CN103338474B - 基于无线传感器网络的链路检测方法 - Google Patents

基于无线传感器网络的链路检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于无线传感器网络的链路检测方法，包括：基站在无线传感器网络中广播探针包；记录所述各节点预期收到的和实际收到的所有探针包的跳数值以及所述各跳数值对应的探针包总数，形成多个期望报告及回收报告；比较所述各节点对应的所述期望报告与回收报告是否相同，若不同，则分别对所述各节点的邻居节点进行分组,并将所述各回收报告和所述各节点间的拓扑信息转化成DLP系统的多个基本事实；设定所述DLP系统的转换规则及限制，选取部分所述基本事实作为所述DLP系统的输入，推导所有潜在事实，并通过所述DLP系统的限制对所述潜在事实进行筛选，输出故障链路集。本发明实现了网络中潜在故障链路的检测。

Description

基于无线传感器网络的链路检测方法
技术领域
本发明涉及无线网络领域，特别涉及一种基于无线传感器网络的链路检测方法。
背景技术
稳定的链路传输对无线传感器网络的影响是至关重要的，一条关键链路的损坏可能导致网络边缘节点无法寻找到合适的路由将数据发送回基站；链路故障也可能导致局部路由拓扑变化，从而产生流量阻塞等网络故障，因此，无线链路质量的测试显得尤为重要。
现有技术中通常通过观察探针包的接收率来进行无线链路质量的测试；先根据各节点间的网络拓扑结构，分析探针包要环游的链路策略，通过基站发出的流动探针包的返回情况，综合多个链路策略，对其中一条链路进行测试。
根据以上描述可以看出，现有技术只针对无线传感器网络中经常使用的链路进行检测，并且在检测中假设仅存在一条故障链路；但是在实际应用中，多条链路故障同时存在是非常普遍的，而且，大部分已存在未被使用的链路（如因信道质量不好而不常用的链路）其在无线传感器网络中依然扮演着十分重要的角色，基于此，现有技术确实有待于改善。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于无线传感器网络的链路检测方法，用于检测无线传感器网络中潜在的链路故障。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明提供一种基于无线传感器网络的链路检测方法，包括以下步骤：
基站在无线传感器网络中广播探针包；
根据各节点间的网络拓扑结构，分析所述各节点预期收到的所有探针包的跳数值以及所述各跳数值对应的探针包总数，形成多个期望报告；
分别记录所述各节点实际收到的所有探针包的跳数值以及所述各跳数值对应的探针包总数，形成多个回收报告；
比较所述各节点对应的所述期望报告与回收报告是否相同，若不同，则分别对所述各节点的邻居节点进行分组,并将所述各回收报告和所述各节点间的拓扑信息转化成DLP系统的多个基本事实；
设定所述DLP系统的转换规则及限制，选取部分所述基本事实作为所述DLP系统的输入，推导所有潜在事实，并通过所述DLP系统的限制对所述潜在事实进行筛选，输出故障链路集。
其中，所述探针包的跳数值等于广播该探针包的节点实际收到的所有探针包中的最小跳数值加1。
优选的，所述期望报告和回收报告的结构为：
（MinHop，n(0)，n(1)，…n(k-1)）；
其中，所述MinHop为该节点实际收到的所有探针包的最小跳数值，n(0)是跳数值为MinHop的探针包的个数；n(i)是跳数值为MinHop+i的探针包的个数，0≤i＜k。
优选的，所述期望报告和回收报告的字节编码规则为：
第一个字节表示MinHop，所述MinHop为该节点实际收到的所有探针包的最小跳数值；
对于其他字节：
如果第一位是‘0’，则该字节表示对应该跳数值的探针包的个数；
如果第一位是‘1’，则剩下的7位表示的是连续0的数量。
优选的，所述分别对所述各节点的邻居节点进行分组，遵循以下规则:
当第一节点和第二节点处于有效通信范围内，且所述第二节点广播探针包的跳数值为HopCount，则对所述第一节点的邻居节点分组时，跳数值为HopCount的分组不空；并将该第二节点划分到所述跳数值为HopCount的分组中。
优选的，所述设定所述DLP系统的转换规则及限制中，所述转换规则为：
当所述第二节点没有收到来自所述第一节点的广播探针包时，监听基站是否收到过所述第一节点的回收报告，若没有，则所述第一节点损坏；若基站收到过所述第一节点的回收报告，则所述第一节点到所述第二节点的链路故障。
其中，所述设定所述DLP系统的转换规则及限制中,所述限制进一步包括强限制和弱限制。
优选的，所述强限制进一步包括：
第一强限制：任一所述节点丢失的探针包的数量与其邻居节点分组中的链路故障数或损坏节点的数量相同；
或任一所述节点丢失的探针包的数量等于其邻居节点分组中的链路故障数和损坏节点数的总和；
第二强限制：若任一所述节点损坏，则将其从网络拓扑结构中去除。
优选的，所述弱限制进一步包括：
第一弱限制：若任一所述节点损坏，则其邻居节点均不会收到来自该节点的探针包；
第二弱限制：若任一所述节点损坏，则该节点不能接收其邻居节点广播的探针包；
第三弱限制：区域关联性；
第四弱限制：对称链路；
第五弱限制：链路越长，其探针包接收率越低。
优选的，所述在输出故障链路集后进一步包括:将所述输出故障链路集返回至所述DLP系统中,以对所述限制进行调整。
本发明提供的一种基于无线传感器网络的链路检测方法，基于网络的广播应用，当链路没有故障时，每个节点均能收到基站广播的该探针包，使得基站能够对所有节点的返回信息进行同时控制，当每个节点实际的收包数与期望的收包数不匹配时，利用DLP系统对所述所有链路进行扫描，将返回到基站的回收报告进行链路推断，最后输出所有可能的故障链路集；本发明了通过网络的广播应用和DLP工具，实现了潜在故障链路的检测。
附图说明
图1为本发明一实施例的流程图；
图2为本发明一实施例的另一流程图；
图3为本发明一实施例中探针包跳数信息示意图；
图4为本发明一实施例中另一探针包跳数信息示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
网络广播是无线传感器网络中必不可少的基础应用，其始于基站，每个网络中的节点在收到广播包后继续广播，以保障广播范围；为了避免造成洪泛和重复广播，不同的应用会有特定的广播停止策略；本实施例基于无线传感器网络的广播应用，提出了一种基于无线传感器网络的链路检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
基站在无线传感器网络中广播探针包；
根据各节点间的网络拓扑结构，分析所述各节点预期收到的所有探针包的跳数值以及所述各跳数值对应的探针包总数，形成多个期望报告；
分别记录所述各节点实际收到的所有探针包的跳数值以及所述各跳数值对应的探针包总数，形成多个回收报告；
比较所述各节点对应的所述期望报告与回收报告是否相同，若不同，则分别对所述各节点的邻居节点进行分组,并将所述各回收报告和所述各节点间的拓扑信息转化成DLP系统的多个基本事实；
设定所述DLP系统的转换规则及限制，选取部分所述基本事实作为所述DLP系统的输入，推导所有潜在事实，并通过所述DLP系统的限制对所述潜在事实进行筛选，输出故障链路集。
本发明提供的一种基于无线传感器网络的链路检测方法，基于网络的广播应用，当链路没有故障时，每个节点均能收到基站广播的该探针包，使得基站能够对所有节点的返回信息进行同时控制，当每个节点实际的收包数与期望的收包数不匹配时，利用DLP系统对所述所有链路进行扫描,将返回到基站的回收报告进行链路推断，最后输出所有可能的故障链路集；本发明了通过网络的广播应用和DLP工具，实现了潜在故障链路的检测。
DLP(DisjunctiveLogicProgramming)是一种形式表示语言，语句类型包括基本事实，转换规则和限制。在初始化阶段，输入绝对正确的事实，基于转换规则推导潜在可能的其他事实，其限制会分为强限制和弱限制，每个弱限制会额外赋予一个权值。DLP会排除那些违背了强限制的可能结果，然后对其他结果计算他们各自的违背弱限制的权重的和，最后将违背最小权重的结果作为最优输出。
具体的DLP实现是在DLV完成的，其转换规则定义为：
fact1∨fact2∨...∨factk:-fact.
在这条规则里，fact是事先定义好的一条输入事实，或者是被其他事实所推导出来的结果。facti(1≤i≤k)被称为是分离的，也就是说由fact只能推导且必须推导出{facti|1≤i≤k}里的一个。
在DLV里，强限制被定义为：
:-fact1,fact2,...,factk.
弱限制被定义为：
:～fact1,fact2,...,factk.[Weight:Level]
在强限制里，{facti|1≤i≤k}就是一些事实的组合。对于任何一个可能的推导结果，只要它含有{facti|1≤i≤k}里的元素，表示它违反了一条强限制，那么它会被排除。在定义弱限制的时候，可以根据该限制的重要性为它赋予权重Weight，越重要的限制，权重越高。最后选择的输出是能够最小化所违背的弱限制的权重和。Level是高于Weight的一种为弱限制定义优先级别的指标，在本实施例中默认都是相同的。
在该实施例中，所述探针包的跳数值等于广播该探针包的节点实际收到的所有探针包中的最小跳数值加1。
优选的，所述期望报告和回收报告的结构为：
（MinHop，n(0)，n(1)，…n(k-1)）；
其中，所述MinHop为该节点实际收到的所有探针包的最小跳数值，n(0)是跳数值为MinHop的探针包的个数；n(i)是跳数值为MinHop+i的探针包的个数，0≤i＜k。
在大多数情况下，每个网络节点只需要维护4个字节的数据(MinHop,n(0),n(1),n(2))，这是因为对于任意一个节点A，所有节点A能收到的探针包一定都来自于它的邻居，那么当节点A的MinHop值等于MinHop(A)，它的任意一个邻居节点B必然收到了来自节点A的跳数为MinHop(A)+1的广播探针包，也就是说节点B的广播探针包的跳数不会超过MinHop(A)+2。
但是，在一些边缘条件下，4个字节是不够的。图4给出了由于不对称链路引起的例子。节点N收到了来自基站的一跳探针包之后开始广播，然而节点Nk(k>2)因为链路(N,Nk)的损坏没有收到该探针包，而是通过路径(Sink,N1，N2…Nk)收到了一份k跳的探针包，当它广播k+1跳探针包的时候，节点N收到了，因此最后节点N共收到两份相隔为k跳的探针包，按照对称链路的报告结构，节点N应该往基站发送这样的一份报告:(1,1,0,…0,1)，中间有k-1个0。这样的不对称链路信息是极有利于后期的故障检测的，但随着k的增大，节点的存储负荷也会明显增大，因此，针对所述各节点间链路不对称的情况，为了减少因不对称链路引起的数据存储量，本实施例提出了所述期望报告和回收报告的字节编码规则：
第一个字节表示MinHop，所述MinHop为该节点实际收到的所有探针包的最小跳数值；
对于其他字节：
如果第一位是‘0’，则该字节表示对应该跳数值的探针包的个数；
如果第一位是‘1’，则剩下的7位表示的是连续0的数量。
优选的，所述分别对所述各节点的邻居节点进行分组，遵循规则:
g(A,HopCount):-e(B,A,HopCount)
描述为：当第一节点和第二节点处于有效通信范围内，且所述第二节点广播探针包的跳数值为HopCount，则对所述第一节点的邻居节点分组时，跳数值为HopCount的分组不空；在这里对邻居节点分组大小不做要求；
在对所述各节点的邻居节点进行分组时，还遵循以下规则：
inGroup(B,g(A,HopCount)):-e(B,A,HopCount)
描述为：将该第二节点划分到所述跳数值为HopCount的分组中。
其中，在对所述节点的邻居节点分组后，每个组的邻居节点发送相同跳数的探针包。
优选的，所述设定所述DLP系统的转换规则及限制中，所述转换规则为：noProbe(A)∨faultyLink(A,B):-lost(A,B)
描述为：当所述第二节点没有收到来自所述第一节点的广播探针包时，监听基站是否收到过所述第一节点的回收报告，若没有，则所述第一节点损坏；若基站收到过所述第一节点的回收报告，则所述第一节点到所述第二节点的链路故障。
其中，所述设定所述DLP系统的转换规则及限制中，所述限制进一步包括强限制和弱限制，在DLP里，强限制和弱限制的定义对最后的结果至关重要。
优选的，所述强限制进一步包括第一强限制和第二强限制：
第一强限制：
:-#count(A:lost(A,B),e(A,B,HopCount))!=lostCount(B,HopCount).描述为：任一所述节点丢失的探针包的数量与其邻居节点分组中的链路故障数或损坏节点的数量相同；
或任一所述节点丢失的探针包的数量等于其邻居节点分组中的链路故障数和损坏节点数的总和；
第二强限制：
:-noProbe(A),notlost(A,B),e(A,B,HopCount).
描述为：若任一所述节点损坏，则将其从网络拓扑结构中去除。
优选的，所述弱限制进一步包括：
第一弱限制：若任一所述节点损坏，则其邻居节点均不会收到来自该节点的探针包；
第二弱限制：若任一所述节点损坏，则该节点不能接收其邻居节点广播的探针包；
第三弱限制：区域关联性；
第四弱限制：对称链路；
第五弱限制：链路越长，其探针包接收率越低。
优选的，为了提高DLP推断的准确率，本实施例中引入了信息回馈机制。具体来说，所述在输出故障链路集后进一步包括:将所述输出故障链路集返回至所述DLP系统中，我们利用每次推断的结果来调整下一次推断的参数，比如说强限制的增加，弱限制的重要性和相关权重，从而提高下次的优化结果。
下面通过具体实例对本发明做详细的说明，如图2所示：
步骤101：在待广播的探针包中嵌入跳数域，使得每个探针包均包含跳数信息；
其中，所述跳数域的大小和网络直径相关，如GreenOrbs的网络直径在30跳左右，于是一个字节就足够了；
步骤102：基站在无线传感器网络中广播该探针包；
步骤103：基站根据各节点间的网络拓扑结构，分析所述各节点预期收到的所有探针包的跳数值以及所述各跳数值对应的探针包总数，形成多个期望报告并保存；
步骤104：每个节点在本地维护一个列表，用来记录所述各节点实际收到的所有探针包的跳数值以及所述各跳数值对应的探针包总数，形成多个回收报告；
其中，节点将所述各跳数值对应的探针包总数记录到上述列表中，而不是将节点的ID嵌入探针包中，再让每个节点记录收到的广播节点的ID；这是考虑到了数据对节点造成的存储和发送负荷。如果当前网络部署超过256个节点，则我们至少需要2个字节去分辨节点；通常情况下，每个节点的邻居节点超过30个，则一共需要超过60个字节去记录广播信息，不适用于目前常用的传感器节点（单包最大负荷是118个字节，包括采集数据、路由等信息）；另外，如果在辅助应用中消耗掉过多的带宽，则主应用会收到不可估量的影响。
在步骤103和步骤104中，所述探针包的跳数值等于广播该探针包的节点实际收到的所有探针包中的最小跳数值加1。如图3所示，其提供了一个记录跳数信息的例子：
网络中含有基站Sink以及另外三个节点A、B和C；当基站广播时，节点A会收到来自基站的一跳探针包；当节点B广播时，节点A会收到来自节点B的一份二跳探针包；当节点A和B都开始广播的时候，节点C则会收到两份二跳探针包，因此从C节点广播出去的探针包是三跳的，在链路正常情况下节点A会收到该探针。因此，当广播过程结束的时候，对于节点A，期望中它收到了三份探针包，分别是一跳、二跳和三跳的，对于节点C，期望中它收到了两份二跳探针包。
根据上述分析，图3中节点A的期望报告为（1,1,1,1），表示其收到过的探针包的最小跳数值为1，并且分别收到一跳、二跳和三跳的探针包各一份；节点C的期望报告为（2,2），即节点C收到且仅收到两份二跳的探针包。当所述各节点间链路不对称时，如图4所示，则节点N发往基站的回收报告应该为(1,1,0,…0,1)，中间有k-1个0。
步骤105：各节点将其回收报告发送给基站；
步骤106：在广播结束后，基站对各节点对应的期望报告和回收报告进行比较；如果两者不同，则分别对所述各节点的邻居节点进行分组；
在图3中节点C的期望报告是（2,2），若收到的回收报文为（2,1），表示遗漏了一份二跳的探针包，可是仅通过回收报告本身并不能分辨究竟是链路（C,A）损坏还是链路（C,B）损坏；如果利用到了链路本身的属性，我们则可以根据链路的长度来判断，如链路越长，质量越不稳定。然而，在大规模网络中，如果仅仅依此规则来判断链路质量的好坏，所得到的推断肯定是不正确的，因此我们引入DLP系统作为工具，以实现故障链路的筛选。
步骤107：将所述各回收报告和所述各节点间的拓扑信息转化成DLP系统的多个基本事实；
所述拓扑信息主要包括节点位置和链路长度，其转化后的用于链路故障的基本事实如表1所示：
表1DLP系统中的部分基本事实
基本事实 含义
Node(N,X,Y) 节点N的地理位置是(X,Y)
e(A,B,HopCount) 有向链路(A,B)，跳数为HopCount
Lost(A,B) e(A,B,HopCount)存在，但B没收到A的探针包
g(A,HopCount) 节点A的跳数为HopCount的邻居组
inGroup(B,g(A,HopCount)) 节点B处于g(A,HopCount)中
noProbe(A) 节点A没有收到任何一个探针包
distance(A,B,Length) 链路(A,B)的长度为Length
lostCount(A,HopCount) 节点A的跳数为HopCount的组别遗失探针的数量
faultyLink(A,B) 链路(A,B)被检测为故障链路
步骤108：设定所述DLP系统的转换规则及限制，选取部分所述基本事实作为所述DLP系统的输入，推导所有潜在事实，并通过所述DLP系统的限制对所述潜在事实进行筛选，输出故障链路集。
其中，选取表1中的部分基本事实作为输入放在DLP里，如e(A,B)和distance(A,B,Length)是严格决定于物理拓扑的信息，noProbe(A)是决定于回收的报告。
本发明提供的一种基于无线传感器网络的链路检测系统及方法，有以下有益效果：
1）基于网络的广播应用,使得基站对探针包进行广播，使得对所有节点的返回信息可以进行同时控制；
2）基于DLP系统,通过设定DLP系统的转换规则和限制，对无限传感器网络中的所有链路进行了扫描,并对所有的链路进行故障推断,实现了潜在故障链路的检测；
3）根据DLP系统输出的故障链路集，网络管理员可以做深入的数据分析和网络恢复，包括根据网络症状推断根源故障、为相关节点调整路由策略以及为每个节点保留预备可用链路等。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种基于无线传感器网络的链路检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
基站在无线传感器网络中广播探针包；
根据各节点间的网络拓扑结构，分析所述各节点预期收到的所有探针包的跳数值以及所述各跳数值对应的探针包总数，形成多个期望报告；
分别记录所述各节点实际收到的所有探针包的跳数值以及所述各跳数值对应的探针包总数，形成多个回收报告；
比较所述各节点对应的所述期望报告与回收报告是否相同，若不同，则分别对所述各节点的邻居节点进行分组,并将所述各回收报告和所述各节点间的拓扑信息转化成析取逻辑程序设计DLP系统的多个基本事实；
所述分别对所述各节点的邻居节点进行分组，遵循以下规则:
当第一节点和第二节点处于有效通信范围内，且所述第二节点广播探针包的跳数值为HopCount，则对所述第一节点的邻居节点分组时，跳数值为HopCount的分组不空；并将该第二节点划分到所述跳数值为HopCount的分组中；
设定所述DLP系统的转换规则及限制，选取部分所述基本事实作为所述DLP系统的输入，推导所有潜在事实，并通过所述DLP系统的限制对所述潜在事实进行筛选，输出故障链路集；
所述设定所述DLP系统的转换规则及限制中，所述转换规则为：
当所述第二节点没有收到来自所述第一节点的广播探针包时，监听基站是否收到过所述第一节点的回收报告，若没有，则所述第一节点损坏；若基站收到过所述第一节点的回收报告，则所述第一节点到所述第二节点的链路故障；
所述设定所述DLP系统的转换规则及限制中，所述限制进一步包括强限制和弱限制；
所述强限制进一步包括：
第一强限制：任一所述节点丢失的探针包的数量与其邻居节点分组中的链路故障数或损坏节点的数量相同；
或任一所述节点丢失的探针包的数量等于其邻居节点分组中的链路故障数和损坏节点数的总和；
第二强限制：若任一所述节点损坏，则将其从网络拓扑结构中去除；
所述弱限制进一步包括：
第一弱限制：若任一所述节点损坏，则其邻居节点均不会收到来自该节点的探针包；
第二弱限制：若任一所述节点损坏，则该节点不能接收其邻居节点广播的探针包；
第三弱限制：区域关联性；
第四弱限制：对称链路；
第五弱限制：链路越长，其探针包接收率越低。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探针包的跳数值等于广播该探针包的节点实际收到的所有探针包中的最小跳数值加1。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述期望报告和回收报告的结构为：
(MinHop，n(0)，n(1)，…n(k-1))；
其中，所述MinHop为该节点实际收到的所有探针包的最小跳数值，n(0)是跳数值为MinHop的探针包的个数；n(i)是跳数值为MinHop+i的探针包的个数，0≤i＜k。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述期望报告和回收报告的字节编码规则为：
第一个字节表示MinHop，所述MinHop为该节点实际收到的所有探针包的最小跳数值；
对于其他字节：
如果第一位是‘0’，则该字节表示对应该跳数值的探针包的个数；
如果第一位是‘1’，则剩下的7位表示的是连续0的数量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在输出故障链路集后进一步包括:
将所述输出故障链路集返回至所述DLP系统中,以对所述限制进行调整。
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