传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障链路定位方法
【专利摘要】本发明涉及一种传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障链路定位方法，属于无线传感器网络【技术领域】。该方法通过基于节点的拓扑拆分算法将故障网络分解为多个子图，在每个子图中分别求解该节点概率集并进一步计算该节点作为监测点可能节省主动监测的次数；最后，对子图中计算得到的节省次数进行求和并选择值最大的作为监测节点，且每一次监测节点的选择都是基于上一次监测的结果和端到端的数据计算产生的，直到所有故障问题都得到解释为止。本方法较传统方法具有更高的效率，同时，采用节点监测启发式贪婪算法，有效的减少了主动测量次数，降低了算法的耗时和能耗。
【专利说明】传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障链路定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线传感器网络【技术领域】，涉及一种传感器网络中基于主动和被动的 贪婪故障链路定位方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 无线传感器网络中的故障链推断问题，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。有限的能量和传输带宽，使得基站接收的感知数据成 为网络故障检测中仅有的可供分析数据，然而该些数据提供的信息量往往不足W解释故障 发生的原因。主动测量通过发送探测包询问的方式获得额外的节点或链路状态参数，用W 解决网络故障检测中存在的信息不足的问题。
[0006] 根据无线传感器网络的特点，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，引入决策树算法检测网络中存在的故障。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W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W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。
[0007] 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。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，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。因为该种技术需要静态拓 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。采 用端到端的数据引导主动探测，但每次只能监测一条链路，本发明可W同时监测多条链路， 减少了主动探测的次数，节省了能耗。
[0008] 越来越多面向不同应用领域的传感器网络被广泛的部署在真实环境中，使人们W 新的方式观测周围的物理世界。然而该些网络中常常会出现各种不可预测的故障，能否快 速有效地对该些故障进行定位，是无线传感器网络研究的重要内容。现有无线传感器网络 故障定位的研究中，大多采用主动测量或被动测量的方式。主动测量产生大量额外的能量 消耗，减少了网络的生存周期，优点是能够精确定位故障的位置。被动测量不需要额外的能 量消耗，对于能量有限的传感器网络是一种非常合适的测量方式。被动测量中提出了故障 推断问题，基于端到端的数据定位所有的故障。然而，端到端的数据的异常可能是由不同节 点的故障引起的，因此并不总是能够正确的定位故障。
[0009] 因此，目前急需一种高效的传感器网络故障链路定位方法。
【发明内容】
[0010] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障 链路定位方法，该方法通过基于节点的拓扑拆分算法将故障网络分解为多个子图，在每个 子图中分别求解该节点概率集并进一步计算该节点作为监测点可能节省主动监测的次数； 最后，对子图中计算得到的节省次数进行求和并选择值最大的作为监测节点，且每一次监 测节点的选择都是基于上一次监测的结果和端到端的数据计算产生的，直到所有故障问题 都得到解释为止。节点监测路径的方式，即监测节点将被监测的所有故障路径依数据传输 方向分为两部分：尾节点-监测节点、监测节点-头节点，根据监测结果采用路径分割算法 将正常的部分路径所包含的链路从故障链路集中删除，从而缩小了故障链路集，直到所有 的故障被发现。本方法将其转化为最优监测序列问题，并利用节省监测次数最优设计了基 于节点监测启发式贪婪算法，有效的减少主动测量次数，降低算法耗时和能耗。
[0011] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0012] 一种传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障链路定位方法，其特征在于：包括 W下步骤：
[0013] 步骤一：通过基于节点的拓扑拆分算法将故障网络分解为多个子图；
[0014] 步骤二：在每个子图中分别求解该节点概率集并进一步计算该节点作为监测点可 能节省主动监测的次数；
[0015] 步骤H;对子图中计算得到的节省次数进行求和并选择值最大的作为监测节点， 且每一次监测节点的选择都是基于上一次监测的结果和端到端的数据计算产生的，直到所 有故障问题都得到解释为止。
[0016] 进一步，节点监测路径的方式，即监测节点将被监测的所有故障路径依数据传输 方向分为两部分：尾节点-监测节点、监测节点-头节点，根据监测结果采用路径分割算法 将正常的部分路径所包含的链路从故障链路集中删除，从而缩小了故障链路集，直到所有 的故障被发现。
[0017] 进一步，将故障拓扑图分解成为依rik的关联子图集即迭代遍历经过rik的所有 路径pey心将依节点rik上行路径相关联的路径划分到子图巧中，直到每一条经过nk的 路径都被划分到某个子图，最后将子图求并集得到= Uosb.;。，;，巧i:，其中p"k是包含节 点rik的路径集。
[0018] 进一步，在步骤二中，引入节点概率集计算节点概率，概率集可W通过： P。典)、P&:(0), P。押)、Pci:風计算得到，且除玄)外，其余3个可W通过公式计算求得。
[0019] 进一步，经过监测节点rik测试后得到拓扑中Hk的上下部分子图状态后，将正常 的链路从故障路径中分割掉；每次监测并进行分割之后，都将减少故障链路的数量，直到 所有故障链路被发现为止。且此算法也可W用来计算巧)），/!:(/;,_^(巧0))。计算 :/f 巧)的基本思想是，已知关联子图1(4和W节点rik分界点的上下部分子图的状态为 巧，即rik上部分子图是正常的且下部分是存在故障的。从故障链路集L中删除节点rik的上 部分全部链路，目的是减小故障链路集中链路的数量，将正常的链路从路径中进行分割。然 后，在剩余故障链路集L中查找状态是responsible的链路li，将其删除并将包含此链路的 路径从故障路径集合中删除。最后，再次遍历故障链路集，检测状态为irrelevant的链路 并将其删除。其中，Pi是包含链路li的路径集。
[0020] 进一步，引入启发式贪婪算法确定故障节点，算法每次选择具有最高权值的节点 进行监测；除第一个监测节点，其余节点的权值是根据上一次节点监测的结果计算得到的； 节点rik的权值是，在该节点还没有进行监测的情况下，可能会节省的监测节点个数，令 为节点rik的权值；电，巧化为节点rik的上行路径段故障且下行路径段是正常的情况下节省 监测节点的个数；和胖巧为节点rik的上行路径段是正常的且下行路径段有故障的情况 下节省监测节点的个数；其中琴雷巧:是所有被删除节点的个数；齐巧是所有被删除节 点的个数；
[0021] 成,=相/口〇)-反叫（UD) + P,化（￡/巧6",(U巧。
[0022] 本发明的有益效果在于；本发明提供的传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障 链路定位方法较传统方法具有更高的效率，同时，采用节点监测启发式贪婪算法，有效的减 少了主动测量次数，降低了算法的耗时和能耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0024] 图1为本发明路由表更新前后的两个网络拓扑图；
[00巧]图2为本发明ri2为监测点的关联子图；
[0026] 图3为本发明的一般拓扑图；
[0027] 图4为本发明依节点Dk拆分子图C4;
[0028] 图5为本发明依节点Dk拆分子图巧;；
[0029] 图6为本发明所述方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0031] 图6为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明提供的传感器网络中基 于主动和被动的贪婪故障链路定位方法，包括W下步骤：步骤一：通过基于节点的拓扑拆 分算法将故障网络分解为多个子图；步骤二：在每个子图中分别求解该节点概率集并进一 步计算该节点作为监测点可能节省主动监测的次数；步骤H ;对子图中计算得到的节省次 数进行求和并选择值最大的作为监测节点，且每一次监测节点的选择都是基于上一次监测 的结果和端到端的数据计算产生的，直到所有故障问题都得到解释为止。
[0032] 下面对本方案进行具体说明：
[0033] 定义1、一个故障拓扑图是一个H元组G = (N，L，P)，N表示故障节点集合；L表示 故障链路集合；P表示端到端的故障路径集合；G是只有一个sink节点的静态传感器网络。 在一个长度为T的时间窗口 W内，收集并分析网络中的端到端的数据。为了分析动态拓扑 网络下的数据，将时间窗口分解为相同大小时间槽Tc，Tc时间内认为网络拓扑是不变的（静 态的），且T/j、于动态路由表更新时间。
[0034] 定义2、路由矩阵;^ X iLi.行表示一条端到端的路径；列表示链路。聲，=1表 示链路Ij.在路径P i中。在固定时间间隔后，通过路由更新报告获得t化。
[00 巧]
【权利要求】
1. 一种传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障链路定位方法，其特征在于：包括以 下步骤： 步骤一：通过基于节点的拓扑拆分算法将故障网络分解为多个子图； 步骤二：在每个子图中分别求解该节点概率集并进一步计算该节点作为监测点可能节 省主动监测的次数； 步骤三：对子图中计算得到的节省次数进行求和并选择值最大的作为监测节点，且每 一次监测节点的选择都是基于上一次监测的结果和端到端的数据计算产生的，直到所有故 障问题都得到解释为止。
2. 根据权利要求1所述的一种传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障链路定位方 法，其特征在于：节点监测路径的方式，即监测节点将被监测的所有故障路径依数据传输方 向分为两部分：尾节点一监测节点、监测节点一头节点，根据监测结果采用路径分割算法将 正常的部分路径所包含的链路从故障链路集中删除，从而缩小了故障链路集，直到所有的 故障被发现。
3. 根据权利要求1所述的一种传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障链路定位方 法，其特征在于：将故障拓扑图分解成为依nk的关联子图集4,，即迭代遍历经过nk的所有 路径P ，将依节点％上行路径相关联的路径划分到子图中，直到每一条经过 ％的路 径都被划分到某个子图，最后将子图求并集得到^7^ = ，其中是包含节点 nk的路径集。
4. 根据权利要求1所述的一种传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障链路定位方 法，其特征在于：在步骤二中，引入节点概率集计算节点概率，概率集h可以通过： &:(￡/)、PRi(0〕、&CD)'Pni(S)计算得到，且除外，其余3个可以通过公式计算求 得。
5. 根据权利要求1所述的一种传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障链路定位方 法，其特征在于：经过监测节点njlj试后得到拓扑中nk的上下部分子图状态后，将正常的链 路从故障路径中分割掉；每次监测并进行分割之后，都将减少故障链路的数量，直到所有故 障链路被发现为止。
6. 根据权利要求1所述的一种传感器网络中基于主动和被动的贪婪故障链路定位方 法，其特征在于：引入启发式贪婪算法确定故障节点，算法每次选择具有最高权值的节点进 行监测；除第一个监测节点，其余节点的权值是根据上一次节点监测的结果计算得到的； 节点nk的权值是，在该节点还没有进行监测的情况下，可能会节省的监测节点个数，令I、. 为节点nk的权值；为节点nk的上行路径段故障且下行路径段是正常的情况下节省 监测节点的个数； UU取为节点nk的上行路径段是正常的且下行路径段有故障的情况下节省监测节点 的个数； 其中A.JIFD：::是所有被删除节点的个数；'扔:是所有被删除节点的个数；
【文档编号】H04W84/18GK104486113SQ201410762498
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】尚凤军, 王剑 申请人:重庆邮电大学