CN101257355A - 一种无线传感器网络节点故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改进的DFD无线传感器网络节点故障检测方法。现有的检测方法检测精度较低。本发明方法在得到了节点在与其邻居节点间的测试结果和初步检测状态的基础上，对任意节点，在其邻居节点中初步检测状态为可能正常的节点中，若与该节点间测试结果为0的节点数大于或等于测试结果为1的节点数，则认为该节点的状态为正常，反之为故障。本发明方法通过网络内邻居节点间的数据交换和相互测试检测出故障节点。本发明提供的技术方案适用于网络节点总数和待检测节点的邻居节点数较少、节点故障率较高的传感器网络，且能大大提高故障检测精度。

Description

一种无线传感器网络节点故障检测方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种改进的无线传感器网络节点故障检测方法，通过网络内邻居节点间的数据交换和相互测试，检测出故障节点。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量低成本微型传感器节点，通过无线通信方式组成的多跳自组织网络系统，具有多功能、低能耗的特点，其目的是合作地感知、采集和处理网络覆盖区域中对象的信息，并发送给观察者进行处理和分析。节点故障检测作为无线传感器网络的关键技术之一，是无线传感器网络大多数应用领域中不可或缺的环节。

无线传感网络综合了传感器、嵌入式计算、现代网络、无线通信、分布式智能信息处理等技术，可在无人值守的状态下长期工作，在军事国防、抢险救灾、工业控制、环境监测、医疗监护、智能交通等许多领域都有重要的应用价值和广阔的市场前景。

发生故障的传感器节点会降低整个传感器网络的服务质量，研究无线传感器网络的节点故障检测方法是一件非常重要和有必要的工作，原因如下：

(1)大量的廉价节点部署在不可控、恶劣的甚至敌对的环境中，传感器节点发生故障的概率相对于其它系统发生故障的概率要高得多；

(2)无线传感器网络的应用领域日益广泛，一些对安全性要求极高的场合也配置了传感器网络，如核反应堆监测，这类应用场合下的传感器节点故障检测显得尤为重要；

(3)手工检测各节点是否正常，是非常麻烦且不现实的；

(4)故障节气会产生错误数据，使监控中心无法得到正确的监控信息，严重时会使整个网络崩溃；

(5)节点通常由电池供电，能量有限，传感器节点因电池耗尽而失效是非常普遍的。

无线传感器网络中节点的状态可分为两种：正常和故障。故障是“永久”和“静态”的，所谓“永久”是指故障节点将持续故障直到该节点被维修或替代，所谓“静态”是指在节点故障检测过程中不产生新故障。无线传感器网络节点故障通常由以下原因引起：制作工艺、环境因素、敌方攻击等造成的节点通信、传感等模块故障；节点电池能量耗尽；由于节点移动，脱离了整个网络的通信范围。

典型的传感器节点软故障检测方法有：DFD(节点故障检测)、WMFD、Collaboration Diagnosis、Bayesian Diagnosis等。其中，DFD无线传感器网络节点故障检测方法有以下缺点：待检测节点的邻居节点数较少或网络中节点发生故障的概率较大时，故障检测精度将迅速降低；应用于待检测节点的邻居节点数较多的传感器网络时，才有较高的故障检测精度。

由于DFD节点故障检测算法对某个实际状态为正常的节点S_normal而言，若其邻居节点中初步检测状态为LG的节点数小于Num(Neighbor(S_normal))/2，则会将S_normal错误地检测为故障节点，从而降低故障检测精度。其根本原因在DFD节点故障检测算法将实际状态为正常的节点正确地检测为“正常”的条件过于苛刻。并且，当待检测节点的邻居节点数较少或网络的节点故障率较大时，节点故障检测的精度将迅速降低。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提出一种改进的节点故障检测方法，使其能适用于网络节点总数和待检测节点的邻居节点数较少、节点故障率较高的传感器网络，且提高故障检测精度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是分以下步骤实现的：

(1)对任意节点S_i，取Neighbor(S_i)中的任意节点S_j，得到d_ij ^t，同时置C_ij＝0，其中Neighbor(S_i)为节点S_i的邻居节点集合，C_ij为两相邻节点S_i与S_j根据它们各自所感知的数据产生的一个测试结果。

(2)若 $\left|d_{\mathrm{ij}}^t\right|>{\mathrm{\θ}}_1,$ 置C_ij＝1，转至Neighbor(S_i)中的下一个节点；

若 $\left|d_{\mathrm{ij}}^t\right|\≤{\mathrm{\θ}}_1,$ 计算Δd_ij ^t，若 $\left|\mathrm{\Δ}{d}_{\mathrm{ij}}^t\right|>{\mathrm{\θ}}_2,$ 置C_ij＝1，转至Neighbor(S_i)中的下一个节点，其中d_ij ^t为两相邻节点S_i与S_j在时刻t各自感知的数据之差，θ₁为其阈值，Δd_ij ^t为两相邻节点S_i与S_j在时刻t和t+1，所感知的数据之差d_ij ^t+1与d_ij ^t的差值，θ₂为其阈值。

(3)重复步骤(1)和(2)，获得S_i与Neighbor(S_i)的每个节点间的C_ij值。

(4)根据S_i的各个Neighbor(S_i)间的C_ij值，计算

如果 $\underset{S_j\&Element;\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_{\mathrm{ij}}<\mathrm{Num}\left(\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)\right)/2,$ 则令S_i的初步检测状态T_i为可能正常，T_i＝LG；如果 $\underset{S_j\&Element;\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_{\mathrm{ij}}\&GreaterEqual;\mathrm{Num}\left(\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)\right)/2,$ 则令T_i为可能故障，T_i＝LT其中Num(Neighbor(S_i))为节点S_i的邻居节点总数。

(5)如果节点S_i邻居节点中初步检测状态T_i＝LG的节点数

为0，T_i＝LG时，节点S_i的状态为正常；T_i＝LT时，节点S_i的状态为故障；

如果节点S_i邻居节点中初步检测状态T_i＝LG的节点数大于0，根据T_i值和C_ij值，计算

如果 $\left(\underset{S_j\&Element;\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)\mathrm{and}{T}_j=\mathrm{LG}}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_{\mathrm{ij}}\right)<\mathrm{Num}\left(\mathrm{Neighbor}{\left(S_i\right)}_{T_j=\mathrm{LG}}\right)/2,$ 则节点S_i的状态为正常；

如果 $\left(\underset{S_j\&Element;\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)\mathrm{and}{T}_j=\mathrm{LG}}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_{\mathrm{ij}}\right)\&GreaterEqual;\mathrm{Num}\left(\mathrm{Neighbor}{\left(S_i\right)}_{T_j=\mathrm{LG}}\right)/2,$ 则节点S_i的状态为故障。

(6)重复步骤(1)～(5)，直到网络所有节点的状态检测完成。

其中，步骤(1)中对任意节点S_i，取Neighbor(S_i)中的任意节点S_j，计算d_ij ^t的方法根据具体情况，采用目前DFD(节点故障检测)方法中相应的方法。

本发明改进了DFD方法，使其应用于无线传感网络后节点故障检测精度较高。传统的DFD方法在初步检测节点状态的基础上进行二次检测，而在二次检测过程中采用了过于苛刻的判据，从而提高故障检测精度下降；改进的DFD方法同样在初步检测节点状态的基础上进行二次检测，但在二次检测过程中采用了较为宽松的判据，从而导致故障检测精度较高。

附图说明

图1是本发明节点状态检测的流程图；

图2是图1中节点初步状态检测的流程图；

图3是节点与其邻居节点间的测试流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，按照以下过程来判断某一节点S_i是正常还是发生故障：

1)判断节点S_i及其邻居节点Neighbor(S_i)的初步检测状态；

2)若Neighbor(S_i)中初步检测状态为可能正常(LG)的节点数为0，且节点S_i的初步检测状态为可能正常(LG)，则节点S_i的状态判为正常(GD)，否则为故障(FT)；

3)若邻居节点中初步检测状态为可能正常(LG)的节点中，与节点S_i的测试结果为1的节点个数小于与节点S_i的测试结果为0的节点个数，则节点S_i状态判为正常(GD)，否则为故障(FT)。

重复上述步骤，直到完成对每个节点的状态检测。其中步骤1)中对每个节点S_i做初步状态检测的步骤如下，见图2：

11)判断节点S_i与其邻居节点Neighbor(S_i)之间的测试结果；

12)若测试结果为1的邻居节点个数小于邻居节点总数的一半，则节点S_i的初步检测状态为可能正常(LG)，否则为可能故障(LT)。

重复执行以上步骤，直到完成对每个节点的初步状态检测。其中步骤11)中对每个节点S_i及其邻居节点Neighbor(S_i)之间进行测试的步骤如下，见图3：

111)对节点S_i，选择邻居节点S_j，置C_ij＝0；

112)比较在某时刻t的感知数据，若感知数据之差d_ij ^t超过某一阈值θ₁，置C_ij＝1，转至邻居节点中的下一个节点；

113)若 $\left|d_{\mathrm{ij}}^t\right|\&le;{\mathrm{\&theta;}}_1,$ 计算在另一时刻t+1，两相邻节点所感知的数据之差d_ij ^t+1与d_ij ^t的差值Δd_ij ^t；

114)若 $\left|\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}^t\right|>{\mathrm{\&theta;}}_2,$ 置C_ij＝1，转至邻居节点中的下一个节点。

重复执行上述步骤，直到获得S_i与其每个邻居节点间的测试结果。再对网络中的每个节点重复执行上述步骤，直到完成对每个节点与其邻居节点之间的测试过程。

Claims (1)

1、一种无线传感器网络节点故障检测方法，其特征在于该检测方法包括以下步骤：

(1)对任意节点S_i，取Neighbor(S_i)中的任意节点S_j，得到d_ij ^t，同时置C_ij＝0，其中Neighbor(S_i)为节点S_i的邻居节点集合，C_ij为两相邻节点S_i与S_j根据它们各自所感知的数据产生的一个测试结果；

(2)若 $\left|d_{\mathrm{ij}}^t\right|>{\mathrm{\&theta;}}_1,$ 置C_ij＝1，转至Neighbor(S_i)中的下一个节点；

若 $\left|d_{\mathrm{ij}}^t\right|\&le;{\mathrm{\&theta;}}_1,$ 计算Δd_ij ^t，若 $\left|\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}^t\right|>{\mathrm{\&theta;}}_2,$ 置C_ij＝1，转至Neighbor(S_i)中的下一个节点，其中d_ij ^t为两相邻节点S_i与S_j在时刻t各自感知的数据之差，θ₁为其阈值，Δd_ij ^t为两相邻节点S_i与S_j在时刻t和t+1，所感知的数据之差d_ij ^t+1与d_ij ^t的差值，θ₂为其阈值；

(3)重复步骤(1)和(2)，获得S_i与Neighbor(S_i)的每个节点间的C_ij值；

(4)根据S_i的各个Neighbor(S_i)间的C_ij值，计算

如果 $\underset{S_j\&Element;\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_{\mathrm{ij}}<\mathrm{Num}\left(\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)\right)/2,$ 则令S_i的初步检测状态T_i为可能正常，T_i＝LG；如果 $\underset{S_j\&Element;\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_{\mathrm{ij}}\&GreaterEqual;\mathrm{Num}\left(\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)\right)/2,$ 则令T_i为可能故障，T_i＝LT其中Num(Neighbor(S_i))为节点S_i的邻居节点总数；

(5)如果节点S_i邻居节点中初步检测状态T_i＝LG的节点数

为0，T_i＝LG时，节点S_i的状态为正常；T_i＝LT时，节点S_i的状态为故障；

如果节点S_i邻居节点中初步检测状态T_i＝LG的节点数

大于0，根据T_i值和C_ij值，计算

如果 $\left(\underset{S_j\&Element;\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)\mathrm{and}{T}_j=\mathrm{LG}}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_{\mathrm{ij}}\right)<\mathrm{Num}\left(\mathrm{Neighbor}{\left(S_i\right)}_{T_j=\mathrm{LG}}\right)/2,$ 则节点S_i的状态为正常；

如果 $\left(\underset{S_j\&Element;\mathrm{Neighbor}\left(S_i\right)\mathrm{and}{T}_j=\mathrm{LG}}{\mathrm{\&Sigma;}}{C}_{\mathrm{ij}}\right)\&GreaterEqual;\mathrm{Num}\left(\mathrm{Neighbor}{\left(S_i\right)}_{T_j=\mathrm{LG}}\right)/2,$ 则节点S_i的状态为故障；

(6)重复步骤(1)～(5)，直到网络所有节点的状态检测完成。

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