無線傳感器網絡故障檢測研究

郭燕鴻

摘要：本文將針對傳感器網絡資源受限的特點，對無限傳感器網絡故障管理的相關內容進行研究，并對比闡述幾種常見的故障檢測的方法，對無線傳感器網絡的應用與發(fā)展具有一定的指導意義。

關鍵詞：無線傳感器；資源受限；故障管理；故障檢測

無線傳感器網絡是通過具備數據處理和無線通信能力的傳感器節(jié)點通過自組織方式而形成的無線網絡。無線傳感技術與基站或路由器等基礎通信設施不同，其是通過特定的分布式協議自組織起來的網絡?；跓o線傳感技術，其能夠對各種環(huán)境或檢測對象的信息進行實時奸惡、感知和采集，并且能夠對所收集的信息進行處理直接傳送至用戶端，能夠為用戶提供全面的、可靠性較高的詳實可靠的信息。由于無線傳感器網絡能夠被適用于大多數惡劣以及特殊的環(huán)境條件下，其已經被廣泛的應用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、箭筒管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災等領域。

隨著無線傳感器技術的不斷發(fā)展，以及其應用范圍的不斷拓寬，其經常被應用于一些極端惡劣的環(huán)境條件下，以收集外部環(huán)境的數據。由于傳感器節(jié)點的電源、存儲和計算能力有限，并且應用環(huán)境惡劣，使得傳感器節(jié)點比傳統(tǒng)網絡的節(jié)點更易于失效。在這些情況下維持高質量的服務，并盡可能地降低能源消耗是很有挑戰(zhàn)性的，有效的故障管理對于達成這些目標是有極大幫助的。因此，對無線傳感器網絡故障進行管理是非常重要的。一般來說無線傳感器網絡故障的管理包括三個階段：網絡故障的檢測、網絡故障的診斷以及網絡系統(tǒng)的恢復等。

本文由于篇幅以及研究經歷有限，將重點研究無線床干起網絡故障管理中的網絡故障檢測部分。無線傳感器網絡故障檢測按照故障檢測的執(zhí)行主體所處位置的不同，可以將無線傳感器網絡故障檢測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絡故障檢測方法

集中式方法是無線傳感器網絡故障診斷中較為常見的一種方法。一般來說，負責對網絡進行監(jiān)控、對失敗或可疑節(jié)點進行追蹤的店是處于物理上或邏輯上的中心位置節(jié)點。中心位置的節(jié)點在無線傳感網絡系統(tǒng)中所負責的事務較多。因此，無線傳感器網絡在運營過程中，通常是不讓中間位置的節(jié)點不受到能量的限制。進而能夠保證其執(zhí)行大范圍的故障管理任務。集中式方法的接受如集中式方法的結構如主要采用周期輪詢的方式來對節(jié)點進行管理：中心節(jié)點通常采用周期性主動探測的方式發(fā)布一些探測包，來獲取節(jié)點的狀態(tài)信息，對獲得的信息進行分析，從而確定節(jié)點是否失效。

采用集中式網絡管理，所有的網絡設備都由一個管理者進行管理。當信息流量不大的時候，集中式網絡管理簡單且有效，在失效節(jié)點定位方面具有高效和準確的優(yōu)點，所以它非常適用十小型的局域網絡。在集中式網絡管理結構下，管理者作為“客戶”要完成復雜的網絡管理任務，同時還必須與多個作為“服務器”的代理交換信息。這種結構存在著較大的缺陷，主要表現為：

1）所有的分析和計算任務都集中在中心節(jié)點站，造成網絡管理的瓶頸，中心節(jié)點負載過重。由于其余節(jié)點的信息收集后都是發(fā)往中心節(jié)點，因此中心節(jié)點很可能變成一個專門用于數據傳輸的節(jié)點以滿足故障檢測和管理的需要。隨之而來的問題就是中心節(jié)點所在的區(qū)域會有大量的流量往來，導致該區(qū)域的節(jié)點能量消耗急劇增加，越是靠近中心節(jié)點的越是這樣。

2）中心節(jié)點站一旦失效，整個網管系統(tǒng)就崩潰了，這樣導致整個系統(tǒng)的可靠性偏低。

3）集中式結構導致大量的原始數據在網絡上傳輸，帶來了大量額外的通信量，占用大量的通信帶寬，并導致網管系統(tǒng)工作效率降低。

4）用于監(jiān)測網絡并收集數據的代理是預先定義好且功能固定的，一旦要擴展新的功能時十分不便，這樣會造成系統(tǒng)的可擴展性較差。

5）遠端節(jié)點與管理中心之間的距離較遠，且傳感器網絡中采用多跳通信，因此這兩者之間的信息交互時延過長。

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絡中去。目標是讓節(jié)點在與中心節(jié)點通信前，能夠給出一定層次的決策。在這種思想下，傳感器節(jié)點能做的決策越多，越少的信息將被傳輸給中心節(jié)點，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)點自檢測方法。節(jié)點自檢測的方法依賴于節(jié)點自身所包含的功能進行故障檢測，并將檢測結果發(fā)送給管理節(jié)點。文獻[4]中介紹了一種節(jié)點自檢測的方法，通過軟件和硬件的接口檢測物理節(jié)點的失效。硬件接口包含了幾個靈活的電路用于檢測節(jié)點的方位和碰撞。軟件接口包含了幾個軟件部件，用于采樣傳感器節(jié)點的讀取行為。由于故障的檢測由節(jié)點本身完成，這種方法的優(yōu)點是不需要部署額外的軟件或硬件節(jié)點用于故障檢測。

2）鄰居協作的方法。顧名思義，鄰居協作的基本思想就是：在節(jié)點發(fā)出故障告警之前，將節(jié)點獲得的故障信息與鄰居（一跳通信范圍內）獲得的故障信息進行比較，得到確認的情況下才將故障信息發(fā)往管理節(jié)點。在大多數的情況下，中心節(jié)點并不知道網絡中的任何失效信息，除非那些已經用節(jié)點協作方式確認的故障。這樣的設計減少了網絡的通信信息，從而保留了節(jié)點的能量。

3）基于分簇的方法。基于分簇的方法將整個網絡分成不同的簇，從而將故障管理也分散到各自的區(qū)域內完成。簇內采用散播的方式來定位失敗節(jié)點，簇頭節(jié)點與一跳范圍內的鄰居以某種規(guī)則交換信息。通過分析收集到的信息，根據預先定義的失敗檢測規(guī)則可以最終確定失敗節(jié)點。接著，如果發(fā)現了一個故障節(jié)點，該區(qū)域所在的節(jié)點將會把信息傳播給所有的簇。

三、結束語

如今，無線傳感器網絡應用范圍正在逐步擴大，而且多數學者認為，無線傳感器網絡是物聯網平臺實現的基礎性架構。因此對于無線床干起網絡的研究對實踐工作具有一定的指導意義，本文主要針對無線傳感器網絡故障的方法進行了分類描述分析，對于指導無線傳感器網絡故障研究工作具有一定的指導意義。

參考文獻：

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[4]王文光，劉士興，謝武軍.無線傳感器網絡概述[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版）.2010（09）