[发明专利]基于被动端到端的传感器网络故障链路推断方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络故障定位技术，具体是一种基于被动端到端的故障链路推断方法。 

背景技术

随着通信、微电子、嵌入式和传感器技术的飞速发展，人们研制出各种具有感知、计算和通信能力的无线传感器节点。传感节点能够感知各种各样的物理信息，比如温度、湿度、光照和压力等。由传感器节点组成的无线传感器网络便成为了新的网络应用类型，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，通过实时感知区域中的各类数据信息，并对其进行融合处理，最后发送到服务器端，通过数据挖掘等技术得到相应的信息。无线传感器网络可广泛用于国防军事、环境监测、医疗卫生、反恐抗灾、建筑结构检测等领域。 

在实际应用过程中，传感器节点通常部署在周围气候环境或地理条件非常恶劣的区域中，如月球气候环境监测，活火山实时监测，高危区域远程控制等。无线传感网络的服务质量和系统运行状况可能会在节点软硬件故障、节点电量耗尽、人为破坏和气候原因导致的物理环境的改变等复杂因素的影响下，使得网络中出现节点故障、链路丢失等现象，从而影响到整个网络的可靠性和实际应用效果。通过实时监测网络状态，一旦发生异常便引发故障定位并修复，从而保证网络应用正常运行。随着无线传感器网络规模逐渐增大、结构日益复杂，网络发生故障的概率也逐渐上升，为了维持网络的可用性，使其更高效、安全、稳定、可靠的运行，更大限度的降低运营成本，提供真实可靠的数据信息，国内外在无线传感器网络故障管理领域展开了一系列的深入研究。 

传感器节点部署到实际应用环境后，经常没有按照预先设定的方式运行，甚至停止工作。为了使网络正常运行，必须建立网络故障管理系统，一旦发现网络中存在可能判定为存在故障的异常信息，便会触发报警并自动对异常信息 进行分析处理，提出最优的解决方案，直到所有的故障被发现为止。且随着无线传感网络规模的增大，各个传感器节点之间的相互影响，如果中间路由节点发生故障，通过该节点进行数据包转发的大量节点也会被认为发生故障。因此无线传感器网络中发生故障时，及时检测到异常，通过对相关数据进行分析并快速的定位到具体的故障部件是保证网络稳定、可靠运行的关键，也是网络故障管理的首要任务。因此，无线传感网络故障管理对于网络正常运行是至关重要的。 

无线传感器网络中的故障链路定位技术，分为基于主动测量、基于被动测量和基于主动加被动测量的定位和推断技术。主动监测消耗传感器网络中的能源，且不正常的行为可能会误导故障定位。例如节点可能错误的报告自己或者邻居的状态信息，或者中间路由节点可能会修改转发包中的信息。而被动监测，使用端到端的数据，因此不会发生上述问题。研究工作中有学者使用网络断层技术推断节点的丢包率，基于特定模型的方法只能分析单一的故障。也有学者提出使用相关图进行故障检测，相关图描述了在一段时间内各个节点的相关参数在统计上的相关性，在传感器网络正常运行的情况下，同一节点不同时刻的相关图具有时间相关性，而同一时刻不同节点的相关图具有空间相关性，使用节点的相关图在时间和空间上的异常突变来检测网络中可能存在的故障，该方式的优点是需要较少的通信开销、适用于数据收集类应用的网络故障检测，缺点是不适用于比较复杂的应用场景。上述两种方法都需要对数据进行聚合处理，缺点是仅适应在固定的树形拓扑下，且推理也可能会出现错误。网络断层分析技术早已经被非常成熟的研究，大多数应用在有线网络中，且不能被直接用到传感网络中。因为这种技术需要静态拓扑和相关联的数据包。在无线传感网中，端到端的数据是不相关联的且拓扑随时改变。 

另外现有研究还有很多，例如通过使用一组与网络连通性、网络数据流和节点相关的参数用于故障检测，使用决策树算法检测网络中存在的故障，该方法的简单实用，缺点是数据收集过程中产生较大的开销；通过修改网络协议， 降低故障检测可见性开销，可见性开销是故障发生的概率与检测出该故障所需能耗的乘积的总和，通过对协议的进行修改，降低了能耗的开销，但是，修改协议的方式在大多数情况下是不成立的；通过轻量级数据包标记策略，可以得到网络拓扑和一系列网络运行状态信息，并根据上述信息可以得到传感器节点的依赖关系图和推断模型，然后，将观测到的症状输入到推断模型，得到在某节点故障条件下的网络中不同节点发生故障的后验概率，并通过各种故障后验概率的比较进行故障检测。