無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不正常檢測方法探討

李震宇

摘 要：隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)異常檢測的效率和可靠性提出了更高的要求。本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)異常檢測的現(xiàn)狀，提出基于直方圖的傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，給出了由節(jié)點內(nèi)異常檢測和相鄰節(jié)點協(xié)作投票決策構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)異常檢測方法。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；異常數(shù)據(jù)檢測；數(shù)據(jù)預(yù)處理

【中圖分類號】 F224.33 【文獻標識碼】A 【文章編號】2236-1879（2017）05-0279-01

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)異常檢測現(xiàn)狀

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一般形式為：收集應(yīng)用環(huán)境中傳感器感應(yīng)數(shù)據(jù)并進行傳輸；對收集的數(shù)據(jù)進行處理，去除過度抖動和冗余數(shù)據(jù)，得到所需的有效數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)通過特定的邏輯處理，從而實現(xiàn)特定應(yīng)用領(lǐng)域軟件系統(tǒng)的功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)異常檢測分析系統(tǒng)是在各種類型傳感器收集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，識別出特殊情況下的異常數(shù)據(jù)，通過異常數(shù)據(jù)模型進行分析，及時分析判斷異常類別并進行異常處理。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一般工作過程，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)異常檢測分析系統(tǒng)應(yīng)該由以下三個部分構(gòu)成：傳感器數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)檢測、異常分析及結(jié)果呈現(xiàn)。

二、傳感器數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

1、傳感器節(jié)點時間同步

單一的數(shù)據(jù)往往不能反映整個環(huán)境的狀態(tài)，在很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用中，傳感器檢測到環(huán)境數(shù)據(jù)后，會向鄰居傳感器節(jié)點發(fā)送請求將同一時刻環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)往主機系統(tǒng)，作為數(shù)據(jù)異常檢測的最終決策依據(jù)。按照實現(xiàn)機制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法主要有三類：基于pair-wise的同步算法、基于receiver-receiver的同步算法、基于sender-receiver的單向同步算法。這三類算法均具有各自典型的協(xié)議。基于pair-wise的主要有TPSN協(xié)議和LTS協(xié)議，TPSN協(xié)議具有較高的時間同步準確性，但是該協(xié)議邏輯計算復(fù)雜，時間復(fù)雜度高，且受數(shù)據(jù)包傳輸時間的影響較為明顯，LTS協(xié)議與TSPN協(xié)議類似，其以適當(dāng)時間同步準確性為代價，在一定程度上降低了邏輯運算和時間的復(fù)雜度。基于receiver-receiver的主要有RBS協(xié)議，該協(xié)議去除了傳感器節(jié)點間發(fā)送時間同步的影響，以及發(fā)送方構(gòu)建數(shù)據(jù)信息包和等待信道對時間同步的影響，但是其運算復(fù)雜度很高。基于sender-receiver的DMTS協(xié)議和FSTP協(xié)議，DTMS協(xié)議從能耗上更加適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但是精度很低，不利于后期數(shù)據(jù)處理，并不適合進行異常檢測。FSTP協(xié)議在DTMS協(xié)議基礎(chǔ)之上進行了優(yōu)化，具有DTMS的低能耗特點的同時比DTMS具有更高的時間精度，比較適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)異常檢測系統(tǒng)中使用。FSTP的主要思路是發(fā)送方傳感器在發(fā)送同步數(shù)據(jù)信息時將本地時間一同發(fā)出，接收方收到同步數(shù)據(jù)信息后，根據(jù)發(fā)送方時間信息調(diào)整自身時間與發(fā)送方保持一致。發(fā)送方以網(wǎng)絡(luò)廣播的形式發(fā)出信息，如果接收方為鄰居傳感器節(jié)點則進行時間調(diào)整，以便進行相關(guān)決策。該協(xié)議在實現(xiàn)時間同步的同時，還要將本地時間放入到鄰居傳感器的請求報文數(shù)據(jù)中，以此達到數(shù)據(jù)同步的目的。

2、數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要作用是去除所收集到大量數(shù)據(jù)中的干擾數(shù)據(jù)，這些干擾數(shù)據(jù)往往是由于傳感器不穩(wěn)定引起的噪聲數(shù)據(jù)，在預(yù)處理階段將這些干擾數(shù)據(jù)去除，可以有效提高整個應(yīng)用系統(tǒng)的效率以及異常檢測分析的有效性。

數(shù)據(jù)的預(yù)處理有多種實現(xiàn)方法，其主要區(qū)別是用于代表整組數(shù)據(jù)的估值數(shù)據(jù)的計算方式，傳統(tǒng)的方式是基于平均值數(shù)據(jù)的預(yù)處理方式和基于中位數(shù)的與處理方式。基于平均值的方式顧名思義是取一組傳感器數(shù)據(jù)的平均值作為中心數(shù)據(jù)來代表該組數(shù)據(jù)，但是當(dāng)環(huán)境劇烈變化出現(xiàn)極端偏離數(shù)據(jù)時，其平均值也會產(chǎn)生較大偏離，從而造成數(shù)據(jù)失真，影響應(yīng)用系統(tǒng)的準確性。基于中位數(shù)的方式，是將一組傳感器數(shù)據(jù)先進行排序，取中間數(shù)據(jù)作為該組數(shù)據(jù)的代表數(shù)據(jù)，其避免了極端數(shù)據(jù)造成的數(shù)據(jù)偏差，但是這種方式只適用于均勻分布的數(shù)據(jù)，受限于傳感器工作環(huán)境的惡劣，中位數(shù)方式在很多實際應(yīng)用中是不可取的。

基于以上平均值和中位數(shù)兩種方式的不足，我們可以采用直方圖的感應(yīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。在特定環(huán)境下部署的傳感器，其采集到的數(shù)據(jù)一般具有一定的規(guī)律，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)也是循序漸進發(fā)生變化，且數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的。而干擾數(shù)據(jù)大多具有隨機性和小概率出現(xiàn)等特征，在進行數(shù)據(jù)預(yù)處理時，將一定時間內(nèi)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄彌_區(qū)中，然后分析整組數(shù)據(jù)的概率分布情況，以此建立該組數(shù)據(jù)的概率直方圖，在緩沖區(qū)中依據(jù)不同傳感器產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)的概率對小概率噪聲數(shù)據(jù)進行清除，之后對余下的有效數(shù)據(jù)進行計算平均值，使用該均值作為中心數(shù)據(jù)代表該組數(shù)據(jù)。這種直方圖的數(shù)據(jù)預(yù)處理方式能夠更好的得到感應(yīng)數(shù)據(jù)的趨勢。

三、異常數(shù)據(jù)檢測模型

異常數(shù)據(jù)模型的建立是事件監(jiān)測和異常數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，是保證異常事件判斷準確性的基本前提。異常數(shù)據(jù)關(guān)系模型還要能夠找到并體現(xiàn)出傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸方向和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，這是找到異常源頭的重要依據(jù)。很多研究和應(yīng)用證明圖模型具有能夠描述復(fù)雜的情境，在圖模型之中除了能夠表現(xiàn)出監(jiān)測數(shù)據(jù)的時空關(guān)系，還能夠融入地理信息和網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，這些信息的融合能夠更加充分的展現(xiàn)出異常的特征。常見的圖模型有等值線圖、基于數(shù)據(jù)快照的圖模式等。異常檢測主要有兩個部分來構(gòu)成：一是傳感器節(jié)點內(nèi)部的數(shù)據(jù)異常檢測，二是在主機中，對之前判定的疑似異常進行節(jié)點間投票決策，得出最終的異常集合以及異常范圍和邊界。

四、總結(jié)

本文給出了基于直方圖的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，能夠有效提高異常檢測的效率，提出的由節(jié)點內(nèi)異常檢測和相鄰節(jié)點協(xié)作投票決策構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)異常檢測方法，能夠較為準確有效地檢測出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作狀態(tài)、異常狀況以及在異常區(qū)域中的位置。

參考文獻

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