劉亞紅，劉 昊

(西安電子科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 西安710071)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量依靠微型電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，通過無線通信方式組成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者［1］。為了提高網(wǎng)絡(luò)的性能以及延長傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命，大多網(wǎng)絡(luò)都使用分簇協(xié)議［2］。然而網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，節(jié)點(diǎn)難免會出現(xiàn)各種故障。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)故障類型通常分為兩類［3］:硬故障和軟故障。所謂硬故障，是指傳感器節(jié)點(diǎn)的某一模塊發(fā)生故障，以至不能與其節(jié)點(diǎn)通信;所謂軟故障，指傳感器節(jié)點(diǎn)雖然發(fā)生故障，但仍可繼續(xù)工作并與其他節(jié)點(diǎn)通信，但節(jié)點(diǎn)所感知或傳送的數(shù)據(jù)不正確。

本文主要針對節(jié)點(diǎn)軟故障的檢測且不考慮瞬時故障［4］，假設(shè)N個節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在預(yù)設(shè)的區(qū)域內(nèi)，并都具有相同的傳輸距離。定義p為本文的軟故障率。

節(jié)點(diǎn)信息的空間相似性最早被KrishnamachariB.and lyenga等人在［5－7］中提出，該文獻(xiàn)指出了相鄰節(jié)點(diǎn)之間可以利用信息相似性作比較來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自診斷。文獻(xiàn)［8～9］提出節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的判斷要在給定閾值的基礎(chǔ)上，通過多次比較鄰居節(jié)點(diǎn)的信息來確定自身的狀態(tài)。文獻(xiàn)［10～11］主要研究了給定閾值的大小對整個區(qū)域中利用相鄰節(jié)點(diǎn)之間的感應(yīng)信息進(jìn)行診斷的影響。算法仿真結(jié)果說明當(dāng)閾值近似等于區(qū)域的節(jié)點(diǎn)度時，診斷效果最優(yōu)，然而當(dāng)節(jié)點(diǎn)度較低時，診斷效果極據(jù)下降。文獻(xiàn)［12～14］提出了分簇節(jié)點(diǎn)自診斷算法，簇頭的選擇都是建立在各種方法的診斷或眾多輪篩選來確定，在保證正確的簇頭基礎(chǔ)上再分簇進(jìn)行簇內(nèi)診斷。然而很多網(wǎng)絡(luò)最初就是以滿足分簇協(xié)議來傳播信息的，所以故障出現(xiàn)要直接進(jìn)行診斷。本文算法就是針對簇間診斷設(shè)計(jì)的，由于簇頭之間要進(jìn)行通信，及形成簇間連通圖，利用鄰居簇頭節(jié)點(diǎn)的信息空間相似性進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自診斷，再以給定的閾值為判斷標(biāo)準(zhǔn)，本文引用［10］中的自診斷方法及閾值結(jié)論來診斷簇頭的狀態(tài)，然而在文獻(xiàn)［10］中網(wǎng)絡(luò)空間中可能會出現(xiàn)兩層內(nèi)相鄰簇頭節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)故障的情況以及節(jié)點(diǎn)度較低的情況，該種情況通過其診斷算法難以保證診斷效果。所以本文引用診斷之后在對節(jié)點(diǎn)狀態(tài)檢驗(yàn)進(jìn)行二次調(diào)整，確保節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性較高。

1 網(wǎng)絡(luò)故障診斷

1.1 通過鄰居節(jié)點(diǎn)比較診斷

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的測量值都是空間相關(guān)的，即相鄰節(jié)點(diǎn)之間有著相似的信息值。根據(jù)這一性質(zhì)，將引用到文中的簇頭節(jié)點(diǎn)診斷中，假設(shè)簇頭節(jié)點(diǎn)形成一個連通網(wǎng)絡(luò)G，將診斷簇頭節(jié)點(diǎn)通過相鄰簇頭節(jié)點(diǎn)之間的信息進(jìn)行比較。本文列出符號定義如表1所示。

表1 相關(guān)定義

如表2所述，假設(shè)節(jié)點(diǎn)v1，v2，…，vj是vi的鄰居簇頭節(jié)點(diǎn)，比較vi與vj，如果滿足條件，則表示其兩信息相似，記為cij=0，其中cij的情況只有表2所示的4種。則繼續(xù)比較vi與其他鄰居節(jié)點(diǎn)的信息。記Ci為簇頭節(jié)點(diǎn)vi與鄰居節(jié)點(diǎn)所測的cij=0的個數(shù)，假如，則表示簇頭節(jié)點(diǎn)vi的狀態(tài)正常，記為Fi=0。

表2 信息比較結(jié)果

對所有di≥θ的簇頭節(jié)點(diǎn)按上述方法診斷出狀態(tài)，然后判斷得出的狀態(tài)與簇頭節(jié)點(diǎn)之間的cij值是否吻合。如簇頭節(jié)點(diǎn)vi的狀態(tài)根據(jù)上述方法診斷出正常，簇頭節(jié)點(diǎn)vj被診斷出故障，而其的cij=0，則表示實(shí)際中信息相似，而狀態(tài)診斷卻不同，因此不吻合。出現(xiàn)這種情況算法中將引用第二步檢驗(yàn)，如果節(jié)點(diǎn)vi的狀態(tài)與cij的值不吻合個數(shù)大于鄰居節(jié)點(diǎn)個數(shù)的1/2，則將改變節(jié)點(diǎn)vi的狀態(tài)為相反狀態(tài)。

1.2 算法描述

文獻(xiàn)［10］中的算法如表3所示，此算法主要是解決大面積區(qū)域且節(jié)點(diǎn)部署密集的情況，由于分簇網(wǎng)絡(luò)中首先要診斷簇頭節(jié)點(diǎn)確保簇頭節(jié)點(diǎn)的診斷精度高，簇頭連通圖中節(jié)點(diǎn)個數(shù)少，區(qū)域的節(jié)點(diǎn)度低。故用此算法對于簇頭間的診斷效果較低。而本文提出算法診斷簇頭節(jié)點(diǎn)效果較好。

表3 原算法

文中算法描述如下:

步驟1對每個被檢測簇頭節(jié)點(diǎn)vi，生成該簇頭節(jié)點(diǎn)的鄰簇簇頭節(jié)點(diǎn)集N(vi)，求出簇頭節(jié)點(diǎn)di以及簇頭節(jié)點(diǎn)構(gòu)成連通圖的d，初始化Fi=0，初始化θ。

2 仿真算例

2.1 數(shù)值例子

本文通過Matlab隨機(jī)形成一個分簇網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，作為特例來說明本算法。

圖1 分簇網(wǎng)絡(luò)

簇頭節(jié)點(diǎn)圖放大圖如圖2所示。

圖2 簇頭連通圖

假設(shè)實(shí)際故障節(jié)點(diǎn)為5、16、17、18、20。根據(jù)本文算法，首先假設(shè)20個節(jié)點(diǎn)初步為正常狀態(tài)，并求出平均節(jié)點(diǎn)度3.7，直接令θ=［d］=3，然后根據(jù)算法步驟2～步驟3，可初步診斷出節(jié)點(diǎn)F1=2，F(xiàn)2=0，F(xiàn)3=0，F(xiàn)4=0，F(xiàn)5=1，F(xiàn)6=1，F(xiàn)8=0，F(xiàn)9=0，F(xiàn)10=0，F(xiàn)11=0，F(xiàn)12=0，F(xiàn)14=0，F(xiàn)15=1，F(xiàn)16=1，F(xiàn)17=0，F(xiàn)18=1，F(xiàn)20=1。

初步診斷得到的節(jié)點(diǎn)重新構(gòu)成新的連通子圖如圖3所示。

圖3 二步診斷圖

便于理解，在圖中用T來表示Ft=0，F(xiàn)來表示Ft=1。根據(jù)步驟5可知，節(jié)點(diǎn)17與鄰居節(jié)點(diǎn)經(jīng)檢驗(yàn)共有3個信息不匹配，所以節(jié)點(diǎn)17的最終狀態(tài)由正常變?yōu)楣收螰17=1，同理可得F1=0，F(xiàn)2=0，F(xiàn)3=0，F(xiàn)4=0，F(xiàn)5=1，F(xiàn)8=0，F(xiàn)9=0，F(xiàn)10=0，F(xiàn)11=0，F(xiàn)14=0，F(xiàn)15=0，F(xiàn)16=1，F(xiàn)17=1，F(xiàn)20=1。根據(jù)步驟6由于F8=0，且C8，6=0，所以可知F6=0，同理可得F12=0，F(xiàn)18=1;在返回到原圖G中，由于C11，13=0，且F11=0，根據(jù)步驟7可得F13=1，同理可依次得出F7=0，F(xiàn)19=0。

通過以上數(shù)值舉例分析可看出，本文算法解決了節(jié)點(diǎn)誤診斷錯誤的情況，且可解決當(dāng)閾值取低節(jié)點(diǎn)度時，診斷率依然能夠保持較高，比較結(jié)果如圖4和圖5所示。

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 簇頭節(jié)點(diǎn)診斷結(jié)果

通過Matlab對上述比例的簇頭節(jié)點(diǎn)(20個)按診斷算法與故障診斷原算法［14］分別在節(jié)點(diǎn)故障率p為0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35下進(jìn)行20次仿真得到的診斷精確率，如圖4和圖5所示。如圖4在對其故障診斷精確率和原算法的診斷率進(jìn)行比較時得到故障率為0.35時，新算法仍能保持83.35%的診斷精度，而原算法診斷精度卻為75%。

圖4 故障診斷率比較結(jié)果

圖5 故障虛警率比較結(jié)果

2.2.2 整個區(qū)域節(jié)點(diǎn)診斷結(jié)果

由于此算法是建立在簇頭的連通圖上，簇頭被準(zhǔn)確診斷后，再延伸到簇內(nèi)，根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的相似值來診斷簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。通過Matlab對其算法進(jìn)行仿真，在簇頭通信半徑為30，簇內(nèi)通信半徑為20的情況下，分別在節(jié)點(diǎn)故障率p為0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35下對算法分別執(zhí)行20次后得到的故障診斷精度和故障虛警率如圖6所示。由此可看出此算法延伸到整個區(qū)域的準(zhǔn)確性較高。

圖6 整個網(wǎng)絡(luò)的故障診斷效果圖

3 結(jié)束語

對于分簇傳感網(wǎng)絡(luò)來說，簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目通常較少，而現(xiàn)有研究未能提供一個合理的算法使簇頭節(jié)點(diǎn)有較高的診斷精度。文中提出了基于分簇節(jié)點(diǎn)自診斷無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障診斷的算法，此算法能夠精確診斷出簇頭節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。同時，由于簇頭節(jié)點(diǎn)得到了精確的診斷，簇內(nèi)診斷的精確率便得到保障。仿真結(jié)果顯示整個網(wǎng)絡(luò)的診斷效果良好。但本文仍然存在一些問題，例如簇頭節(jié)點(diǎn)大面積出現(xiàn)故障的情況下，診斷精度急速下降，這將是今后研究的重點(diǎn)。

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