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    无线传感器网络故障检测研究

    作者杨扬
    出处论文网
    时间2011-01-12

    摘要针对无线传感器网络资源受限的特点研究了故障管理的相关内容主要对故障检测的几种常见方法进行比较说明对于无线传感器网络应用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

    无线传感器网络是由大量低成本且具有传感数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式形成的网络[1]它独立于基站或移动路由器等基础通信设施通过特定的分布式协议自组织起来形成网络它能够协作地实时监测感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息并对这些信息进?#20889;?#29702;使需要这些信息的用户在任何时间任何地点和任何环境条件下尤其是仅适合无线通信条件下获取大量详实而可靠的信息因此这种网络?#20302;?#21487;?#21592;?#24191;泛地应用于国防军事国家安全环境监测交通管理医疗卫生制造业反恐抗灾等领域

    随着无线传感器网络应用范围的进一步扩展常常被部署在极端环境来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?#25351;?#36136;量的服务并尽可能地降低能源消耗是很有挑战性的?#34892;?#30340;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

    1 无线传感器网络故障管理

    当网络或?#20302;?#20986;现故障时网络故障管理便成为管理员首要用到的工具因此故障管理事实上是整个网络管理的重中之重

    但遗憾的是由于网络故障涉及到不同厂商不同类型设备涉及复杂的网络拓扑结构涉?#23433;?#21516;组织对故障类型的不同定位规则

    从用户的角度来说希望在日常工作和生活中网络运营畅通信息传输不受任何网络故障干扰而从网络运行和管理者角度来说他们希望在网络运营过程中?#35789;?#21457;生故障也能很快地得到故障发生的原因这些方方面面的因素使得对无线传感器网络故障管理的研究在近年来发展比较缓慢下面参照传统网络的故障管理将无线传感器网络的故障管理?#27835;?#19977;个阶段故障检测故障诊断和故障?#25351;[2]来分别说明

    1 故障检测

    为了确定故障的存在需要收集与网络状态相关的数据一般来说网络发生故障后网络设备将处于不正常的状态通过获取设备的状态信息就可以及时发现网络中出现的故障收集网络状态信息有两种方法设备向管理?#20302;?#25253;告关键的网络事件由网络管理?#20302;?#23450;期地查询网络设备的状态即主动轮询

    一般情况下网络管理?#20302;?#23558;这两种方法结合起?#35789;?#29992;当对网络组成部件状态进行检测后不?#29616;?#30340;简单故障通常被记录在错误日志中并不作特别处理而?#29616;?#19968;些的故障则需要通过网络管理器?#27492;?#35859;的告警

    网络设备一般都具有感知异常情况的能力当设备发现自身或网络中的?#29616;?#19981;正常现象时它采用告警的方式报告给网管中心因此故障检测一般由网络中的设备完成

    2故障诊断

    故障会在网络中传播论文格式所有感知到故障的网络对象包括物理对象和逻辑对象都会发生告警在一个大型网络中一个故障可能会引起大量的告警故障诊断就是对网络设备发出的告警进行相关处理从一大堆的告警中找到故障发生的真正原因并?#39029;?#25925;障节点在网络故障诊断中一个理想的告警应该包含有关故障的五W 信息WhoWhatWhereWhen 和why由于网络设备对于自身以外的网络情况只了解非常有限的知识所以网络设备产生的大部分网络告警只回答了whowhat 和when 三个问题而故障诊断要进行where 和why 的推理另外告警噪声的存在进一步增加了故障诊断的难度这些告警噪声包含告警丢失延迟重复和虚假告警等

    3 故障?#25351;础?/P>

    故障?#25351;?#30340;主要目的是根据识别的故障原因自动或手动地对网络进行控制操作?#25351;?#32593;络的正常运行

    2 无线传感器网络故障检测常见方法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?#27835;?#38598;中式方法和分布式方法[3]

    2.1 集中式方法

    集中式方法[3]是无线传感器网络中较为常见的一种方法一般来说是物理上或逻辑上处于中心位置的节点负责对网络进行监控追踪失败节点或可疑节点由于中心节点要负责的事务较多通常都让该节点不受能量的限制能够执?#20889;?#33539;围的故障管理事务集中式方法的结构如图1 所示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?#27835;z?#20174;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?#34892;?#22312;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?#27835;?/P>

    1 所有的?#27835;?#21644;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?#20889;?#37327;的流量往来导致该区域的节点能量消耗?#26412;?#22686;加越是靠近中心节点的越是这样如图1 中的AB 节点

    2 中心节点站一旦失效整个网管?#20302;?#23601;崩溃了这样导致整个?#20302;?#30340;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?#20302;?#24037;作效?#24335;?#20302;

    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?#20302;?#30340;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

    2.2 分布式方法分布式方法支持局部决策的概念能够?#20132;?#22320;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?#27835;?#20197;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?#24067;?#30340;接口检测物理节点的失效?#24067;?#25509;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?#24067;?#33410;点用于故障检测

    2 邻?#26377;?#20316;的方法[5]顾名思义邻?#26377;?#20316;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[6]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?#26041;?#28857;与一跳范围内的邻居以某种规则交换信息通过?#27835;?#25910;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?#30740;?#24687;传播给所有的簇

    3 常见方法的比较

    ?#30001;?#21487;知集中式方法与分布式方法?#20960;?#26377;优缺点针对于不同应用类型的网络应该选取不同的方法为了方便方法的选取我们对上述方法个定性?#27835;?#32771;虑无线传感器网络本身能量有限的特点以及故障检测的一般目的我们选取能量消耗通信开销故障检测率和虚警?#25910;?#22235;个方面进行比较结果如表1

    4 结束语

    无线传感器网络的应用已经十分广泛而且一般认为物联网的最底部一层即为无线传感器网络 因此对无线传感器网络的研究能很好地指导?#23548;?#24037;作本文对无线传感器网络故障检测的方法进行了分类描述?#27835;z?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[论文网 LunWenData.Com]

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