[发明专利]基于正交溯源的WSN异常节点发现方法及系统

说明书

本发明公开了基于正交溯源的WSN异常节点发现方法及系统，包含数据溯源、传输拓扑发现和异常节点发现三个阶段。所述数据溯源阶段：数据包传输过程中，通过路由节点的正交标识与溯源数据的叠加复用实现溯源信息的标记，基站收到数据包后，通过规格化内积计算，从溯源数据中提取参与该数据包转发的各路由节点及其转发次序，并依此还原数据包的传输路径；所述传输拓扑发现阶段：利用数据溯源所得到的数据传输路径，来拟合WSN的传输拓扑和累计节点的活跃度权值；所述异常节点发现阶段：根据传输拓扑的连通性发现离散节点，根据传输拓扑中节点的活跃度来发现WSN的闲置节点和过载节点，通过监测节点的活跃度变化情况来发现失效节点。

技术领域

本发明涉及无线传感器网络应用技术领域，特别涉及一种基于正交溯源的无线传感器网络异常节点发现方法及系统。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在监测区域内，具有数据采集、通信、存储和处理能力的传感器节点构成的自组织通信系统，其中，每一个传感器为网络的一个节点，用于环境感知，并将感知的数据以多跳方式传输到基站。在无线传感器网络中，由于工作位置、性能配置、布局设计以及其它人为或者自然等因素，各传感器节点的工作状态差异较大，因而无线传感器网络中通常存在很多异常节点，这些异常节点主要包括：(1)离散节点，即：与其他节点之间无数据传输的非连通节点；(2)闲置节点，即：低负载或空负载节点；(3)过载节点，即：负载过重的繁忙节点；(4)失效节点，即：因能量耗尽或中途故障等原因导致不能承担通信任务的节点。由于大量廉价的传感器节点部署在不可控的环境中，无线传感器网络中上述节点的出现概率很高，而这些节点的存在极大地降低了无线传感器网络的服务质量，成为影响WSN连通性、稳定性和可用性的主要原因，因此，及时有效的发现和处置这些异常传感器节点，对WSN的整体运行性能至关重要。

针对上述问题，本发明从数据溯源角度提出一种识别WSN中上述四类异常节点的新方法。无线传感器网络的数据溯源是指对基站接收的数据进行追溯，还原出该数据在传输过程中的传输路径。通过对大量数据传输路径的收集和拟合，可得到单位时间周期内由WSN节点和通信链路形成的传输拓扑，以及各传感器节点的活跃(繁忙)情况。根据传输拓扑，可直观地区分WSN的离散节点；通过对节点活跃性的定量分析，可发现WSN的闲置节点和过载节点；由于WSN的传输拓扑具有随时间演变的动态性，因而从不同时段获得的传输拓扑中，可以跟踪各节点的活跃度，发现失效节点。

从上述分析可知，数据溯源是发现上述四类异常节点的关键步骤。

为实现WSN的数据溯源，需对WSN数据传输过程的相关信息进行标记，以便在基站根据这些信息还原出数据的传输路径，这些信息被称为WSN的数据溯源信息。目前，WSN数据溯源技术存在溯源信息量无上限的问题，即：溯源信息量正比于转发节点的数量。由于传感器节点的计算能力和存储能力均有限，如何控制溯源信息量便成为WSN数据溯源技术的关键问题。为解决这一问题，发明人在基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9中提出一种基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，此方法为每个节点分配一个唯一且互为正交的标识序列，利用向量的正交特性实现路由节点标识序列的叠加复用，即：各路由节点在转发数据之前，将自己的标识序列与数据包中的溯源数据进行叠加，而基站则利用标识序列的正交性，从数据包的叠加编码中分离出参与数据包转发的各路由节点的标识信息。此方法可有效解决溯源信息无上限问题，但该方法的溯源数据中不含转发顺序信息，因而从溯源数据中仅能得知哪些节点参与了转发，无法得知这些节点的实际转发顺序，为此，基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9采用ICMP协议来重构传输路径，但ICMP协议给出的是一种近似溯源结果，其所重构的传输路径与实际传输路径之间存在一定概率的误差。

发明内容