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摘 要：针对无线传感器网络资源受限特点，研究了故障管理相关内容，比较说明故障检测的几种常见方法，对无线传感器网络应用具有一定指导意义。
关键词：无线传感器；资源受限；故障管理；故障检测
无线传感器网络是由大量低成本且具传感、数据处理和无线通信能力传感器节点通过自组织方式形成的网络。它独立于基站或移动路由器等基础通信设施，通过特定分布式协议组织起来形成网络。它能协作实时监测、感知和采集网络分布区域内各种环境或监测对象信息，并对信息进行处理，使需要信息用户在任何时间、地点和环境条件下获取大量详实可靠信息。
随着无线传感器网络应用范围扩展，常被部署在极端环境来收集外部环境数据。由于传感器节点电源、存储和计算能力有限，且应用环境恶劣，使得传感器节点比传统网络节点更易失效。因此，对无线传感器网络故障管理非常重要。
1．无线传感器网络故障管理。
当网络或系统出现故障时，网络故障管理便成管理员首选手段。因此，故障管理事实上是整个网络管理重中之重。但由于网络故障涉及不同厂商和类型设备，涉及复杂网络拓扑结构，涉及不同组织对故障类型的不同定位规则。
对用户来说，希望日常工作和生活中网络运营畅通，信息传输不受任何网络故障干扰。对网络管理者来说，他们希望在网络运营过程中，能很快得到故障发生原因。这些方面因素使对无线传感器网络故障管理研究在近年来发展缓慢。下面参照传统网络故障管理，将无线传感器网络故障管理分三阶段：故障检测、故障诊断和故障恢复来分别说明。
（1）故障检测。
为确定故障存在，需收集与网络状态相关数据。一般来说，网络发生故障后，网络设备将处于不正常状态。通过获取设备状态信息，可及时发现网络故障。收集网络状态信息有两种方法：设备向管理系统报告关键网络事件；由网络管理系统定期查询网络设备状态，即主动轮询。
一般网络管理系统将两种方法结合使用。当对网络组成部件状态进行检测后，简单故障通常被记录在错误日志中，不作特别处理。而严重故障则需通过网络管理器，即所谓“告警”。
网络设备一般都具感知异常情况能力，当设备发现自身或网络严重异常时，它采用告警方式报告给网管中心，因此，故障检测一般由网络中设备完成。
（2）故障诊断。
故障会在网络中传播，所有感知到故障的网络对象（包括物理和逻辑对象）都会发生告警，在大型网络中，一个故障可能会引起大量告警。故障诊断就是对网络设备发出告警进行处理，从众多告警中找到故障发生原因和故障节点。在网络故障诊断中，理想告警应包含有关故障五W 信息（Who、What、Where、When 和why）。由于网络设备对自身以外网络情况了解有限，所以网络设备产生的大部分网络告警只回答了who、what和when，而故障诊断要进行where和why推理。另外，告警噪声存在进一步增加故障诊断难度，告警噪声包含告警丢失、延迟、重复和虚假告警等。
（3）故障恢复。
故障恢复主要目的是根据识别的故障原因，自动或手动对网络进行控制操作，恢复网络正常运行。
2．无线传感器网络故障检测常见方法。
（1）集中式方法。
集中式方法是无线传感器网络中较常见方法，一般来说是物理或逻辑上处中心位置节点，负责对网络进行监控，追踪失败或可疑节点。由于中心节点负责事务较多，通常都让该节点不受能量限制，能执行大范围故障管理事务。中心节点通常采用周期性主动探测方式发布一些探测包，来获取节点状态信息，对所获信息进行分析，从而确定节点是否失效。
采用集中式网络管理，所有网络设备都由一个管理者进行管理。当信息流量不大时，集中式网络管理简单且有效，在失效节点定位方面具高效和准确优点，所以非常适用小型局域网络。在集中式网络管理结构下，管理者作为“客户”要完成复杂网络管理任务，同时还须与多个作为“服务器”的代理交换信息。这种结构存在较大缺陷，主要表现为：
一是所有分析和计算任务都集中在中心节点站，造成网络管理瓶颈，中心节点负载过重。由于其余节点信息收集后都发往中心节点，中心节点很可能变成专门用于数据传输节点以满足故障检测和管理需要。随之而来的问题是中心节点所在区域会有大量流量往来，导致区域节点能量消耗急剧增加，越靠近中心节点越如此。二是中心节点站一旦失效，整个网管系统就崩溃了，导致整个系统可靠性偏低。三是集中式结构导致大量原始数据在网络上传输，带来大量额外通信量，占用大量通信带宽，导致网管系统工作效率降低。四是用于监测网络并收集数据代理是预先定义好且功能固定，一旦扩展新功能十分不便，造成系统可扩展性较差。五是远端节点与管理中心间距离较远，且传感器网络中采用多跳通信，两者间信息交互时延过长。
（2）分布式方法。
一是节点自检测。节点自检测依赖于节点自身所包含功能进行故障检测，并将检测结果发至管理节点。硬件接口包含几个灵活电路用于检测节点方位和碰撞。软件接口包含几个软件部件，用于采样传感器节点读取行为。由于故障检测由节点本身完成，这种方法优点是不需部署额外软件或硬件节点用于故障检测。二是邻居协作。顾名思义，邻居协作基本思想是节点发出故障告警前，将节点获得故障信息与邻居（一跳通信范围内）获得故障信息进行比较，得到确认情况下才将故障信息发往管理节点。大多数情况下，中心节点并不知道网络中任何失效信息，除非那些已用节点协作方式确认的故障。这样设计减少了网络通信信息，保留了节点能量。三是基于分簇。基于分簇将整个网络分成不同簇，将故障管理也分散到各自区域内。簇内采用散播方式定位失败节点，簇头节点与一跳范围内邻居以某种规则交换信息。通过分析收集到的信息，据预先定义的失败检测规则可最终确定失败节点。如发现一个故障节点，区域所在节点将会把信息传播给所有簇。
3．常见方法比较。
集中式与分布式方法各有优缺点，针对不同应用类型网络，应选取不同方法。考虑无线传感器网络本身能量有限特点，及故障检测一般目的，我们选取能量消耗、通信开销、故障检测率和虚警率这四个方面进行比较。
4．结束语。
无线传感器网络的应用已经十分广泛，而且，一般认为物联网的最底部一层即为无线传感器网络，因此对无线传感器网络的研究能很好地指导实践工作。本文对无线传感器网络故障检测的方法进行了分类描述分析，对于指导无线传感器网络故障研究工作具有一定的指导意义。
参考文献：
[1]《线型无线传感器网络的节点部署策略》袁辉勇赵晓廉 谢东 《计算机工程与应用》2010年07期.
[2]《无线传感器网络故障诊断与容错控制研究进展》 陈拥军 袁慎芳 吴键 张英杰，《传感器与微系统》2010年第29卷第一期.
[3]《三维无线传感器网络的中继器放置问题》 崔素辉 陈光亭 李茹雪 《杭州电子科技大学学报》2010年第30卷第二期.
关键词：无线传感器；资源受限；故障管理；故障检测
无线传感器网络是由大量低成本且具传感、数据处理和无线通信能力传感器节点通过自组织方式形成的网络。它独立于基站或移动路由器等基础通信设施，通过特定分布式协议组织起来形成网络。它能协作实时监测、感知和采集网络分布区域内各种环境或监测对象信息，并对信息进行处理，使需要信息用户在任何时间、地点和环境条件下获取大量详实可靠信息。
随着无线传感器网络应用范围扩展，常被部署在极端环境来收集外部环境数据。由于传感器节点电源、存储和计算能力有限，且应用环境恶劣，使得传感器节点比传统网络节点更易失效。因此，对无线传感器网络故障管理非常重要。
1．无线传感器网络故障管理。
当网络或系统出现故障时，网络故障管理便成管理员首选手段。因此，故障管理事实上是整个网络管理重中之重。但由于网络故障涉及不同厂商和类型设备，涉及复杂网络拓扑结构，涉及不同组织对故障类型的不同定位规则。
对用户来说，希望日常工作和生活中网络运营畅通，信息传输不受任何网络故障干扰。对网络管理者来说，他们希望在网络运营过程中，能很快得到故障发生原因。这些方面因素使对无线传感器网络故障管理研究在近年来发展缓慢。下面参照传统网络故障管理，将无线传感器网络故障管理分三阶段：故障检测、故障诊断和故障恢复来分别说明。
（1）故障检测。
为确定故障存在，需收集与网络状态相关数据。一般来说，网络发生故障后，网络设备将处于不正常状态。通过获取设备状态信息，可及时发现网络故障。收集网络状态信息有两种方法：设备向管理系统报告关键网络事件；由网络管理系统定期查询网络设备状态，即主动轮询。
一般网络管理系统将两种方法结合使用。当对网络组成部件状态进行检测后，简单故障通常被记录在错误日志中，不作特别处理。而严重故障则需通过网络管理器，即所谓“告警”。
网络设备一般都具感知异常情况能力，当设备发现自身或网络严重异常时，它采用告警方式报告给网管中心，因此，故障检测一般由网络中设备完成。
（2）故障诊断。
故障会在网络中传播，所有感知到故障的网络对象（包括物理和逻辑对象）都会发生告警，在大型网络中，一个故障可能会引起大量告警。故障诊断就是对网络设备发出告警进行处理，从众多告警中找到故障发生原因和故障节点。在网络故障诊断中，理想告警应包含有关故障五W 信息（Who、What、Where、When 和why）。由于网络设备对自身以外网络情况了解有限，所以网络设备产生的大部分网络告警只回答了who、what和when，而故障诊断要进行where和why推理。另外，告警噪声存在进一步增加故障诊断难度，告警噪声包含告警丢失、延迟、重复和虚假告警等。
（3）故障恢复。
故障恢复主要目的是根据识别的故障原因，自动或手动对网络进行控制操作，恢复网络正常运行。
2．无线传感器网络故障检测常见方法。
（1）集中式方法。
集中式方法是无线传感器网络中较常见方法，一般来说是物理或逻辑上处中心位置节点，负责对网络进行监控，追踪失败或可疑节点。由于中心节点负责事务较多，通常都让该节点不受能量限制，能执行大范围故障管理事务。中心节点通常采用周期性主动探测方式发布一些探测包，来获取节点状态信息，对所获信息进行分析，从而确定节点是否失效。
采用集中式网络管理，所有网络设备都由一个管理者进行管理。当信息流量不大时，集中式网络管理简单且有效，在失效节点定位方面具高效和准确优点，所以非常适用小型局域网络。在集中式网络管理结构下，管理者作为“客户”要完成复杂网络管理任务，同时还须与多个作为“服务器”的代理交换信息。这种结构存在较大缺陷，主要表现为：
一是所有分析和计算任务都集中在中心节点站，造成网络管理瓶颈，中心节点负载过重。由于其余节点信息收集后都发往中心节点，中心节点很可能变成专门用于数据传输节点以满足故障检测和管理需要。随之而来的问题是中心节点所在区域会有大量流量往来，导致区域节点能量消耗急剧增加，越靠近中心节点越如此。二是中心节点站一旦失效，整个网管系统就崩溃了，导致整个系统可靠性偏低。三是集中式结构导致大量原始数据在网络上传输，带来大量额外通信量，占用大量通信带宽，导致网管系统工作效率降低。四是用于监测网络并收集数据代理是预先定义好且功能固定，一旦扩展新功能十分不便，造成系统可扩展性较差。五是远端节点与管理中心间距离较远，且传感器网络中采用多跳通信，两者间信息交互时延过长。
（2）分布式方法。
一是节点自检测。节点自检测依赖于节点自身所包含功能进行故障检测，并将检测结果发至管理节点。硬件接口包含几个灵活电路用于检测节点方位和碰撞。软件接口包含几个软件部件，用于采样传感器节点读取行为。由于故障检测由节点本身完成，这种方法优点是不需部署额外软件或硬件节点用于故障检测。二是邻居协作。顾名思义，邻居协作基本思想是节点发出故障告警前，将节点获得故障信息与邻居（一跳通信范围内）获得故障信息进行比较，得到确认情况下才将故障信息发往管理节点。大多数情况下，中心节点并不知道网络中任何失效信息，除非那些已用节点协作方式确认的故障。这样设计减少了网络通信信息，保留了节点能量。三是基于分簇。基于分簇将整个网络分成不同簇，将故障管理也分散到各自区域内。簇内采用散播方式定位失败节点，簇头节点与一跳范围内邻居以某种规则交换信息。通过分析收集到的信息，据预先定义的失败检测规则可最终确定失败节点。如发现一个故障节点，区域所在节点将会把信息传播给所有簇。
3．常见方法比较。
集中式与分布式方法各有优缺点，针对不同应用类型网络，应选取不同方法。考虑无线传感器网络本身能量有限特点，及故障检测一般目的，我们选取能量消耗、通信开销、故障检测率和虚警率这四个方面进行比较。
4．结束语。
无线传感器网络的应用已经十分广泛，而且，一般认为物联网的最底部一层即为无线传感器网络，因此对无线传感器网络的研究能很好地指导实践工作。本文对无线传感器网络故障检测的方法进行了分类描述分析，对于指导无线传感器网络故障研究工作具有一定的指导意义。
参考文献：
[1]《线型无线传感器网络的节点部署策略》袁辉勇赵晓廉 谢东 《计算机工程与应用》2010年07期.
[2]《无线传感器网络故障诊断与容错控制研究进展》 陈拥军 袁慎芳 吴键 张英杰，《传感器与微系统》2010年第29卷第一期.
[3]《三维无线传感器网络的中继器放置问题》 崔素辉 陈光亭 李茹雪 《杭州电子科技大学学报》2010年第30卷第二期.