淺談無線傳感器網絡故障管理與檢測方法

方勇

摘 要：無線傳感器網絡是由大量低成本且具有傳感、數據處理和無線通信能力的傳感器節點通過自組織方式形成的網絡。本文對無線傳感器網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絡故障研究工作具有指導意義。

關鍵詞：無線傳感器網絡；故障；檢測方法

無線傳感器網絡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成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡的所有者。隨著無線傳感器網絡應用范圍的進一步擴展，常常被部署在極端環境來收集外部環境的數據。由于傳感器節點的電源、存儲和計算能力有限并且應用環境惡劣，使得傳感器節點比傳統網絡的節點更易于失效。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性的，有效的故障管理對于達成這些目標是有極大幫助。

1 無線傳感器網絡故障管理

無線傳感器網絡的故障管理通常分為故障檢測、故障診斷和故障恢復三個階段：（1）故障檢測。為了確定故障的存在，需要收集與網絡狀態相關的數據。一般來說，網絡發生故障后，網絡設備將處于不正常的狀態。通過獲取設備的狀態信息，就可以及時發現網絡中出現的故障。收集網絡狀態信息有兩種方法：設備向管理系統報告關鍵的網絡事件；由網絡管理系統定期地查詢網絡設備的狀態，即主動輪詢。一般情況下，網絡管理系統將這兩種方法結合起來使用。當對網絡組成部件狀態進行檢測后，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絡管理器，即所謂的“告警”。網絡設備一般都具有感知異常情況的能力，當設備發現自身或網絡中的嚴重不正常現象時，它采用告警的方式報告給網管中心，因此，故障檢測一般由網絡中的設備完成；第二，故障診斷。故障會在網絡中傳播，論文格式所有感知到故障的網絡對象都會發生告警，在一個大型網絡中，一個故障可能會引起大量的告警。故障診斷就是對網絡設備發出的告警進行相關處理，從一大堆的告警中找到故障發生的真正原因，并找出故障節點。在網絡故障診斷中，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）。由于網絡設備對于自身以外的網絡情況只了解非常有限的知識，所以網絡設備產生的大部分網絡告警只回答了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；第三，故障恢復。故障恢復的主要目的是根據識別的故障原因，自動或手動地對網絡進行控制操作，恢復網絡的正常運行。

2 無線傳感器網絡故障檢測常見方法

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點，負責對網絡進行監控，追蹤失敗節點或可疑節點。在集中式網絡管理結構下，管理者作為“客戶”要完成復雜的網絡管理任務，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，主要表現為：（1）所有的分析和計算任務都集中在中心節點站，造成網絡管理的瓶頸，中心節點負載過重；（2）中心節點站一旦失效，整個網管系統就崩潰了，這樣導致整個系統的可靠性偏低；（3）集中式結構導致大量的原始數據在網絡上傳輸，帶來了大量額外的通信量，占用大量的通信帶寬，并導致網管系統工作效率降低；（4）用于監測網絡并收集數據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，這樣會造成系統的可擴展性較差；（5）遠端節點與管理中心之間的距離較遠，且傳感器網絡中采用多跳通信，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絡中去。目標是讓節點在與中心節點通信前，能夠給出一定層次的決策。在這種思想下，傳感器節點能做的決策越多，越少的信息將被傳輸給中心節點，從而減少通信量。分布式的方法通常分為以下幾種：（1）節點自檢測方法。節點自檢測的方法依賴于節點自身所包含的功能進行故障檢測，并將檢測結果發送給管理節點，通過軟件和硬件的接口檢測物理節點的失效；（2）鄰居協作的方法。鄰居協作的基本思想就是在節點發出故障告警之前，將節點獲得的故障信息與鄰居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往管理節點；（3）基于分簇的方法。基于分簇的方法將整個網絡分成不同的簇，從而將故障管理也分散到各自的區域內完成。簇內采用散播的方式來定位失敗節點，簇頭節點與一跳范圍內的鄰居以某種規則交換信息。通過分析收集到的信息，根據預先定義的失敗檢測規則可以最終確定失敗節點。接著，如果發現了一個故障節點，該區域所在的節點將會把信息傳播給所有的簇。

3 結束語

總之，無線傳感器網絡是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。傳感器技術、微機電系統、現代網絡和無線通信等技術的進步，推動了現代無線傳感器網絡的產生和發展。無線傳感器網絡擴展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網絡連接在一起，在下一代網絡中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。集中式方法與分布式方法都各有優缺點，針對于不同應用類型的網絡，應該選取不同的方法。

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