無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN故障檢測方法的研究

隋美玉　康悅　高子涵

摘要：針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限的特點(diǎn)，研究了故障管理的相關(guān)內(nèi)容，主要對故障檢測的幾種常見方法進(jìn)行比較說明，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；故障；檢測；方法；恢復(fù)

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，設(shè)備位置可以隨時更改，還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。WSN的發(fā)展得益于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、片上系統(tǒng)（SoC）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展。WSN廣泛應(yīng)用于軍事、智能交通、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等多個領(lǐng)域。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測及診斷恢復(fù)

2.1故障檢測

為了確定故障的存在，需要收集與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)。一般來說，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將處于不正常的狀態(tài)。通過獲取設(shè)備的狀態(tài)信息，就可以及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的故障。收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息有兩種方法：設(shè)備向管理系統(tǒng)報告關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)事件；由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)定期地查詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)，即主動輪詢。

一般情況下，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)將這兩種方法結(jié)合起來使用。當(dāng)對網(wǎng)絡(luò)組成部件狀態(tài)進(jìn)行檢測后，不嚴(yán)重的簡單故障通常被記錄在錯誤日志中，并不作特別處理。而嚴(yán)重一些的故障則需要通過網(wǎng)絡(luò)管理器，即所謂的“告警”。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般都具有感知異常情況的能力，當(dāng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)自身或網(wǎng)絡(luò)中的嚴(yán)重不正?，F(xiàn)象時，它采用告警的方式報告給網(wǎng)管中心，因此，故障檢測一般由網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備完成。

2.2故障診斷

故障會在網(wǎng)絡(luò)中傳播，論文格式所有感知到故障的網(wǎng)絡(luò)對象（包括物理對象和邏輯對象）都會發(fā)生告警，在一個大型網(wǎng)絡(luò)中，一個故障可能會引起大量的告警。故障診斷就是對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)出的告警進(jìn)行相關(guān)處理，從一大堆的告警中找到故障發(fā)生的真正原因，并找出故障節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)故障診斷中，一個理想的告警應(yīng)該包含有關(guān)故障的五W信息（Who、What、Where、When和Why）。由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對于自身以外的網(wǎng)絡(luò)情況只了解非常有限的知識，所以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生的大部分網(wǎng)絡(luò)告警只回答了who、what和when三個問題，而故障診斷要進(jìn)行where和why的推理。另外，告警噪聲的存在進(jìn)一步增加了故障診斷的難度，這些告警噪聲包含：告警丟失、延遲、重復(fù)和虛假告警等。

2.3故障恢復(fù)。

故障恢復(fù)的主要目的是根據(jù)識別的故障原因，自動或手動地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制操作，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測方法

3.1集中式方法

集中式方法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中較為常見的一種方法，一般來說是物理上或邏輯上處于中心位置的節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，追蹤失敗節(jié)點(diǎn)或可疑節(jié)點(diǎn)。由于中心節(jié)點(diǎn)要負(fù)責(zé)的事務(wù)較多，通常都讓該節(jié)點(diǎn)不受能量的限制，能夠執(zhí)行大范圍的故障管理事務(wù)。集中式方法，主要采用周期輪詢的方式來對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理：中心節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的狀態(tài)信息，對獲得的信息進(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)備都由一個管理者進(jìn)行管理。當(dāng)信息流量不大的時候，集中式網(wǎng)絡(luò)管理簡單且有效，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)，同時還必須與多個作為“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)很可能變成一個專門用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)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(diǎn)所在的區(qū)域會有大量的流量往來，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，整個網(wǎng)管系統(tǒng)就崩潰了，這樣導(dǎo)致整個系統(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)展新的功能時十分不便，這樣會造成系統(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延過長。

3.2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。分布式的方法通常分為以下幾種：

（1）節(jié)點(diǎn)自檢測方法。節(jié)點(diǎn)自檢測的方法依賴于節(jié)點(diǎn)自身所包含的功能進(jìn)行故障檢測，并將檢測結(jié)果發(fā)送給管理節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)中介紹了一種節(jié)點(diǎn)自檢測的方法，通過軟件和硬件的接口檢測物理節(jié)點(diǎn)的失效。硬件接口包含了幾個靈活的電路用于檢測節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的讀取行為。由于故障的檢測由節(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。

（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)了一個故障節(jié)點(diǎn)，該區(qū)域所在的節(jié)點(diǎn)將會把信息傳播給所有的簇。

4常見方法的比較

從上可知，集中式方法與分布式方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，針對于不同應(yīng)用類型的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該選取不同的方法。為了方便方法的選取，我們對上述方法個定性分析?？紤]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身能量有限的特點(diǎn)，以及故障檢測的一般目的，我們選取能量消耗、通信開銷、故障檢測率和虛警率這四個方面進(jìn)行比較。

5結(jié)語。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，而且，一般認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的最底部一層即為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究能很好地指導(dǎo)實(shí)踐工作。通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測的方法進(jìn)行了分類描述分析，對于指導(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。