CN102572908B - 一种分布式无线传感网络节点故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式无线传感网络节点故障检测方法，属于无线传感网络、分布式计算的交叉技术领域。本发明方法充分利用了无线传感器网络中节点采集数据的特点：时间相关性与空间相关性，即首先利用时间相关性，检测出部分节点故障，对于没有检测出故障的节点，再利用空间相关性，通过与邻节点交换信息来确定节点的状态，最终实现对无线传感网络节点的故障检测。由于直接利用节点自身已采集的数据就可检测出某些类型的故障，在此过程中不需要节点与其邻居节点交换信息，进而减小了网络的能量消耗。使得算法在具有较好的故障检测性能的同时，又具有较低的能耗。

Description

一种分布式无线传感网络节点故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种分布式无线传感网络节点故障检测方法，属于无线传感网络、分布式计算的交叉技术领域。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络可用于环境的监测与保护、医疗护理、目标跟踪及军事侦测等领域。但由于传感器节点本身廉价、易损，节点间无线通信链路不稳定、易受干扰，通常需要直接暴露在环境中，容易受到物理、化学等外力的破坏，同时节点还受到成本与能量的限制，因而节点很容易发生故障，导致网络的监测结果不准确甚至是错误的。所以，要想得到精确的监测结果，充分发挥无线传感器网络的功能，完成特定的任务，对无线传感器网络节点故障状态的检测是必不可少的，也是值得研究的。

已有的分布式节点故障检测算法，大部分都是基于节点具有空间相关性而节点发生的故障是不相关的特点进行故障检测的。所谓的空间相关性即距离相近的传感器节点所采集的数据相同或相近。其实节点所采集的数据还具有时间相关性的特点，即传感器在短时间内所采集的数据是相似或相近的，不会发生大的变化。算法往往只利用时间相关性对节点瞬时测量值故障进行容错，没有利用这一特性对传感器节点进行初步检测。然而目前的算法往往会忽视网络的能耗，只求高精确度，低误判率。在故障检测中节点可能需要与邻节点多次通信，从而消耗大量的能量；某些故障检测算法考虑的故障类型较少，从而造成当某一类特定的节点故障增多时，算法的容错能力将会很低。如可能由于硬件特性和环境的影响，使得部分传感器节点在短时间内发生瞬时测量值故障，故障检测算法一旦检测到发生此类故障的节点，往往会将它们误认为是故障节点，进而增大了节点的误判率，降低了节点的利用率，其实这种类型的节点只是在某一时刻或某几个时刻发生了故障，在大部分的时间内，这种节点仍然是正常的。此外，某些故障检测算法没有充分利用传感器节点采集数据的特点，仅仅利用传感器网络具有的空间相关性的特点来实现故障检测，使得算法的复杂度较高。

所以急需一种既具有较好故障检测性能又具有较低能耗的分布式传感器节点故障检测算法，算法能够较好的适用于各种类型的故障节点的环境下，并且算法的复杂度较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种分布式无线传感网络节点故障检测方法，具有更强的故障检测能力以及较低的能耗。

本发明方法的思路是首先通过建立矩阵来检测节点所采集的数据是否稳定，来初步判断节点的故障状态；对于没有检测出故障的节点，再利用其邻节点的信息判断节点的最终状态。具体而言，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题。

一种分布式无线传感网络节点故障检测方法，所述分布式无线传感网络包含N个传感器节点，该故障检测方法包括以下步骤：

步骤1：当N个传感器节点中的第i个节点                                                在t时刻采集数据后，获取其最新采集的q个数据，并根据式（1）建立矩阵M：

                      （1）

其中，，表示节点在时刻的测量值；

步骤2：对于矩阵M中的每一行，利用式（2）计算： 

                     （2）

其中；

步骤3：根据式（3）纠正t时刻的值，并将其他任一时刻为0的测量值作为t时刻的测量值；

                       （3）

步骤4：根据式（4）对节点状态进行初步判断：

                       （4）

其中表示节点为可能正常节点，表示节点为故障节点；

步骤5：判断节点是否为无线传感器网络中第N个节点，若是，则从第一个节点开始执行步骤6；否则，令并转至步骤1；

步骤6：若节点的初始故障状态，则执行步骤7，否则，获取其相邻节点中初始故障状态为的测量值，若节点相邻节点中初始故障状态的节点的个数为，则根据式（5）、（6）判断节点的最终状态：

                       （5）

其中，

    （6）

若=0则认为节点的状态为正常节点，否则为故障节点；

步骤7：若节点为无线传感器网络中第N个节点，算法结束；否则令并执行步骤6。

本发明充分利用了无线传感器网络中节点采集数据的特点：时间相关性与空间相关性；首先利用时间相关性，检测出部分节点故障，对于没有检测出故障的节点，再利用空间相关性，通过与邻节点交换信息来确定节点的状态，最终实现对无线传感网络节点的故障检测。相比现有技术，本发明方法具有以下有益效果：

（1）故障检测能力强，对于各种类型的节点故障，算法都具有良好的检测能力，这是由于算法首先通过建立矩阵来检测节点所采集的数据是否稳定，来初步判断节点的故障状态；对于没有检测出故障的节点，利用邻节点的信息判断节点的最终状态。

（2）能耗较低，在算法执行的整个过程中，经过初步检测有故障的节点不再与其他正常节点进行通信，而且算法利用的是节点邻节点中初步状态为正常的节点中的数据，这种方法使得算法不仅具有较低的能耗，而且具有较低的误判率。

（3）节点利用率高，对于传感器节点可能发生的瞬时测量值故障，算法对错误的测量值进行了纠正，一方面降低了节点的误判率，另一方面提高了节点的利用率。

附图说明

图1为本发明一种分布式无线传感网络节点故障检测方法的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明是一种改进性和综合性的方法，通过对基于时空相关性的传感器节点故障检测算法的改进和综合而提出的，首先算法利用节点采集的历史数据对节点是否发生故障进行初步判断，若节点在短时间内采集到的数据是稳定的（即数据的变化不大），则说明节点可能正常，否则就认为节点发生了故障，即算法仅仅利用传感器自身采集的数据就可识别部分发生故障的节点。完成节点故障状态的初步判定后，对于判定后节点故障状态为正常的节点，算法做了进一步的判断，即利用节点邻节点中初始状态为正常节点的测量值，若节点测量值与其邻节点一半以上的测量值相近，就认为节点为正常节点，否则为故障节点。

为便于公众理解本发明的技术方案，下面先对本发明所涉及的网络模型及故障模型进行简要介绍。

一、网络模型

假设在某一特定的区域中随机部署着N个传感器节点，这些传感器节点具有相同的通信半径R。在故障检测算法执行之前，节点存储了至少q个已采集的数据，用表示无线传感网络中第个传感器节点，将处在节点通信半径内的节点称为节点的邻节点，用表示节点所有邻节点的集合，用表示节点邻节点的个数。用表示节点在时刻t所采集到的数据，假设传感器节点能够将采集到的数据保存在内存中一段时间，用q表示在t时刻及t时刻前节点已采集的数据的个数，节点中的 q个数据即，并且假设及所处环境的特征值相同或相近，即若节点处在事件区域中，也处在事件区域中；节点处在正常区域中，也处在正常区域中。

二、故障模型

假设节点发生故障后，节点仍然具有接收、发送、采集及处理数据的能力，只是节点采集的数据值是错误的。根据节点所采集数据的异常情况，可将传感器可能发生的故障具体分为以下几种类型：

（1）固定测量值故障，即节点采集到的数据不受环境的影响，一直采集到具有相同值的数据。

（2）随机测量值故障，即节点采集到的数据是随机的、不确定的，此种故障类型同样不受环境因素的影响。

（3）偏移测量值故障，即节点测量值偏离正常测量值，但仍随环境的变化而变化。

（4）瞬时测量值故障，即节点在采集数据的过程中，可能由于硬件特性和环境的影响，使得部分节点在短时间内发生瞬时测量值故障，从而造成节点在某一时刻或某几个时刻采集到的数据异常。

为了提高节点的利用率，本发明中将出现瞬时测量值故障的节点视为正常节点，因为在大部分时刻，这些节点所采集的数据仍然是正常可用的。

算法首先初始化网络，并且保证已经采集了至少q个数据，将i的值初始化为0，执行以下的步骤：

步骤1：当N个传感器节点中的第i个节点在t时刻采集数据后，获取其最新采集的q个数据，并根据式（1）建立矩阵M：

                      （1）

其中，，表示节点在时刻的测量值；

步骤2：对于矩阵M中的每一行，利用式（2）计算： 

                     （2）

其中；

步骤3：根据式（3）纠正t时刻的值，并将其他任一时刻为0的测量值作为t时刻的测量值；

                       （3）

步骤4：根据式（4）对节点状态进行初步判断：

                       （4）

其中表示节点为可能正常节点，表示节点为故障节点；

步骤5：判断节点是否为无线传感器网络中第N个节点，若是，则从第一个节点开始执行步骤6；否则，令并转至步骤1；

步骤6：若节点的初始故障状态，则执行步骤7，否则，获取其相邻节点中初始故障状态为的测量值，若节点相邻节点中初始故障状态的节点的个数为，则根据式（5）、（6）判断节点的最终状态：

                       （5）

其中，

    （6）

若=0则认为节点的状态为正常节点，否则为故障节点；

步骤7：若节点为无线传感器网络中第N个节点，算法结束；否则令并执行步骤6。

本发明方法的流程图如图1所示。

Claims (1)

1.一种分布式无线传感网络节点故障检测方法，所述分布式无线传感网络中包含N个传感器节点，其特征在于，该故障检测方法包括以下步骤：

步骤1：当N个传感器节点中的第i个节点s_i在t时刻采集数据后，获取其最新采集的q个数据，并根据式（1）建立矩阵M：

$M_{\mathrm{mn}}\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}\left(\right|x_i^m-x_i^n|\≤{\mathrm{\ξ}}_1)\\ 1& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中m,n={0,1,...,q-1}，ξ₁≥0，表示节点si在j时刻的测量值；

步骤2：对于矩阵M中的每一行，利用式（2）计算

$C_i^r=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}(\underset{j=t-q+1}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{M}_{\mathrm{ij}}<\frac{q}{2})\\ 1& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中t-q+1≤r≤t；

步骤3：根据式（3）纠正t时刻的值，并将其他任一时刻为0的测量值作为t时刻的测量值；

$C_i^t=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}(\underset{r=t-q+1}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_i^r<\frac{q}{2})\\ 1& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(3\right)$

步骤4：根据式（4）对节点状态进行初步判断：

$T_i=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}(\underset{r=t-q+1}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_i^r<\frac{q}{2})\\ 1& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中T_i=0表示节点s_i为可能正常节点，T_i=1表示节点s_i为故障节点；

步骤5：判断节点s_i是否为无线传感器网络中第N个节点，若是，则从第一个节点开始执行步骤6；否则，令i=i+1并转至步骤1；

步骤6：若节点s_i的初始故障状态T_i=1，则执行步骤7；否则，获取其相邻节点中初始故障状态为T_i=0的测量值，若节点s_i相邻节点中初始故障状态T=0的节点的个数为Num(Neighbor(s_i)andT=0)，则根据式（5）、（6）判断节点的最终状态：

$C_{\mathrm{ij}}^t=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}\left(\right|x_i^t-x_j^t|\&le;{\mathrm{\&xi;}}_2)\\ 1& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中ξ₂≥0，

${\mathrm{GT}}_i=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}\left(\underset{s_j\&Element;\mathrm{Neighbor}\left(s_i\right)\mathrm{an\; d}{T}_j=0}{\mathrm{\&Sigma;}}\right)C_{\mathrm{ij}}^t<\mathrm{Num}\left(\mathrm{Neoghtbor}\left(s\right)i\right)\mathrm{and\; T}=0)/2)\\ 1& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(6\right)$

若GT_i=0则认为节点s_i的状态为正常节点，否则为故障节点；

步骤7：若节点s_i为无线传感器网络中第N个节点，算法结束；否则令i=i+1并执行步骤6。