浅谈无线传感器网络故障管理与检测方法

方勇

摘 要：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。本文对无线传感器网络故障检测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指导意义。

关键词：无线传感器网络；故障；检测方法

无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。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。

1 无线传感器网络故障管理

无线传感器网络的故障管理通常分为故障检测、故障诊断和故障恢复三个阶段：（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：设备向管理系统报告关键的网络事件；由网络管理系统定期地查询网络设备的状态，即主动轮询。一般情况下，网络管理系统将这两种方法结合起来使用。当对网络组成部件状态进行检测后，不严重的简单故障通常被记录在错误日志中，并不作特别处理。而严重一些的故障则需要通过网络管理器，即所谓的“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严重不正常现象时，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；第二，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，并找出故障节点。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（Who、What、Where、When 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who、what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；第三，故障恢复。故障恢复的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，恢复网络的正常运行。

2 无线传感器网络故障检测常见方法

2.1 集中式方法

集中式方法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。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）所有的分析和計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；（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。

2.2 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。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，通过软件和硬件的接口检测物理节点的失效；（2）邻居协作的方法。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；（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。

3 结束语

总之，无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。集中式方法与分布式方法都各有优缺点，针对于不同应用类型的网络，应该选取不同的方法。

[参考文献]

[1]陈雄，杜以书，唐国新.无线传感器网络的研究现状及发展趋势[J].系统仿真技术，2005（02）.

[2]雷霖，代传龙，王厚军.基于互信息的无线传感器网络节点故障自诊断[J].电子科技大学学报，2009（05）.

[3]杨扬，黄日茂，王德政.无线传感器网络故障检测研究[J].电脑知识与技术，2010（33）.