無線傳感器網(wǎng)絡故障檢測研究

無線傳感器網(wǎng)絡故障檢測研究

　　摘要：針對無線傳感器網(wǎng)絡資源受限的特點，研究了故障管理的相關內容，主要對故障檢測的幾種常見方法進行比較說明，對于無線傳感器網(wǎng)絡的應用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(wǎng)絡是由大量低成本且具有傳感、數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡。它獨立于基站或移動路由器等基礎通信設施，通過特定的分布式協(xié)議自組織起來形成網(wǎng)絡。它能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，使需要這些信息的用戶在任何時間、任何地點和任何環(huán)境條件下（尤其是僅適合無線通信條件下）獲取大量詳實而可靠的信息。因此，這種網(wǎng)絡系統(tǒng)可以被廣泛地應用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災等領域。

　　隨著無線傳感器網(wǎng)絡應用范圍的進一步擴展，常常被部署在極端環(huán)境來收集外部環(huán)境的數(shù)據(jù)。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(wǎng)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(wǎng)絡故障進行管理是非常重要的。

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡故障管理。

　　當網(wǎng)絡或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡故障管理便成為管理員首要用到的工具。因此，故障管理事實上是整個網(wǎng)絡管理的重中之重。

　　但遺憾的是，由于網(wǎng)絡故障涉及到不同廠商，不同類型設備，涉及復雜的網(wǎng)絡拓撲結構，涉及不同組織對故障類型的不同定位規(guī)則。

　　從用戶的角度來說，希望在日常工作和生活中網(wǎng)絡運營暢通，信息傳輸不受任何網(wǎng)絡故障干擾。而從網(wǎng)絡運行和管理者角度來說，他們希望在網(wǎng)絡運營過程中，即使發(fā)生故障，也能很快地得到故障發(fā)生的原因。這些方方面面的因素使得對無線傳感器網(wǎng)絡故障管理的研究在近年來發(fā)展比較緩慢。下面參照傳統(tǒng)網(wǎng)絡的故障管理，將無線傳感器網(wǎng)絡的故障管理分為三個階段：故障檢測、故障診斷和故障恢復來分別說明。

　　1） 故障檢測。

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

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

　　網(wǎng)絡設備一般都具有感知異常情況的能力，當設備發(fā)現(xiàn)自身或網(wǎng)絡中的嚴重不正�，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)絡中的設備完成。

　　2）故障診斷。

　　故障會在網(wǎng)絡中傳播，論文格式所有感知到故障的網(wǎng)絡對象（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)絡設備發(fā)出的告警進行相關處理，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。在網(wǎng)絡故障診斷中，一個理想的告警應該包含有關故障的五W 信息（Who、What、Where、When 和why）。由于網(wǎng)絡設備對于自身以外的網(wǎng)絡情況只了解非常有限的知識，所以網(wǎng)絡設備產(chǎn)生的大部分網(wǎng)絡告警只回答了who、what 和when 三個問題，而故障診斷要進行where 和why 的推理。另外，告警噪聲的存在進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、重復和虛假告警等。

　　3） 故障恢復。

　　故障恢復的主要目的是根據(jù)識別的故障原因，自動或手動地對網(wǎng)絡進行控制操作，恢復網(wǎng)絡的正常運行。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡故障檢測常見方法按照故障檢測的執(zhí)行主體所處位置的不同，可以將無線傳感器網(wǎng)絡故障檢測方法分為集中式方法和分布式方法。

　　2.1 集中式方法。

　　集中式方法是無線傳感器網(wǎng)絡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，負責對網(wǎng)絡進行監(jiān)控，追蹤失敗節(jié)點或可疑節(jié)點。由于中心節(jié)點要負責的事務較多，通常都讓該節(jié)點不受能量的限制，能夠執(zhí)行大范圍的故障管理事務。集中式方法的結構如圖1 所示，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(wǎng)絡管理，所有的網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡。在集中式網(wǎng)絡管理結構下，管理者作為“客戶”要完成復雜的網(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?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，如圖1 中的A，B 節(jié)點。

　　2） 中心節(jié)點站一旦失效，整個網(wǎng)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(shù)據(jù)在網(wǎng)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(wǎng)管系統(tǒng)工作效率降低。

　　4） 用于監(jiān)測網(wǎng)絡并收集數(shù)據(jù)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(wǎng)絡中采用多跳通信，因此這兩者之間的信息交互時延過長。

　　2.2 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(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(shù)的情況下，中心節(jié)點并不知道網(wǎng)絡中的任何失效信息，除非那些已經(jīng)用節(jié)點協(xié)作方式確認的故障。這樣的設計減少了網(wǎng)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�；�于分簇的方法將整個網(wǎng)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(jù)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(xiàn)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。

　　3 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，針對于不同應用類型的網(wǎng)絡，應該選取不同的方法。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)絡本身能量有限的特點，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行比較，結果如表1。

　　4 結束語。

　　無線傳感器網(wǎng)絡的應用已經(jīng)十分廣泛，而且，一般認為物聯(lián)網(wǎng)的最底部一層即為無線傳感器網(wǎng)絡， 因此對無線傳感器網(wǎng)絡的研究能很好地指導實踐工作。本文對無線傳感器網(wǎng)絡故障檢測的方法進行了分類描述分析， 對于指導無線傳感器網(wǎng)絡故障研究工作具有一定的指導意義。

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