无线传感器网络故障检测研究

郭燕鸿

摘要：本文将针对传感器网络资源受限的特点，对无限传感器网络故障管理的相关内容进行研究，并对比阐述几种常见的故障检测的方法，对无线传感器网络的应用与发展具有一定的指导意义。

关键词：无线传感器；资源受限；故障管理；故障检测

无线传感器网络是通过具备数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式而形成的无线网络。无线传感技术与基站或路由器等基础通信设施不同，其是通过特定的分布式协议自组织起来的网络。基于无线传感技术，其能够对各种环境或检测对象的信息进行实时奸恶、感知和采集，并且能够对所收集的信息进行处理直接传送至用户端，能够为用户提供全面的、可靠性较高的详实可靠的信息。由于无线传感器网络能够被适用于大多数恶劣以及特殊的环境条件下，其已经被广泛的应用于国防军事、环境监测、箭筒管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。

随着无线传感器技术的不断发展，以及其应用范围的不断拓宽，其经常被应用于一些极端恶劣的环境条件下，以收集外部环境的数据。由于传感器节点的电源、存储和计算能力有限，并且应用环境恶劣，使得传感器节点比传统网络的节点更易于失效。在这些情况下维持高质量的服务，并尽可能地降低能源消耗是很有挑战性的，有效的故障管理对于达成这些目标是有极大帮助的。因此，对无线传感器网络故障进行管理是非常重要的。一般来说无线传感器网络故障的管理包括三个阶段：网络故障的检测、网络故障的诊断以及网络系统的恢复等。

本文由于篇幅以及研究经历有限，将重点研究无线床干起网络故障管理中的网络故障检测部分。无线传感器网络故障检测按照故障检测的执行主体所处位置的不同，可以将无线传感器网络故障检测方法分为集中式方法和分布式方法。

一、集中式的无线传感器网络故障检测方法

集中式方法是无线传感器网络故障诊断中较为常见的一种方法。一般来说，负责对网络进行监控、对失败或可疑节点进行追踪的店是处于物理上或逻辑上的中心位置节点。中心位置的节点在无线传感网络系统中所负责的事务较多。因此，无线传感器网络在运营过程中，通常是不让中间位置的节点不受到能量的限制。进而能够保证其执行大范围的故障管理任务。集中式方法的接受如集中式方法的结构如主要采用周期轮询的方式来对节点进行管理：中心节点通常采用周期性主动探测的方式发布一些探测包，来获取节点的状态信息，对获得的信息进行分析，从而确定节点是否失效。

采用集中式网络管理，所有的网络设备都由一个管理者进行管理。当信息流量不大的时候，集中式网络管理简单且有效，在失效节点定位方面具有高效和准确的优点，所以它非常适用十小型的局域网络。在集中式网络管理结构下，管理者作为“客户”要完成复杂的网络管理任务，同时还必须与多个作为“服务器”的代理交换信息。这种结构存在着较大的缺陷，主要表现为：

1）所有的分析和计算任务都集中在中心节点站，造成网络管理的瓶颈，中心节点负载过重。由于其余节点的信息收集后都是发往中心节点，因此中心节点很可能变成一个专门用于数据传输的节点以满足故障检测和管理的需要。随之而来的问题就是中心节点所在的区域会有大量的流量往来，导致该区域的节点能量消耗急剧增加，越是靠近中心节点的越是这样。

2）中心节点站一旦失效，整个网管系统就崩溃了，这样导致整个系统的可靠性偏低。

3）集中式结构导致大量的原始数据在网络上传输，带来了大量额外的通信量，占用大量的通信带宽，并导致网管系统工作效率降低。

4）用于监测网络并收集数据的代理是预先定义好且功能固定的，一旦要扩展新的功能时十分不便，这样会造成系统的可扩展性较差。

5）远端节点与管理中心之间的距离较远，且传感器网络中采用多跳通信，因此这两者之间的信息交互时延过长。

二、分布式方法

分布式方法支持局部决策的概念，能够平滑地将故障管理分散到网络中去。目标是让节点在与中心节点通信前，能够给出一定层次的决策。在这种思想下，传感器节点能做的决策越多，越少的信息将被传输给中心节点，从而减少通信量。其算法流程如右表1。分布式的方法通常分为以下几种：

1）节点自检测方法。节点自检测的方法依赖于节点自身所包含的功能进行故障检测，并将检测结果发送给管理节点。文献[4]中介绍了一种节点自检测的方法，通过软件和硬件的接口检测物理节点的失效。硬件接口包含了几个灵活的电路用于检测节点的方位和碰撞。软件接口包含了几个软件部件，用于采样传感器节点的读取行为。由于故障的检测由节点本身完成，这种方法的优点是不需要部署额外的软件或硬件节点用于故障检测。

2）邻居协作的方法。顾名思义，邻居协作的基本思想就是：在节点发出故障告警之前，将节点获得的故障信息与邻居（一跳通信范围内）获得的故障信息进行比较，得到确认的情况下才将故障信息发往管理节点。在大多数的情况下，中心节点并不知道网络中的任何失效信息，除非那些已经用节点协作方式确认的故障。这样的设计减少了网络的通信信息，从而保留了节点的能量。

3）基于分簇的方法。基于分簇的方法将整个网络分成不同的簇，从而将故障管理也分散到各自的区域内完成。簇内采用散播的方式来定位失败节点，簇头节点与一跳范围内的邻居以某种规则交换信息。通过分析收集到的信息，根据预先定义的失败检测规则可以最终确定失败节点。接着，如果发现了一个故障节点，该区域所在的节点将会把信息传播给所有的簇。

三、结束语

如今，无线传感器网络应用范围正在逐步扩大，而且多数学者认为，无线传感器网络是物联网平台实现的基础性架构。因此对于无线床干起网络的研究对实践工作具有一定的指导意义，本文主要针对无线传感器网络故障的方法进行了分类描述分析，对于指导无线传感器网络故障研究工作具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]宋和平，胡成全，樊东霞，何丽莉，曹英晖.基于簇的无线传感器网络密钥管理方案[J].吉林大学学报（信息科学版）.2011（03）

[2]孙凌逸，黄先祥，蔡伟，夏梅尼.基于神经网络的无线传感器网络数据融合算法[J].传感技术学报.2011（01）

[3]申山宏，黄日茂，李昌华.无线传感器网络节点故障相关性分析[J].电脑知识与技术.2010（36）

[4]王文光，刘士兴，谢武军.无线传感器网络概述[J].合肥工业大学学报（自然科学版）.2010（09）