淺談無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障管理與檢測方法

方勇

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。本文對無線傳感器網(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)故障研究工作具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；故障；檢測方法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)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(diǎn)的電源、存儲和計(jì)算能力有限并且應(yīng)用環(huán)境惡劣，使得傳感器節(jié)點(diǎn)比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)更易于失效。在這些情況下維持高質(zhì)量的服務(wù)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(dá)成這些目標(biāo)是有極大幫助。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障管理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的故障管理通常分為故障檢測、故障診斷和故障恢復(fù)三個階段：（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)重不正常現(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；第二，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；第三，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。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測常見方法

2.1 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)。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(jì)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；（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。

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(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)，通過軟件和硬件的接口檢測物理節(jié)點(diǎn)的失效；（2）鄰居協(xié)作的方法。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)；（3）基于分簇的方法?；诜执氐姆椒▽⒄麄€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。

3 結(jié)束語

總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在下一代網(wǎng)絡(luò)中將為人們提供最直接、最有效、最真實(shí)的信息。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。

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