shù).2010（36）

[4]王文光，劉士興，謝武軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2010（09）