基于投票策略的容錯事件檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于投票策略的容錯事件檢測方法，包括順序執(zhí)行的如下步驟：（1）各個節(jié)點(diǎn)獲取自身的檢測數(shù)據(jù)；（2）基于直方圖對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯處理；（3）基于屬性的相關(guān)性對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行本地錯誤檢測，區(qū)分出LF節(jié)點(diǎn)和初步的Normal節(jié)點(diǎn)；（4）對初步的Normal節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地事件決策，區(qū)分出LE節(jié)點(diǎn)和Normal節(jié)點(diǎn)；（5）對LF節(jié)點(diǎn)和LE節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其鄰居節(jié)點(diǎn)的可信度；（6）基于可信度和距離權(quán)重投票，判斷節(jié)點(diǎn)為Event節(jié)點(diǎn)或Normal節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明提供的基于投票策略的容錯事件檢測方法，具有較高的事件檢測率和錯誤修正率，具有較低的事件誤報率和錯誤引入率，并具有較少的能力消耗。
【專利說明】基于投票策略的容錯事件檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中容錯事件檢測方法，尤其涉及一種基于投票策略的容錯事件檢測(Fault-tolerant Event Detection Algorithm based on Voting,簡稱FEDAV )方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,簡稱WSN)是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，用來實(shí)時地采集各種被監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)和信息，加以分析處理，將檢測結(jié)果提供給網(wǎng)絡(luò)的使用者。
[0003]WSN中的事件檢測，就是指檢測出事件發(fā)生的區(qū)域或邊界。對于具有特定特征的事件(例如，森林火災(zāi)發(fā)生時，局部區(qū)域的高溫，干燥等)，當(dāng)這類事件發(fā)生時，相應(yīng)傳感器的采樣值會偏離正常情況的采樣值。因此，若傳感器的采樣值達(dá)到一個事件閾值時，可以認(rèn)為傳感器的監(jiān)測區(qū)域發(fā)生了事件，稱為事件區(qū)域；否則，認(rèn)為該區(qū)域無事件發(fā)生，稱之為正常區(qū)域。
[0004]但是，惡劣的環(huán)境和傳感器本身的不可靠性，往往導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)或噪聲數(shù)據(jù)，從而影響整個網(wǎng)絡(luò)對事件區(qū)域的檢測。因此事件檢測必須考慮容錯處理，即在節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯誤時，或在噪聲數(shù)據(jù)的干擾下的，事件檢測算法仍具有較好的檢測性能。因?yàn)榄h(huán)境因素造成的事件或異常行為是空間相關(guān)的，而節(jié)點(diǎn)的故障或噪聲數(shù)據(jù)則是隨機(jī)不相關(guān)的，所以現(xiàn)有的事件檢測算法的容錯處理，大多依賴于傳感數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，通過鄰居節(jié)點(diǎn)之間交換數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯，如基于Bayesian理論的容錯，基于移動中位數(shù)的容錯，基于移動均值的容錯，基于投票的容錯算法等。
[0005]基于Bayesian 的容錯算法(Krishnamachari B, Iyengar S.Distributed OTDSAlgorithms for Fault-Tolerant Event Region Detection in Wireless SensorNetworks [J].1EEE Trans, Computers, 2004, 53(3): 241-250)是一種經(jīng)典的容錯算法，雖然具有較好的容錯性能，但僅僅依據(jù)和自己事件判決結(jié)果一致的鄰居個數(shù)是否達(dá)到半數(shù)，或者后驗(yàn)概率的大小來修正自己的事件決策結(jié)果，檢測準(zhǔn)確度不高，因?yàn)樵诳臻g冗余信息不足時，如對于事件邊界處的節(jié)點(diǎn)，容錯性能較差。而基于投票策略的容錯算法(Chen J, KherS，Somani A.Distributed Fault Detection of Wireless Sensor Networks[C].Proc ofthe2006fforkshop on Dependability Issues in Wireless Ad Hoc Networks and SensorNetworks, 2006:65-71)未考慮鄰居節(jié)點(diǎn)之間的距離因素，而不同遠(yuǎn)近的鄰居節(jié)點(diǎn)對中心節(jié)點(diǎn)的容錯作用是不同的。
[0006]基于空間相關(guān)性的容錯處理具有很好的容錯性能，但往往需要節(jié)點(diǎn)間頻繁交換數(shù)據(jù)，能量消耗很大。而且，如果檢測的數(shù)據(jù)本身包含錯誤，基于本地事件決策和鄰居協(xié)作處理，會產(chǎn)生錯誤的檢測結(jié)果。還應(yīng)看到，在無線傳感器網(wǎng)路中，每個節(jié)點(diǎn)具有不同的工作狀態(tài)和可靠性，因此，在投票處理中，各鄰居節(jié)點(diǎn)的投票權(quán)重也應(yīng)不同。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明從節(jié)點(diǎn)自身數(shù)據(jù)的時間相關(guān)性出發(fā)，考慮節(jié)點(diǎn)內(nèi)的容錯處理，采用基于直方圖和屬性相關(guān)性的容錯處理；在此基礎(chǔ)上，基于節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，給出一種基于投票策略的容錯事件檢測算法，具有事件檢測效果好、容錯處理效果好、且能量消耗低等優(yōu)點(diǎn)。
[0008]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]基于投票策略的容錯事件檢測方法，定義節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)如下:
[0010]Normal:表示節(jié)點(diǎn)Sltjeal的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無事件發(fā)生,節(jié)點(diǎn)Sltjeal未出現(xiàn)故障和錯誤；
[0011]LF:表示節(jié)點(diǎn)Sltxal可能出現(xiàn)故障或錯誤數(shù)據(jù)，用于節(jié)點(diǎn)Sltxal的本地事件判定中；
[0012]LE:表示節(jié)點(diǎn)Sltjeal監(jiān)測區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)事件,用于節(jié)點(diǎn)Sltjeal的本地事件判定中；
[0013]Event:表示節(jié)點(diǎn)Sltjcal監(jiān)測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)事件,用于節(jié)點(diǎn)Sltjcal投票決策中；
[0014]Fault:表示節(jié)點(diǎn)Sltjeal出現(xiàn)故障事件,且不能糾正,用于節(jié)點(diǎn)Sltjeal投票決策中；
[0015]包括順序執(zhí)行的如下步驟:
[0016](I)各個節(jié)點(diǎn)獲取自身的檢測數(shù)據(jù)；
[0017](2)基于直方圖對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯處理；
[0018](3)基于屬性的相關(guān)性對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行本地錯誤檢測，區(qū)分出LF節(jié)點(diǎn)和初步的Normal 節(jié)點(diǎn)；
[0019](4)對初步的Normal節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地事件決策，區(qū)分出LE節(jié)點(diǎn)和Normal節(jié)點(diǎn)；
[0020](5)對LF節(jié)點(diǎn)和LE節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其鄰居節(jié)點(diǎn)的可信度；
[0021](6)基于可信度和距離權(quán)重投票,判斷節(jié)點(diǎn)為Event節(jié)點(diǎn)或Normal節(jié)點(diǎn)。
[0022]具體的，所述步驟(2)中，基于直方圖對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯處理時，數(shù)據(jù)中心的獲取方法如下:
[0023](21)對于數(shù)據(jù)Xl，X2,…，Xn，根據(jù)各數(shù)據(jù)生成直方圖結(jié)構(gòu)，得到k個分組gl，g2,…，gi,…，gk ；
[0024](22)定義第i個分組的大小IgiI為第i個分組中包含的數(shù)據(jù)的個數(shù)，根據(jù)各個分組的大小由大到小排列得到gk’，…，g/，…，g2'，g/ ;
[0025](23)給定一個均值數(shù)據(jù)覆蓋度IV由大到小累積各組數(shù)據(jù)，直到組g/滿足下式:
[0026]
【權(quán)利要求】
1.基于投票策略的容錯事件檢測方法，其特征在于: 定義節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)如下: Normal:表示節(jié)點(diǎn)Sltrcal的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無事件發(fā)生,節(jié)點(diǎn)Sltrcal未出現(xiàn)故障和錯誤； LF:表示節(jié)點(diǎn)Sltrcal可能出現(xiàn)故障或錯誤數(shù)據(jù)，用于節(jié)點(diǎn)Sltrcal的本地事件判定中； LE:表示節(jié)點(diǎn)Sltrcal監(jiān)測區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)事件,用于節(jié)點(diǎn)Sltrcal的本地事件判定中； Event:表示節(jié)點(diǎn)Sltrcal監(jiān)測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)事件,用于節(jié)點(diǎn)Sltrcal投票決策中； Fault:表示節(jié)點(diǎn)Sltrcal出現(xiàn)故障事件,且不能糾正,用于節(jié)點(diǎn)Sltrcal投票決策中； 包括順序執(zhí)行的如下步驟: (1)各個節(jié)點(diǎn)獲取自身的檢測數(shù)據(jù)； (2)基于直方圖對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯處理； (3)基于屬性的相關(guān)性對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行本地錯誤檢測，區(qū)分出LF節(jié)點(diǎn)和初步的Normal節(jié)點(diǎn)； (4)對初步的Normal節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地事件決策，區(qū)分出LE節(jié)點(diǎn)和Normal節(jié)點(diǎn)； (5)對LF節(jié)點(diǎn)和LE節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其鄰居節(jié)點(diǎn)的可信度； (6)基于可信度和距離權(quán)重投票,判斷節(jié)點(diǎn)為Event節(jié)點(diǎn)或Normal節(jié)點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于投票策略的容錯事件檢測方法，其特征在于:所述步驟(2)中，基于直方圖對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行容錯處理時，數(shù)據(jù)中心的獲取方法如下:(21)對于數(shù)據(jù)X1,X2,…，xn,根據(jù)各數(shù)據(jù)生成直方圖結(jié)構(gòu),得到k個分組g” g2,…，gi；…，Sk ； (22)定義第i個分組的大小IgiI為第i個分組中包含的數(shù)據(jù)的個數(shù)，根據(jù)各個分組的大小由大到小排列得到gk’，…，g/，…，g2'，g/ ; (23)給定一個均值數(shù)據(jù)覆蓋度IV由大到小累積各組數(shù)據(jù)，直到組g/滿足下式: isi
/-1 (24)以組gr’，…，gk’包含的數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)中圯T
p=ii\s[\
i=r
7
此處 xZ e g;，i=r, r+1, "，k。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于投票策略的容錯事件檢測方法，其特征在于:所述步驟(3)中，基于屬性的相關(guān)性對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行本地錯誤檢測，區(qū)分出LF節(jié)點(diǎn)和初步的Normal節(jié)點(diǎn)，具體方法為:記節(jié)點(diǎn)的兩個強(qiáng)相關(guān)屬性X和Y的初始相關(guān)性為Rtl (X，Y)，實(shí)時相關(guān)性為R(X，Y)，對于一個相關(guān)性偏離度閾值I，若屬性相關(guān)性的變化程度滿足下式:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于投票策略的容錯事件檢測方法，其特征在于:所述步驟(4)中，對初步的Normal節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地事件決策，區(qū)分出LE節(jié)點(diǎn)和Normal節(jié)點(diǎn)，具體方法為: 設(shè)屬性X在正常情況下的平均取值為Mn，在事件發(fā)生時的平均取值為Me，Me>Mn,定義事件發(fā)生的閾值Xth為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于投票策略的容錯事件檢測方法，其特征在于:所述步驟(5)中，節(jié)點(diǎn)的可信度C通過下式計(jì)算:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于投票策略的容錯事件檢測方法，其特征在于:所述步驟(6)中，基于可信度和距離權(quán)重投票,判斷節(jié)點(diǎn)為Event節(jié)點(diǎn)或Normal節(jié)點(diǎn)，具體方法為: (61)定義Sltrcal為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，Si為Sltxal的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，則: 節(jié)點(diǎn)Si相對于節(jié)點(diǎn)Sltjeal的反距離權(quán)重InvDistWeightil為:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于投票策略的容錯事件檢測方法，其特征在于:當(dāng)節(jié)點(diǎn)Slocal的鄰居節(jié)點(diǎn)的冗余信息不足，無法依賴鄰居的投票糾正節(jié)點(diǎn)S1(x;al的錯誤狀態(tài)時，首先通過鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)估計(jì)節(jié)點(diǎn)Sltxal的檢測值f:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于投票策略的容錯事件檢測方法，其特征在于:對于沒有有效鄰居節(jié)點(diǎn)投票的節(jié)點(diǎn)Sltxal，若經(jīng)過投票處理的最終狀態(tài)為未定狀態(tài)，則設(shè)置節(jié)點(diǎn)S1(x;ai的狀態(tài)為Fault。
【文檔編號】H04W24/04GK103533571SQ201310552747
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】呂建華, 張柏禮, 王進(jìn)強(qiáng) 申請人:東南大學(xué)