無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障診斷與容錯(cuò)控制研究進(jìn)展_圖文

1、2010年第29卷第1期傳感器與微系統(tǒng)(Transducer and M i crosyste m Technologi es綜述與評(píng)論無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障診斷與容錯(cuò)控制研究進(jìn)展*陳擁軍,袁慎芳,吳鍵,張英杰(南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210016摘要:可靠性和可持續(xù)性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(W S N s研究的重要問(wèn)題。從拓?fù)?、能量、監(jiān)測(cè)和安全等角度對(duì)WSNs故障診斷和容錯(cuò)控制方法進(jìn)行詳細(xì)的歸納和總結(jié)。對(duì)WSNs故障類(lèi)型進(jìn)行了劃分,主要分為節(jié)點(diǎn)故障和網(wǎng)絡(luò)故障,根據(jù)W S N s體系結(jié)構(gòu),介紹了節(jié)點(diǎn)自診斷、網(wǎng)絡(luò)診斷和基站診斷3種故障診斷方法,闡述了相關(guān)的容錯(cuò)控制技術(shù),包

2、括冗余機(jī)制、多路由設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)拓?fù)淇刂?、傳輸協(xié)議優(yōu)化、數(shù)據(jù)融合和智能方法。對(duì)WSNs容錯(cuò)控制技術(shù)目前存在的問(wèn)題與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);故障診斷;容錯(cuò)控制中圖分類(lèi)號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10009787(201001000105Research progress of fault diagnosis and fault2tolerant control in w ireless sensor networks*C H E N Yong2jun,Y UAN Shen2f ang,WU Jian,Z HANG Y ing2ji e(A er onau tic K

3、 ey Labora tor y of Sm a r t M a ter i a l a nd Struc tur e,Na njing U niver sityof Aer onau tics and Astr onau tics,Nan ji ng210016,C h i naAbstr a ct:The re li ability and s usta i nab ilit y are very i m portant pro b le m s i n wireless sensor net works(WSNs.R ecent results of fault diag nosis a

4、nd fault2toleran t control i n w ireless sensor net w orks are surveyed fro m such poi nt of vi ew as topolo gy,energy,m onitori ng and safety,etc.Severa l m ain fau lt m odes are c lassified,i nc l ud i ng sensor node fau lts and net work f au lts.A ccordi ng t o syste m struc t ure of w ire less s

5、ensor net works,three fault d i agnos i s m ethods,se lf2diag nosis,net work2diag nosis and base stati on2diagnosis are i ntroduced.R e lati ve fau lt2t olerant control technolo gies are presen ted,i nclud i ng redundancy m echan i s m,mu lti2route desi gn,dyna m i c topolog y contro,l transport pro

6、tocol opti m i za ti on,da ta aggregatio n and i nte lli gentm etho d.The proble m and fut ure deve l op m en t trend of fau lt2tolerant control technol ogy i n w i re l ess sensor net works are discussed.K ey word s:wireless sensor net works(WSNs;fau lt diagnosis;fault2toleran t control0引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(W

7、SNs是一種全新的信息獲取和處理技術(shù),在工業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景1。然而,作為一種分布式計(jì)算平臺(tái),其CPU速度、存儲(chǔ)空間、電能和帶寬等節(jié)點(diǎn)資源十分有限,WSNs工作環(huán)境存在不可預(yù)測(cè)性,外界各種干擾(如,溫度、振動(dòng)、電磁等因素容易引起網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)射頻沖突、時(shí)鐘異步、電池耗盡、信號(hào)丟失和軟件錯(cuò)誤等故障,這將大大降低傳感器節(jié)點(diǎn)的可靠性,削弱或失效W S N s預(yù)定功能。及時(shí)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)各種異常狀態(tài)做出診斷,尋找合理的容錯(cuò)控制方案,指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行,對(duì)提高W S Ns的可靠性和魯棒性具有重要的意義。近年來(lái),WSNs故障診斷與容錯(cuò)控制的研究得到了較快的發(fā)展,針對(duì)硬件結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)特征,提出了不同

8、的故障診斷與容錯(cuò)控制解決方案。本文從拓?fù)?、能量、監(jiān)測(cè)和安全等角度,對(duì)WSNs故障類(lèi)型及其故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行歸納和總結(jié),并對(duì)目前故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)存在的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。1W S N s故障類(lèi)型W S Ns由分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)(包括衛(wèi)星和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)四部分組成。根據(jù)W S Ns組成結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)功能,其故障可分為節(jié)點(diǎn)故障和網(wǎng)絡(luò)故障2種。1.1節(jié)點(diǎn)故障W S Ns有2種節(jié)點(diǎn):傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn),因此,節(jié)點(diǎn)故障也分傳感器節(jié)點(diǎn)故障和匯聚節(jié)點(diǎn)故障。傳感器節(jié)點(diǎn)故障分硬故障和軟故障2:硬故障是指節(jié)收稿日期:20090602*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(607

9、72072,50830201;國(guó)家/8630計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA03Z1171匯聚節(jié)點(diǎn)是一個(gè)增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn),它用于連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與In ternet 等外部網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)2種協(xié)議之間的通信轉(zhuǎn)換。對(duì)于簇形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)發(fā)布簇首節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)。若它出現(xiàn)故障,所有管轄范圍內(nèi)無(wú)其他路由可選的傳感器節(jié)點(diǎn)都不能實(shí)現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。在強(qiáng)烈的電磁干擾環(huán)境下,匯聚節(jié)點(diǎn)與衛(wèi)星連接產(chǎn)生強(qiáng)烈的波動(dòng),甚至連接失敗,導(dǎo)致無(wú)法訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。1.2 網(wǎng)絡(luò)故障網(wǎng)絡(luò)故障3可分為:連接失敗:覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)不能正常相連,包括相鄰節(jié)點(diǎn)的直接相連和不相鄰節(jié)點(diǎn)多跳相連,導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域節(jié)點(diǎn)通信不通暢。信道擁塞:數(shù)據(jù)流在信道

10、傳輸過(guò)程中,由于負(fù)載過(guò)大引發(fā)沖突,目的節(jié)點(diǎn)不能或只能部分接收數(shù)據(jù),同時(shí)也大大增加了數(shù)據(jù)端到端傳輸?shù)哪芎?。時(shí)鐘異步:不同節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘,節(jié)點(diǎn)的采集、傳輸、空閑、休眠等幾個(gè)狀態(tài)對(duì)時(shí)鐘同步依賴(lài)性很強(qiáng),同步報(bào)文本地處理時(shí)間的不確定性,如,緩存,MAC 協(xié)議處理,回退等產(chǎn)生時(shí)間上的誤差。非法入侵:WSNs 在物理空間上是全開(kāi)放的,入侵者通過(guò)讀出節(jié)點(diǎn)密鑰、程序等機(jī)密信息,甚至重寫(xiě)存儲(chǔ)器將該節(jié)點(diǎn)變成為己服務(wù)的一個(gè)/臥底0,導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失去預(yù)設(shè)功能。尋址偏差:傳感器節(jié)點(diǎn)只有通過(guò)少數(shù)已知節(jié)點(diǎn)位置,按照某種定位機(jī)制才能確定自身的位置,若監(jiān)測(cè)區(qū)域的相對(duì)位置或絕對(duì)地理坐標(biāo)不能確定,則降低了信息/保真度0。2 故障

11、診斷W S N s 故障診斷分為節(jié)點(diǎn)自診斷、網(wǎng)絡(luò)診斷和基站診斷。2.1 節(jié)點(diǎn)自診斷節(jié)點(diǎn)自診斷是指通過(guò)節(jié)點(diǎn)自我調(diào)節(jié),智能的而不需要人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè),主要是通過(guò)節(jié)點(diǎn)電源和測(cè)量值的大小來(lái)判斷。文獻(xiàn)4通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)電池電壓的變化,提出一種預(yù)測(cè)電池耗盡時(shí)間的算法。文獻(xiàn)5根據(jù)加速度計(jì)測(cè)量值的大小,判斷因外界沖擊導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)故障。利用磁盤(pán)圖 形模型,設(shè)計(jì)帶有最大的邊界概率的分布多項(xiàng)式算法,也可提高節(jié)點(diǎn)的自監(jiān)測(cè)能力6。2.2 網(wǎng)絡(luò)診斷平面型網(wǎng)絡(luò)的邏輯圖是平面結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系都是對(duì)等的,維護(hù)的路由信息量相同,以對(duì)等的方式完成路由的建立、維護(hù)和數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。2001年,意大利Chessa S 和美國(guó)Sa

12、nti P 聯(lián)合提出一種基于比較的故障診斷算法7,依據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間相互測(cè)試的結(jié)果實(shí)現(xiàn)故障診斷。這種方式系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)較大,能量效率不高,存在重復(fù)診斷,不適合拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)8提出了一種分布式節(jié)點(diǎn)故障診斷算法,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換和相互測(cè)試診斷出故障節(jié)點(diǎn)。一種在文獻(xiàn)8基礎(chǔ)上改進(jìn)的算法更能適用于待診斷節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)較少、故障率較高的傳感器網(wǎng)絡(luò)9。文獻(xiàn)10利用WSNs 的時(shí)空相關(guān)性,根據(jù)節(jié)點(diǎn)與鄰近節(jié)點(diǎn)間信任度投票表決,判斷節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生故障。文獻(xiàn)11基于加權(quán)中值策略,通過(guò)融合鄰居節(jié)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè),適用二進(jìn)制決策和實(shí)數(shù)測(cè)量值,在故障概率很高時(shí)也能獲得很高的檢測(cè)精度和較小的誤判率。利

13、用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可進(jìn)行WSNs 故障診斷12,圖1是該診斷方法的示意圖,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入由節(jié)點(diǎn)本身的延遲輸出和鄰近節(jié)點(diǎn)當(dāng)前及延遲輸出組成。把傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)際輸出與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出進(jìn)行比較,當(dāng)兩者差值大于某一閾值時(shí),則傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)出故障警告。圖1 反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)Fig 1 Fau lt d etecti on of s en sor n od e in feed back n eura l net work s對(duì)于大規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò),采用分層型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由多個(gè)簇組成,節(jié)點(diǎn)分簇首節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn),同一簇內(nèi)的簇首節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)簇內(nèi)的路由信息,每個(gè)簇首頭節(jié)點(diǎn)管理若干個(gè)普通節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)信

14、息融合、收發(fā),并與其他簇首節(jié)點(diǎn)交換處理后的拓?fù)湫畔?。文獻(xiàn)13對(duì)文獻(xiàn)7算法進(jìn)行了改進(jìn),提出了基于比較的簇節(jié)點(diǎn)故障診斷算法,該算法利用簇首節(jié)點(diǎn)作為簇內(nèi)故障診斷的集中控制2第1期陳擁軍,等:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障診斷與容錯(cuò)控制研究進(jìn)展單元,對(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中診斷,同時(shí),利用鏈接所有簇首節(jié)點(diǎn)的邏輯子網(wǎng),通過(guò)在簇首節(jié)點(diǎn)之間傳遞相關(guān)診斷信息,對(duì)簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行診斷。它既適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔潭ǖ墓?jié)點(diǎn),又適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓墓?jié)點(diǎn),解決了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重復(fù)診斷問(wèn)題。K rishnam acha ri B14等人提出了一種基于最短路徑支撐樹(shù)結(jié)構(gòu)的傳感器節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)方法,它是通過(guò)判斷簇首節(jié)點(diǎn)的特征來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)性能,缺點(diǎn)是對(duì)簇頭依賴(lài)性

15、很強(qiáng);文獻(xiàn)15提出一種由傳感器節(jié)點(diǎn)到簇首節(jié)點(diǎn)再到匯聚節(jié)點(diǎn)的故障檢測(cè)機(jī)制,每個(gè)子節(jié)點(diǎn)把監(jiān)測(cè)的值送給其父節(jié)點(diǎn),父節(jié)點(diǎn)又將子節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行融合,送給上一級(jí)節(jié)點(diǎn),這種診斷方法優(yōu)點(diǎn)是可用于大規(guī)模分層網(wǎng)絡(luò),缺點(diǎn)是能耗太大。2.3基站診斷故障診斷除了可以通過(guò)簇首節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)外,也可以在基站實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)16提出一種MAN NA層次結(jié)構(gòu)拓?fù)涞慕鉀Q辦法,簇首節(jié)點(diǎn)用來(lái)監(jiān)測(cè)普通傳感器節(jié)點(diǎn),基站用來(lái)監(jiān)測(cè)簇首節(jié)點(diǎn),基站和簇首節(jié)點(diǎn)始終與傳感器節(jié)點(diǎn)保持聯(lián)系,若發(fā)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)基站和簇首節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)沒(méi)反應(yīng),則認(rèn)為傳感節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障。文獻(xiàn)17對(duì)文獻(xiàn)16方法進(jìn)行了改進(jìn),把檢測(cè)和跟蹤失效簇首節(jié)點(diǎn)的任務(wù)轉(zhuǎn)交給基站,首先,把最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒏嬷?/p>

16、基站,基站獲取拓?fù)湫畔⒑?一旦發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障,就能根據(jù)拓?fù)湫畔@取新的路由。這種檢測(cè)方法是以數(shù)據(jù)為中心的,所以,它不適合事件驅(qū)動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。3容錯(cuò)控制容錯(cuò)控制是指WSNs在出現(xiàn)硬件損壞或軟件故障時(shí),通過(guò)對(duì)硬件和軟件的調(diào)節(jié),重新生成一個(gè)控制方案,使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仍能保持滿意的性能或至少達(dá)到可以接受的性能指標(biāo)。容錯(cuò)控制可提高WSNs的魯棒性和可靠性。3.1冗余機(jī)制冗余機(jī)制的思想是傳感器節(jié)點(diǎn)部分或者全部失效時(shí),能自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)具備相似功能的替代方案,使之在失效狀態(tài)下系統(tǒng)依然能正常工作。一是設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)硬件冗余模塊,如南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用可編程門(mén)序列開(kāi)發(fā)具有雙處理器、雙射頻模塊

17、的節(jié)點(diǎn),當(dāng)一個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí),它可以自動(dòng)切換到無(wú)故障的模塊,節(jié)點(diǎn)又可重新正常工作18。二是節(jié)點(diǎn)冗余布置,盡管當(dāng)前節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障,但其他的冗余節(jié)點(diǎn)重新組織后仍然可以進(jìn)行通信,降低了信息丟失的概率。3.2多路由設(shè)計(jì)由于W S Ns信道變化不規(guī)則、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、加入、退出等都會(huì)引起拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化,通過(guò)多路由設(shè)計(jì)可避免因單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)故障而降低網(wǎng)絡(luò)的連通性。表1對(duì)當(dāng)前主流路由協(xié)議特性進(jìn)行了比較19。近來(lái),仿生學(xué)如蟻群算法在路由容錯(cuò)控制中也得到了很好的應(yīng)用20,通過(guò)結(jié)合偏角、能量和距離3個(gè)參數(shù),用轉(zhuǎn)跡線選擇法確定傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的最佳路由。這種策略可局部節(jié)省能耗,降低平均傳輸時(shí)延,但在全局效果方面還有

18、待改進(jìn)。表1W S N s路由協(xié)議比較T ab1C o m par ison o f rou te pr otoco ls i n w i r eless sen s or n et work sF loo d i ng SP N DD H REE MR S AR LE ACH TEEN Youni s P EGASIS S MIEC N GEAR路由結(jié)構(gòu)平面平面平面平面平面層次層次層次層次層次平面路由策略按需按需按需按需按需主動(dòng)主動(dòng)主動(dòng)主動(dòng)主動(dòng)按需提供節(jié)能策略否是是是是是是是是是是網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間不好好好好好很好很好好很好好好以數(shù)據(jù)為中心否是是是是不是是否是否否有無(wú)數(shù)據(jù)融合無(wú)有有有有有有無(wú)有無(wú)無(wú)

19、有無(wú)節(jié)點(diǎn)定位無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)有無(wú)有有多路徑維護(hù)否是是是否否否否否否否最佳路徑否否是否是否否是否是是魯棒性不好好好好好好好不好好不好好可擴(kuò)展性好受限受限受限受限好好好好不好受限提供安全機(jī)制否否否否否否否否否否否3.3動(dòng)態(tài)拓?fù)淇刂仆負(fù)淇刂品止β士刂坪蛯哟涡屯負(fù)?種,前者是通過(guò)減少節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率,均衡節(jié)點(diǎn)單跳可達(dá)數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)拓?fù)淇刂频?成熟的策略主要有CO MPO W等統(tǒng)一功率分配算法,LI NT,L MA等基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的算法,CBTC,L MST,RNG, DRNG和DLSS等基于鄰近圖的近似算法。后者是對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇管理實(shí)現(xiàn)能量節(jié)省,主要有Top D iss成簇算法、改進(jìn)的GAF虛擬地理網(wǎng)格分簇算法

20、及LEAC H和HEED等自組織成簇算法21。3.4傳輸協(xié)議優(yōu)化傳輸控制協(xié)議優(yōu)化應(yīng)符合以下幾個(gè)原則:1通過(guò)丟失恢復(fù)來(lái)確保網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性;2有利于節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)能3傳感器與微系統(tǒng) 第29卷量;3簡(jiǎn)化連接建立過(guò)程,提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,降低傳輸時(shí)延;4盡可能地避免包丟失。SenTCP 是一種開(kāi)環(huán)、多跳的傳輸控制協(xié)議,根據(jù)反饋信號(hào)中的信息來(lái)調(diào)整傳輸層的數(shù)據(jù)傳輸速率,實(shí)現(xiàn)擁塞控制。P SFQ 采用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行丟失恢復(fù)的方法來(lái)確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?即使在鏈路環(huán)境質(zhì)量不好的情況下該協(xié)議依然能穩(wěn)定運(yùn)行。D TC 同樣采用了在中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行丟失恢復(fù)的機(jī)制。與PSFQ 不同的是,DTC 是一種端到端的傳輸控制協(xié)議,中間

21、節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)信息包時(shí)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)信息進(jìn)行緩存,一旦發(fā)送丟失就會(huì)從該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳。RM S T 是基于定向擴(kuò)散路由機(jī)制的協(xié)議,采用定時(shí)器驅(qū)動(dòng)機(jī)制來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)丟失,不足之處是缺少了擁塞控制和節(jié)能機(jī)制22。3.5 數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合是指將多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理,組合出更高效、更符合用戶(hù)需求的數(shù)據(jù)的過(guò)程。它可以使傳送的數(shù)據(jù)量最小化,如,在一些溫度、濕度環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)合,只需其平均值就滿足要求了。文獻(xiàn)23提出了獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合機(jī)制,基本思想是不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容,而根據(jù)下一跳地址進(jìn)行多個(gè)數(shù)據(jù)單元的合并,通過(guò)減少數(shù)據(jù)封閉頭部開(kāi)銷(xiāo)和MAC 層的發(fā)送沖突來(lái)達(dá)到節(jié)省能量的效果。文獻(xiàn)24通過(guò)對(duì)故障和較高的誤差進(jìn)行數(shù)據(jù)

22、融合,提出一種非均勻備份機(jī)制解決W S N s 容錯(cuò)問(wèn)題,對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)用備份數(shù)據(jù)替代。3.6 智能方法采用智能方法也能實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)25用模糊邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)路由和簇首節(jié)點(diǎn)重選,根據(jù)節(jié)點(diǎn)與基站的距離,選擇離基站最近的路由和簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,這種路由選擇性能較好,系統(tǒng)重構(gòu)速度較快,但需要周期性與基站通信。文獻(xiàn)26利用信息技術(shù)基礎(chǔ)庫(kù)和自組織管理技術(shù),設(shè)計(jì)了一種分布式的能進(jìn)行自修復(fù)W S N s 系統(tǒng)。文獻(xiàn)27把人工免疫理論與多Agent 結(jié)合,通過(guò)監(jiān)測(cè)Agent ,防御Agent 和決定Agent 協(xié)作實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)28提出一種叫S AS HA 的基于生物免疫機(jī)制的WS

23、Ns 容錯(cuò)結(jié)構(gòu),如圖2所示,淋巴結(jié)機(jī)制用于產(chǎn)生檢測(cè)器對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè),胸腺機(jī)制完成對(duì)故障的確診,此結(jié)構(gòu)不但能識(shí)別已知故障,對(duì)未知故障具有良好的自適應(yīng)學(xué)習(xí)和進(jìn)化能力。4 研究趨勢(shì)通過(guò)對(duì)當(dāng)前容錯(cuò)控制方案分析和總結(jié),從提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和可持續(xù)性角度出發(fā),一個(gè)好的容錯(cuò)控制方案應(yīng)具備如下特點(diǎn):1故障特征的完整性;2能量消耗的節(jié)約性;3抵御入侵的抗毀性;4節(jié)點(diǎn)互連的魯棒性;5信息傳輸?shù)恼_性。有鑒于此,將來(lái)W S Ns 容錯(cuò)控制采用的研究策略和發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面: 1由于W S N s 的復(fù)雜性和故障的多樣性,現(xiàn)有容錯(cuò)模圖2 SAS HA 結(jié)構(gòu)F i g 2 Stru ctu re of SA

24、S H A型只是簡(jiǎn)單的對(duì)故障抽象和提取,并沒(méi)有反映出W S N s 故障完整性。用多模型研究方法可更好地與實(shí)際故障吻合;2考慮到節(jié)點(diǎn)的本身的局限性,盡力減少能耗,延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期對(duì)工程應(yīng)用有很大的現(xiàn)實(shí)意義。一方面是改善節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì),如,降低節(jié)點(diǎn)功耗,研發(fā)高效的電源模塊;另一方面是研究跨層節(jié)能優(yōu)化機(jī)制,如,構(gòu)造理想的能量模型,選擇合適的算法使傳遞信息所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)和發(fā)送頻率盡可能的少;3應(yīng)用環(huán)境開(kāi)放的W S N s 帶來(lái)嚴(yán)重的安全問(wèn)題,現(xiàn)有的安全機(jī)制開(kāi)銷(xiāo)大、主動(dòng)性差,離W S Ns 安全需要有很大的差距,借鑒生物免疫原理的安全體系結(jié)構(gòu)可提高W S Ns 的安全性;4當(dāng)節(jié)點(diǎn)的覆蓋、帶寬受限時(shí)

25、,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙菀装l(fā)生變化,其連通性面對(duì)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),如何在此情況下提供不間斷、可靠的服務(wù)是WSNs 容錯(cuò)技術(shù)亟待解決的難點(diǎn)問(wèn)題。應(yīng)用現(xiàn)代智能技術(shù)(如,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法等結(jié)合時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)解決網(wǎng)絡(luò)連接問(wèn)題值得關(guān)注;5節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流不對(duì)稱(chēng)引起節(jié)點(diǎn)能量分布不均,導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)任務(wù)集中而過(guò)早/死亡0。路由選擇考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量,采用隨機(jī)路由替代穩(wěn)定路由,簇首節(jié)點(diǎn)實(shí)行動(dòng)態(tài)擔(dān)任,能有效地均衡節(jié)點(diǎn)能量。構(gòu)建節(jié)能的路由協(xié)議需要進(jìn)一步研究;6以分簇結(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)體系,監(jiān)測(cè)存在邊界問(wèn)題,信息融合增加通信和計(jì)算量,降低處理速度,引起故障診斷與容錯(cuò)之間的延時(shí)。采用移動(dòng)多Agen t 與動(dòng)態(tài)聯(lián)盟結(jié)合的技術(shù),輔以博弈論方法

26、等競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)商策略有助于問(wèn)題的解決。5 結(jié)束語(yǔ)WSNs 作為一種新興的技術(shù),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中顯示了巨大的應(yīng)用價(jià)值,同時(shí),也對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。容錯(cuò)控制是保持W S N s 可靠性、可持續(xù)性工作的基礎(chǔ),對(duì)保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命有很大的影響。本文從拓?fù)淇刂啤⒛芰抗?jié)省、監(jiān)測(cè)功能和安全性等角度對(duì)目前W S Ns 故障診斷和容錯(cuò)控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的歸納和總結(jié)。首先,對(duì)WSNs 系統(tǒng)故障類(lèi)型進(jìn)行了劃分,然后,根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),總結(jié)和歸納了故障診斷方法,介紹了4第1期陳擁軍,等:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障診斷與容錯(cuò)控制研究進(jìn)展相關(guān)的容錯(cuò)控制技術(shù)。最后,對(duì)W S Ns容錯(cuò)控制技術(shù)存在的問(wèn)

27、題與未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了探討。參考文獻(xiàn):1任豐原,黃海寧,林闖.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)J.軟件學(xué)報(bào),2003,14(7:1282-1291.2Basile C,GuptaM,K al barcz yk Z,et a.l An app roach for det ecti ngand d istingu i sh i ng errors versus attacks i n sensor net w orksCMProceed i ngs of the2006Internati onal Conference on D ependab l eSyste m s and N et w orks,2006:47

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