基于正交溯源的WSN异常节点发现方法及系统与流程

本发明涉及无线传感器网络应用技术领域，特别涉及一种基于正交溯源的无线传感器网络异常节点发现方法及系统。

背景技术：

无线传感器网络(wirelesssensornetworks，wsn)是由部署在监测区域内，具有数据采集、通信、存储和处理能力的传感器节点构成的自组织通信系统，其中，每一个传感器为网络的一个节点，用于环境感知，并将感知的数据以多跳方式传输到基站。在无线传感器网络中，由于工作位置、性能配置、布局设计以及其它人为或者自然等因素，各传感器节点的工作状态差异较大，因而无线传感器网络中通常存在很多异常节点，这些异常节点主要包括：(1)离散节点，即：与其他节点之间无数据传输的非连通节点；(2)闲置节点，即：低负载或空负载节点；(3)过载节点，即：负载过重的繁忙节点；(4)失效节点，即：因能量耗尽或中途故障等原因导致不能承担通信任务的节点。由于大量廉价的传感器节点部署在不可控的环境中，无线传感器网络中上述节点的出现概率很高，而这些节点的存在极大地降低了无线传感器网络的服务质量，成为影响wsn连通性、稳定性和可用性的主要原因，因此，及时有效的发现和处置这些异常传感器节点，对wsn的整体运行性能至关重要。

针对上述问题，本发明从数据溯源角度提出一种识别wsn中上述四类异常节点的新方法。无线传感器网络的数据溯源是指对基站接收的数据进行追溯，还原出该数据在传输过程中的传输路径。通过对大量数据传输路径的收集和拟合，可得到单位时间周期内由wsn节点和通信链路形成的传输拓扑，以及各传感器节点的活跃(繁忙)情况。根据传输拓扑，可直观地区分wsn的离散节点；通过对节点活跃性的定量分析，可发现wsn的闲置节点和过载节点；由于wsn的传输拓扑具有随时间演变的动态性，因而从不同时段获得的传输拓扑中，可以跟踪各节点的活跃度，发现失效节点。

从上述分析可知，数据溯源是发现上述四类异常节点的关键步骤。

为实现wsn的数据溯源，需对wsn数据传输过程的相关信息进行标记，以便在基站根据这些信息还原出数据的传输路径，这些信息被称为wsn的数据溯源信息。目前，wsn数据溯源技术存在溯源信息量无上限的问题，即：溯源信息量正比于转发节点的数量。由于传感器节点的计算能力和存储能力均有限，如何控制溯源信息量便成为wsn数据溯源技术的关键问题。为解决这一问题，发明人在基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9中提出一种基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法，此方法为每个节点分配一个唯一且互为正交的标识序列，利用向量的正交特性实现路由节点标识序列的叠加复用，即：各路由节点在转发数据之前，将自己的标识序列与数据包中的溯源数据进行叠加，而基站则利用标识序列的正交性，从数据包的叠加编码中分离出参与数据包转发的各路由节点的标识信息。此方法可有效解决溯源信息无上限问题，但该方法的溯源数据中不含转发顺序信息，因而从溯源数据中仅能得知哪些节点参与了转发，无法得知这些节点的实际转发顺序，为此，基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9采用icmp协议来重构传输路径，但icmp协议给出的是一种近似溯源结果，其所重构的传输路径与实际传输路径之间存在一定概率的误差。

技术实现要素：

本发明提供一种基于正交溯源的wsn异常节点发现方法及系统。本发明所述无线传感器网络异常节点，是指wsn中的离散节点、闲置节点、过载节点和失效节点；所述离散节点是指与其他节点之间无数据传输的非连通节点；所述闲置节点是指wsn中低负载或空负载节点；所述过载节点指wsn中负载过重的繁忙节点；所述失效节点是指因能量耗尽或中途故障等原因导致不能承担通信任务的节点。所述正交溯源，指基站采用基于正交标识的wsn数据溯源方法对所接收的数据包进行追溯，还原出该数据包的实际传输路径。

为了提供精确的数据传输路径，本发明对基于伪随机序列的无线传感器网络数据溯源方法.中国发明专利，申请号：201510646810.9提出的数据溯源方法进行改进和延伸：将节点转发顺序信息添加到溯源信息中，使溯源信息内含路由节点的转发顺序信息；在基站端，不再使用icmp协议，而是继续利用节点标识序列的正交特性，通过计算溯源数据与各节点标识序列的规格化内积，来分离当前数据包传输过程中各路由节点的标识信息和转发顺序，从而还原出数据包的精确传输路径。

本发明所述基于正交溯源的wsn异常节点发现方法，包含数据溯源、传输拓扑发现和异常节点发现三个关键步骤：首先，通过数据溯源获得数据的实际传输路径；然后，利用正交溯源所得到的数据传输路径，来拟合wsn的传输拓扑；最后，根据传输拓扑的连通性发现离散节点，根据传输拓扑中节点的活跃性来发现wsn的闲置节点和过载节点，通过监测节点的活跃度变化情况来发现失效节点。本发明所述传输拓扑，是指由基站所辖区域内各传感器节点及其通信链路形成的反映数据实际通信过程的逻辑拓扑。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于正交溯源的wsn异常节点发现方法，包括：数据溯源、传输拓扑发现和异常节点发现三个阶段；

所述数据溯源阶段：对基站收到的数据包进行追溯，还原出该数据包的实际传输路径，此阶段包含三部分内容：(1.1)：正交溯源配置：给无线传感器网络中所有传感器节点分配正交标识，以及确定溯源信息的载体协议；(1.2)：溯源信息标记：各传感器节点对数据包中的溯源数据字段内容进行叠加复用；(1.3)传输路径重构：基站通过将数据包的溯源数据字段内容与所辖区域内各个传感器节点的正交标识分别进行规格化内积计算，得到参与当前数据包传输的传感器节点标识及其转发顺序，据此还原出数据包的实际传输路径；

所述传输拓扑发现阶段：按照(1.3)所述方法对接收的数据包进行溯源，获得数据包的实际传输路径，根据所得到的传输路径来拟合无线传感器网络的传输拓扑，并累计传输路径中节点出现的频次，所述频次即为wsn传输拓扑中节点的活跃性度量；

所述异常节点发现阶段：根据传输拓扑发现阶段所得到的传输拓扑的连通性发现离散节点，根据节点的活跃度发现闲置节点和过载节点，通过监测节点的活跃度变化情况发现失效节点。

所述(1.1)：正交溯源配置，包括以下两个子步骤：

步骤(1.1.1)：分配正交标识；

无线传感器网络中的每一个传感器节点noder均分配有一个唯一且与其他传感器节点互为正交的正交标识vr＝(vr,1,vr,2,…,vr,n)，vr,k＝1或-1,k＝1,2,…,n,n表示正交标识的维数；r＝1,2,…,r,r表示传感器节点的个数；noder表示第r个传感器节点；vr表示第r个传感器节点的正交标识；vr,n表示第r个传感器节点的正交标识的第n项；

步骤(1.1.2)：确定载体协议；

选取溯源信息的载体协议，根据载体协议的语法规则，在数据包的首部或数据包间隔等位置设置溯源数据字段，用于携带溯源信息。

所述步骤(1.1.1)：

所述互为正交是指任意两个传感器节点nodep和nodeq的正交标识vp＝(vp,1,vp,2,…,vp,n)与vq＝(vq,1,vq,2,…,vq,n)相互正交，即：

所述传感器节点正交标识的生成，可采用现有的正交向量生成方法。

无线传感器网络中每个基站都记录其所辖区域内各传感器节点的正交标识。

由于通常无线传感器网络含大量传感器节点，为减少正交标识的长度，可根据无线传感器网络的规模设定仅在同一个基站的所辖区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性，或对无线传感器网络进行分区，设定在一个区域内各传感器节点的正交标识具有唯一性。

所述步骤(1.1.2)中：

所述载体协议是指作用于传感器节点与基站之间，可携带溯源信息的wsn数据通信协议。

所述(1.2)：标记溯源信息；

发送数据包的传感器节点，在发送数据之前，将自己的正交标识写入当前溯源数据字段；数据包在传输过程中，每经过一个路由节点，在转发数据之前，该路由节点执行以下步骤：

(1.2.1)读取数据包的当前跳数k和数据包的溯源数据字段值wk＝(wk,1,wk,2,…,wk,n)；

(1.2.2)将溯源数据字段值wk与自己的正交标识v＝(v1,v2,…,vn)按公式1进行叠加运算；

wk+1＝wk+k·v(公式1)

其中：wk+1＝(wk+1,1,wk+1,2,…,wk+1,n)；wk+1,i＝wk,i+k·vi,i＝1,2,…,n

(1.2.3)运算后的叠加编码wk+1写入数据包的溯源数据字段；

所述(1.3)：传输路径重构：

设w＝(w1,w2,…,wn)为基站所读取的溯源数据字段内容，vt＝(vt,1,vt,2,…,vt,n)为基站所辖区域内任意节点nodet的正交标识，则所述规格化内积计算公式如公式2；

其中，若内积值τ≠0，则τ即为节点nodet在当前数据包传输中的转发次序；若τ＝0，则节点nodet未参与当前数据包的转发。

所述传输拓扑发现阶段，分为以下步骤：

步骤(2.1)：对基站的传输拓扑进行初始化；

设tp(b)为当前基站b所辖区域的传输拓扑，记tp(b)＝(n^b,e^b)，

其中，n^b＝{n1,n2,…,nm}为基站b所辖区域传感器节点的集合，m为节点数量；

e^b＝{<ni,nj>|ni,nj∈n^b}为通信链路的集合，<ni,nj>为链路边，表示自节点ni到nj是一条数据传输链路，

对任意nj∈n^b，记x(nj)为节点nj的活跃度权值；

将基站b的传输拓扑tp(b)中链路集合e^b初始化为空集，所辖区域各节点的活跃度权值初始化为零，即：对任意nj∈n^b，x(nj)←0；其中，“←”表示赋值；例如：x(nj)←0表示将x(nj)赋值为零。

步骤(2.2)：基站每收到一个数据包，均执行以下子步骤：

步骤(2.2.1)：对接收的数据包进行溯源；

设d为基站接收的当前数据包，通过数据溯源，得到该数据包在传输过程中所经过的实际传输路径p(d)＝{<nd,1,nd,2,…,nd,t>}，其中，nd,k∈n^b，k＝1,2,…,t，t为路径长度，nd,1为d的源发送节点，nd,k表示数据包d的传输路径上的第k个节点。

步骤(2.2.2)：根据溯源结果对传输拓扑进行拟合；

将传输路径p(d)中所有链路边均加入链路集合e^b，并累计各节点的活跃度权值。即：

e^b←(e^b∪{<nd,1,nd,2>,<nd,2,nd,3>,…,<nd,t-1,nd,t>})；

并且，节点的活跃度权值：x(nd,k)←(x(nd,k)+1)，k＝1,2,…,t；

其中，x(nd,k)表示节点nd,k的活跃度权值；

步骤(2.3)：输出传输拓扑；

设置拓扑发现时间点，重复执行步骤(2.2)直到拓扑发现时间点，输出得到的传输拓扑(n^b,e^b)，并且，

对任意nk∈n^b，输出节点nk的活跃度权值x(nk)；

所述异常节点发现阶段；

设置传感器节点活跃度低临界阈值α、高临界阈值β，设置监测周期t、离散节点监测频度ω1、闲置节点监测频度ω2、过载节点监测频度ω3、失效节点监测频度ω4；

基站对所辖区域的所有传感器节点进行监测，在每个监测周期内，基站对所接收的各数据包按照传输拓扑发现阶段所述方法得到当前监测周期的传输拓扑，则：

在距离当前时间最近的连续ω1个监测周期内，若存在节点nk∈n^b，nk与其他任何节点之间没有链路边，则节点nk为离散节点；

在距离当前时间最近的连续ω2个监测周期内，若存在节点nk∈n^b，其活跃度权值x(nk)均小于α，则节点nk为闲置节点；

在距离当前时间最近的连续ω3个监测周期内，若存在节点nk∈n^b，其活跃度权值x(nk)均大于β的节点，则节点nk为过载节点；

在距离当前时间最近的连续ω4个监测周期内，若存在时间点t′，在t′之前某节点nk∈n^b的活跃度权值x(nk)均不为零，而在t′之后x(nk)不发生变化，则节点nk为失效节点。

基于正交溯源的wsn异常节点发现系统，包括：数据溯源、传输拓扑发现和异常节点发现三个模块；

所述数据溯源模块：用于实现对数据包传输路径的溯源，还原数据包的实际传输路径；

所述传输拓扑发现模块：此模块在基站中运行，其作用是：根据所述数据溯源模块得到的数据包传输路径来拟合无线传感器网络的传输拓扑，并累计传输路径中各节点的活跃度权值，在设定的时间点输出传输拓扑。

异常节点发现模块：此模块在基站中运行，其作用是：设置拓扑监测周期和监测频度，对所述传输拓扑发现模块所得到连续时段的传输拓扑进行监测，根据传输拓扑的连通性发现离散节点，根据传输拓扑中节点的活跃度权值来发现wsn的闲置节点和过载节点，通过监测节点的活跃度变化情况来发现失效节点。

所述数据溯源模块由三部分组成：

正交标识分配单元：此单元在基站或其他wsn管控站点中运行，其作用是：生成正交标识集，给wsn中各传感器节点分配正交标识；

溯源信息标记单元：此单元在各传感器节点中运行，其作用是：当需要发送数据包时(当前节点为源发送节点)，将当前节点的正交标识写入数据包的溯源数据字段；当需要转发数据包时(当前节点为路由节点)，读取该数据包的溯源数据字段和跳数字段，将所读取的字段内容与当前节点的正交标识进行叠加运算，并将运算结果写入数据包的溯源数据字段中。

传输路径重构单元：此单元在基站中运行，其作用是：当收到数据包时，读取该数据包的溯源数据字段内容，通过将溯源数据与基站所辖区域内各个传感器节点的正交标识分别进行规格化内积计算，获得参与当前数据包转发的各路由节点标识及其转发次序，并依此还原数据包的传输路径。

本发明的创新性

1本发明提供一种根据数据溯源结果发现wsn异常节点的新方法，通过数据溯源获得数据包的实际传输路径，利用传输路径来拟合wsn的传输拓扑，根据传输拓扑的连通性和各节点的活跃度来发现异常节点。

2本发明将无线传感器网络中数据包的路由顺序信息融入基于正交叠加的溯源信息中，使wsn的溯源信息同时具有可正交复用和内含路由顺序两种关键特征，其中，可正交复用特性解决了溯源信息量规模问题，内含路由顺序则实现了数据传输路径的精确溯源，即：以有限的开销实现了wsn数据传输路径的精确溯源。

3本发明提供一种发现离散节点、闲置节点、过载节点和失效节点的综合解决方案。

本发明的有益效果

1本发明提供一种发现wsn离散节点、闲置节点、过载节点和失效节点的简单有效的新方法，为无线传感器网络的稳定性监控与服务质量分析提供了重要依据。

2本发明提供了一种以有限的开销实现无线传感器网络数据传输路径精确溯源的新方法，解决了现有无线传感器网络数据溯源技术中存在的溯源数据量不可控与传输路径不能精确还原的问题。

3本发明所述方法设计巧妙，方法简单，且对传感器节点资源占用小，具有良好的可实现性。

附图说明

图1是本发明溯源数据标记流程图；

图2是本发明传输路径重构流程图；

图3是本发明传输拓扑拟合流程图；

图4是本发明异常节点发现示意图；

图5(a)-5(d)是本发明所述传输拓扑发现及其演变示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，路由节点在转发数据包之前，读取数据包的溯源数据字段值，将该溯源数据字段值与自己的正交标识及转发顺序进行叠加运算，将所得叠加编码写入中数据包的溯源数据字段中。

如图2所示，数据包携带溯源数据传至基站时，基站读取该数据包的溯源数据字段，通过规格化内积运算，提取参与该数据包传输的所有节点标识及其路由次序信息，并以此还原出数据包的传输路径。

如图3所示，基站收到数据包d后，首先对数据包d进行溯源，获得d的实际传输路径<nd,1,nd,2,…,nd,t>，然后将该路径中各链路边均加入链路集合e^b中，并对传输路径中节点出现的频次进行累计，该累计频次即为wsn传输拓扑中节点的活跃性度量。

如图4所示，数据溯源阶段得到数据包的实际传输路径，拓扑发现阶段利用数据传输路径来拟合wsn的传输拓扑，异常节点发现阶段根据传输拓扑的连通性和各节点的活跃度来发现四类异常节点。

表1和图5(a)-5(d)为本发明所述方法的示例：设某基站所辖区域传感器节点集合为{n1,n2,n3,n4,n5,n6,n7,n8}，设置拓扑发现时间点为：t1、t2、t3和t4，基站在各时间点数据溯源统计结果如表1所示，其中，t3至t4时段内存在时间点t’，自t’到t4时间段内，测得节点n3的活跃度权值未发生变化。

表1某基站在不同时间点数据溯源统计结果示例表

基于上述描述，在每个时间点，基站对所得到的数据包的溯源结果按照图3所示的拟合步骤，生成传输拓扑，图5(a)为t1时刻的传输拓扑图；图5(b)为t2时刻的传输拓扑图；图5(c)为t3时刻的传输拓扑图；图5(d)为t4时刻的传输拓扑图(虚线链路边表示自t’到t4时间段内，节点n3与其他节点无链路边)。图5(a)-5(d)中节点旁边的数字表示节点的活跃度权值。从图5(a)-5(d)中可以看出：节点n8与其他节点之间没有链路边，因此节点n8为离散节点同时也是闲置节点，节点n3为过载节点，在t3至t4时段，节点n3变为失效节点。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。