夏曉峰，　何常勝

(韶關學院 韶州師范分院，廣東 韶關 512009)

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LSM結合鄰居干擾抵抗模型的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點故障檢測*

夏曉峰*，何常勝

(韶關學院 韶州師范分院，廣東 韶關 512009)

針對大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network, WSN)故障檢測算法容錯性較差的問題，提出一種基于鏈路切換機制(LSM)和鄰居干擾抵抗模型的WSN節(jié)點故障檢測算法.仿真實驗從數(shù)據(jù)包分組傳輸率、控制負載、內存負載和故障恢復延遲四個方面評價該算法，結果表明，當節(jié)點傳輸功率提高至4 mW時，數(shù)據(jù)包傳輸率提高了5%以上，恢復延遲平均降低了4 ms左右，適用性非常好.相比現(xiàn)有的WSN故障檢測算法，該算法取得了更好的性能.

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)；故障檢測；容錯性；電池能量；干擾抵抗模型；鏈路切換機制

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)已經(jīng)廣泛應用于監(jiān)控不同區(qū)域的物理狀況，例如地理區(qū)域、農(nóng)業(yè)土地、辦公樓、工業(yè)廠房和戰(zhàn)場等.WSN受不同環(huán)境影響會產(chǎn)生不同類型故障，例如外部干擾和內部故障(電池故障、處理器故障和收發(fā)器故障等).在這些情況下，傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)不能順利傳送給數(shù)據(jù)中心，沒有實現(xiàn)部署WSN的目的，同時由于人工持續(xù)監(jiān)控網(wǎng)絡比較困難，因此WSN節(jié)點的故障處理能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪m當次序顯得非常重要[1].已經(jīng)有很多研究者對WSN故障節(jié)點檢測作了相關研究，例如，[2]提出了入侵故障容錯路由方法，該方法可以提供更好的可靠性安全多路徑路由，同時多路徑選擇被用來提高網(wǎng)絡的耐受性和節(jié)約能源.不過網(wǎng)絡容錯較低，確定節(jié)點的活動或休眠狀態(tài)較差.[3]提出兩層傳感器網(wǎng)絡架構，其中一些中繼節(jié)點作為高功率簇頭，抵御節(jié)點故障.負載均衡路由提供容錯用于傳感器節(jié)點和中繼節(jié)點的增強，限制最大能耗的中繼節(jié)點.單高功率簇頭帶來了整體能耗的增加.為了使網(wǎng)絡能無故障運行且增強網(wǎng)絡容錯能力，提出一種基于鏈路切換機制(LSM)和鄰居干擾抵抗模型的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點故障檢測算法.主要貢獻如下：1)根據(jù)節(jié)點電量和干擾等參數(shù)模擬節(jié)點活動狀態(tài)來識別故障節(jié)點；2)設計基于節(jié)點電量和干擾模型的容錯機制；3)無論什么時候，一個節(jié)點的電量低于閾值時，對鄰居節(jié)點執(zhí)行切換機制.如果鄰居節(jié)點沒有參與通信，動態(tài)調節(jié)鄰居節(jié)點的功率.

1　提出的WSN節(jié)點故障檢測算法

1.1鏈路切換

在活動窗口時間，當電池電量低于bth時節(jié)點間就會發(fā)生通信故障(該節(jié)點稱為故障節(jié)點)，如圖1所示.容錯性通過監(jiān)控故障節(jié)點電量且用其他鏈路代替故障鏈路來保證故障節(jié)點信息能有效傳遞[4].為了提高PDR和WSN的容錯性，本文使用切換機制恢復故障節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸任務，提高活動節(jié)點數(shù)量和網(wǎng)絡容錯能力.故障節(jié)點傳輸?shù)膮?shù)如下：源節(jié)點地址、sink節(jié)點地址、先前跳節(jié)點地址、下一跳節(jié)點地址和時間戳.有最高電量的鄰居節(jié)點使用這些參數(shù)且對下一跳鄰居節(jié)點建立路由從而恢復通信.算法1描述了鏈接切換過程.術語[5]：b[k]為第k個時間窗口故障節(jié)點的電量，bf為節(jié)點總電量，bth為電池電量閾值常量，n為鄰居節(jié)點數(shù)量，RQ為請求數(shù)據(jù)包，RP為響應數(shù)據(jù)包，bph為最高電池電量.

算法：鏈接切換機制

1：b[k]←bf；

2：bth=a，a為常量；

3：fork=1 tondo

4： if b[k]

5：故障節(jié)點發(fā)送RQ數(shù)據(jù)包給所有n-1個鄰居節(jié)點，除過下一跳鄰居節(jié)點；

6：故障節(jié)點接收來自n-1個鄰居節(jié)點響應數(shù)據(jù)包；

7：fori=1 ton-1 do

8： if bp[i]>bp[i+1] then

9：bth>bp[i]；

10：故障節(jié)點將鏈接切換參數(shù)發(fā)送給節(jié)點i；

11：節(jié)點i建立上跳節(jié)點到下跳節(jié)點的路由；

12： enf if

13：end for

14： end if

15：end for

1.2動態(tài)功率調整

當特定節(jié)點受到其他節(jié)點干擾時，它接收來自感興趣節(jié)點的信號自然會衰減,且感興趣節(jié)點傳輸?shù)男畔⒉荒鼙粶蚀_接收[6].因為節(jié)點傳輸功率與距離成正比，所以分配給每個節(jié)點的傳輸半徑應該能最小化該節(jié)點所能覆蓋的最大節(jié)點數(shù).如圖2所示.

為了減少干擾信號，使用動態(tài)功率調整機制，在該機制中，節(jié)點功率根據(jù)節(jié)點處于不同狀態(tài)而自動調整.如果節(jié)點希望傳輸數(shù)據(jù)包，則節(jié)點處于活動狀態(tài)，如果節(jié)點等待接收數(shù)據(jù)包，則節(jié)點處于睡眠狀態(tài).假設節(jié)點在活動狀態(tài)以最大功率傳輸數(shù)據(jù)包且在睡眠狀態(tài)以最小功率接收數(shù)據(jù)包，最小功率足夠保證正常鏈接.例如，如圖3所示，比較來自節(jié)點B的干擾信號與來自感興趣節(jié)點C的信號，干擾信號強度大大減弱，同時節(jié)點B以最小功率運行.

假設所有鄰居節(jié)點以相同功率傳輸信號且接收感興趣節(jié)點信號為S，根據(jù)[7]計算S/I：

(1)

式中S為節(jié)點k接收到感興趣鄰居節(jié)點的信號功率，I為其他鄰居節(jié)點的信號功率總和.鄰居節(jié)點的動態(tài)功率調整機制減少了重疊干擾的影響而不需考慮節(jié)點間的距離di.如果節(jié)點僅被允許在一個時間段傳輸信號，則可以避免同步傳輸.根據(jù)動態(tài)功率調整機制，來自睡眠狀態(tài)節(jié)點的干擾信號Iid功率總小于沒有使用功率調整機制的干擾信號I功率.因此使用動態(tài)功率調整機制的信噪比為

(2)

1.3故障恢復

在以下情況，WSN中的容錯性機制提高了網(wǎng)絡的使用壽命.(1)無論何時節(jié)點電量低于閾值，節(jié)點激活切換機制.(2)轉換非感興趣節(jié)點到睡眠狀態(tài)降低了干擾.通過參數(shù)α控制切換機制，通過γ控制睡眠狀態(tài).系統(tǒng)管理員控制α和γ.集成模型增加了WSN中活動節(jié)點數(shù)量來抵抗由于節(jié)點低電量導致的通信失敗或由于鄰居節(jié)點干擾導致節(jié)點故障.例如，當由于節(jié)點電量低于閾值而出現(xiàn)大量故障節(jié)點時，α保持一個較高值，當節(jié)點遭受高干擾時，γ保持較高值.目的是在節(jié)點電量低和節(jié)點遭受干擾時保持較高數(shù)量的活動節(jié)點.

故障恢復數(shù)據(jù)庫(Fault Recovery Database, FRD)[8]是存儲與故障恢復相關的額外節(jié)點信息，活動節(jié)點根據(jù)故障恢復機制處理故障.故障恢復操作涉及的節(jié)點為故障節(jié)點的鄰居節(jié)點.FRD包含參與故障節(jié)點恢復的每個節(jié)點的功率和鄰居節(jié)點傳輸信號的時間戳.

2　仿真實驗與分析

用C語言進行仿真實驗，在配置為酷睿雙核處理器、1.7 GHz主頻、2 GB內存的 PC機上完成.

2.1仿真過程

根據(jù)以下輸入完成仿真：l=1 000m,b=1 000m,N=[50-200]，bf=4mW,bdrain=[0.01mWperpacket],bth=0.1mW,β=3.0,r=350m,v=[0to24m/s],z=0.1ms,Trpkts=multipleof1 000BWsingle-hop=20Mbps.

評價以下4個性能參數(shù)：(1)數(shù)據(jù)包傳輸率(PDR).目的端接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量比上發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量.(2)控制負載.需要識別故障節(jié)點的控制數(shù)據(jù)包數(shù)量且利用容錯性模型使網(wǎng)絡中故障節(jié)點無效，因此提高系統(tǒng)性能.(3)內存負載.參與故障恢復機制的所有節(jié)點需要存儲在FRD中的平均比特位數(shù)據(jù).(4)故障恢復延遲.故障恢復需要的平均時間.定義如下：

(3)

式中dh為切換機制的平均延遲，di為動態(tài)干擾抑制時間延遲，k為鄰居節(jié)點數(shù)量.

2.2數(shù)據(jù)包傳輸率(PDR)

根據(jù)活動節(jié)點數(shù)量與故障節(jié)點數(shù)量的比值來評價PDR性能(節(jié)點傳輸功率設為2 mW).本文考慮三種情況：節(jié)點故障之前，節(jié)點故障后(要么電池低電量，要么來自鄰居節(jié)點的干擾)和使用本文算法AFTBI后.本文算法的PDR高于FDWSN[1]的PDR，因為后者使用瞬態(tài)階段故障檢測故障節(jié)點，它沒有考慮干擾情況.在AFTBI中，一旦算法確定了活動節(jié)點，則路由就十分穩(wěn)定，因此提高了PDR.

圖4顯示當節(jié)點傳輸功率提高至4 mW時，PDR的曲線圖.從圖中可以看出，PDR得到了改進，因為依次增加電池電量閾值bth和節(jié)點最大電量之間的差距，活動節(jié)點的數(shù)量也不斷增加.增加的活動節(jié)點數(shù)量提高了PDR.在FDWSN中使用相似閾值，但是PDR低于AFTBI算法中的PDR.因為FDWSN涉及比較鄰居節(jié)點參數(shù)的一些迭代，且該算法假設節(jié)點電池電量充足，因此減少了活動節(jié)點數(shù)量，從而降低了PDR.

2.3控制負載

圖5顯示了隨著節(jié)點數(shù)增加的控制負載曲線圖.對給定傳輸功率2 mW，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，兩種情況下的控制負載(控制數(shù)據(jù)包數(shù)量)不斷增加.可以看出AFTBI和FDWSN的控制負載比沒有使用容錯機制的控制負載高.這是因為AFTBI算法需要額外控制數(shù)據(jù)包實現(xiàn)切換機制和動態(tài)功率調整機制.然而，控制負載的增加提高了系統(tǒng)的容錯性且提高了PDR.FDWSN算法的控制負載比AFTBI控制負載高，因為FDWSN在瞬時故障檢測過程中使用一些迭代收集鄰居節(jié)點信息，從而檢測故障節(jié)點，而在AFTBI沒有該迭代過程.

2.4內存負載

圖6顯示了網(wǎng)絡節(jié)點存儲在FRD(比特位)中的額外內存負載，該負載是時間的函數(shù).圖7分別顯示了傳輸功率為2 mW和4 mW，且節(jié)點數(shù)為60時，AFTBI和FDWSN算法內存負載曲線圖.內存負載描述需要識別和恢復故障節(jié)點的平均比特位數(shù)量.

傳感器節(jié)點拓撲分布和故障節(jié)點的鄰居節(jié)點數(shù)量導致內存負載出現(xiàn)波動.在AFTBI算法中，較高傳輸功率(4 mW)的平均內存負載較低，因為存在較高的節(jié)點傳輸功率，所以與較低傳輸功率(2 mW)相比，活動節(jié)點的數(shù)可能比較多.針對較低傳輸功率，許多情況可能使得節(jié)點電量迅速降低且發(fā)生故障.AFTBI的內存負載低于FDWSN的內存負載，因為FDWSN需要更多內存來存儲變化的參數(shù).因此，AFTBI內存負載較小.

2.5恢復延遲

圖7顯示了100個節(jié)點和200個節(jié)點拓撲結構下AFTBI和FDWSN的恢復延遲.隨著故障節(jié)點數(shù)的增加，延遲也逐漸增加.因為隨著故障節(jié)點數(shù)的增加，恢復如此故障節(jié)點的時間也隨之增加，且增加的時間不合理，因為可能存在距離超過3跳的故障節(jié)點導致同步故障恢復，因此降低了故障恢復延遲.增加延遲的存在與故障節(jié)點數(shù)有關，可能因為鄰居節(jié)點變成故障節(jié)點且恢復機制以順序方式執(zhí)行.FDWSN的故障恢復延遲高于AFTBI的故障恢復延遲，因為FDWSN需要更多時間生成和計算瞬時故障矩陣，該矩陣需要時間冗余感知數(shù)據(jù)集.

本文提出使用電池電量模型和干擾模型設計一種基于活動節(jié)點的容錯機制來識別WSN中的故障節(jié)點.當節(jié)點電量低于一個閾值時，使用切換機制.在切換機制中，故障節(jié)點從鄰居節(jié)點中選擇電量最高的節(jié)點來代替它完成數(shù)據(jù)傳輸任務.本文使用動態(tài)功率調整機制抵抗鄰居節(jié)點的干擾.在分配時間段內，鄰居節(jié)點動態(tài)調整它們的功率來降低它們對故障節(jié)點的影響.本文通過PDR、控制負載、內存負載和故障恢復延遲評價算法性能.實驗結果顯示本文算法性能優(yōu)于FDWSN.

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責任編輯：龍順潮

Node Fault Detection for Sensor Network Based on LSM and Neighbor Interference Resistance Model

XIAXiao-feng*,HEChang-sheng

(Shaozhou Normal College of Shaoguan University, Shaoguan 512009 China)

As fault tolerance of general wireless sensor networks (WSN) fault detection is very poor, a fault-tolerant algorithm based on battery power and interference model is proposed. The toggle mechanism is used to enhance fault tolerance in low battery systems.The proposed algorithm is evaluated in four aspects of packet transmission rate, control load, memory load and recovery delayed.Simulation results show that the packet transmission rate is higher than that of FDWSN by around 5% when node transmission power increased to 4 mW, and the average delay recovery of the proposed algorithm is faster by about 4 ms. So the applicability is very good. The performance of the proposed algorithm is superior to traditional WSN fault detection algorithm.

wireless sensor network (WSN); fault detection; fault tolerance; battery power; interference model; link switching mechanism (LSM)

2015-06-23

韻關學院校級科研項目(SZSF20120301)

夏曉峰(1967-)，男，上海人，講師. E-mail:xiaxiaofenggd@126.com.

TP393

A

1000-5900(2016)01-0101-05