[發明專利]基于正交溯源的WSN異常節點發現方法及系統

有效

• 申請號: 201710369927.6
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107222880B
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 程杰;陳龍
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W40/24;H04W84/18
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 黃海麗

本發明公開了基于正交溯源的WSN異常節點發現方法及系統，包含數據溯源、傳輸拓撲發現和異常節點發現三個階段。所述數據溯源階段：數據包傳輸過程中，通過路由節點的正交標識與溯源數據的疊加復用實現溯源信息的標記，基站收到數據包后，通過規格化內積計算，從溯源數據中提取參與該數據包轉發的各路由節點及其轉發次序，并依此還原數據包的傳輸路徑；所述傳輸拓撲發現階段：利用數據溯源所得到的數據傳輸路徑，來擬合WSN的傳輸拓撲和累計節點的活躍度權值；所述異常節點發現階段：根據傳輸拓撲的連通性發現離散節點，根據傳輸拓撲中節點的活躍度來發現WSN的閑置節點和過載節點，通過監測節點的活躍度變化情況來發現失效節點。

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡應用技術領域，特別涉及一種基于正交溯源的無線傳感器網絡異常節點發現方法及系統。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在監測區域內，具有數據采集、通信、存儲和處理能力的傳感器節點構成的自組織通信系統，其中，每一個傳感器為網絡的一個節點，用于環境感知，并將感知的數據以多跳方式傳輸到基站。在無線傳感器網絡中，由于工作位置、性能配置、布局設計以及其它人為或者自然等因素，各傳感器節點的工作狀態差異較大，因而無線傳感器網絡中通常存在很多異常節點，這些異常節點主要包括：(1)離散節點，即：與其他節點之間無數據傳輸的非連通節點；(2)閑置節點，即：低負載或空負載節點；(3)過載節點，即：負載過重的繁忙節點；(4)失效節點，即：因能量耗盡或中途故障等原因導致不能承擔通信任務的節點。由于大量廉價的傳感器節點部署在不可控的環境中，無線傳感器網絡中上述節點的出現概率很高，而這些節點的存在極大地降低了無線傳感器網絡的服務質量，成為影響WSN連通性、穩定性和可用性的主要原因，因此，及時有效的發現和處置這些異常傳感器節點，對WSN的整體運行性能至關重要。

針對上述問題，本發明從數據溯源角度提出一種識別WSN中上述四類異常節點的新方法。無線傳感器網絡的數據溯源是指對基站接收的數據進行追溯，還原出該數據在傳輸過程中的傳輸路徑。通過對大量數據傳輸路徑的收集和擬合，可得到單位時間周期內由WSN節點和通信鏈路形成的傳輸拓撲，以及各傳感器節點的活躍(繁忙)情況。根據傳輸拓撲，可直觀地區分WSN的離散節點；通過對節點活躍性的定量分析，可發現WSN的閑置節點和過載節點；由于WSN的傳輸拓撲具有隨時間演變的動態性，因而從不同時段獲得的傳輸拓撲中，可以跟蹤各節點的活躍度，發現失效節點。

從上述分析可知，數據溯源是發現上述四類異常節點的關鍵步驟。

為實現WSN的數據溯源，需對WSN數據傳輸過程的相關信息進行標記，以便在基站根據這些信息還原出數據的傳輸路徑，這些信息被稱為WSN的數據溯源信息。目前，WSN數據溯源技術存在溯源信息量無上限的問題，即：溯源信息量正比于轉發節點的數量。由于傳感器節點的計算能力和存儲能力均有限，如何控制溯源信息量便成為WSN數據溯源技術的關鍵問題。為解決這一問題，發明人在基于偽隨機序列的無線傳感器網絡數據溯源方法.中國發明專利，申請號：201510646810.9中提出一種基于偽隨機序列的無線傳感器網絡數據溯源方法，此方法為每個節點分配一個唯一且互為正交的標識序列，利用向量的正交特性實現路由節點標識序列的疊加復用，即：各路由節點在轉發數據之前，將自己的標識序列與數據包中的溯源數據進行疊加，而基站則利用標識序列的正交性，從數據包的疊加編碼中分離出參與數據包轉發的各路由節點的標識信息。此方法可有效解決溯源信息無上限問題，但該方法的溯源數據中不含轉發順序信息，因而從溯源數據中僅能得知哪些節點參與了轉發，無法得知這些節點的實際轉發順序，為此，基于偽隨機序列的無線傳感器網絡數據溯源方法.中國發明專利，申請號：201510646810.9采用ICMP協議來重構傳輸路徑，但ICMP協議給出的是一種近似溯源結果，其所重構的傳輸路徑與實際傳輸路徑之間存在一定概率的誤差。

發明內容