[发明专利]基于神经网络的水下无线传感器网络异常诊断方法

说明书

本发明的基于神经网络的水下无线传感器网络异常诊断方法，包括：a).水下传感网络的建立；b).构建神经网络模型；c).数据预处理；d).构建异常诊断模型；e).运行环境构建；f).水下汇聚节点对数据进行分类。本发明的水下无线传感器网络异常诊断方法，将训练好的异常诊断模型和参数部署于水下汇聚节点上，由水下汇聚节点根据获取的每个水下传感节点的上传数据对其进行实时诊断，当检测出水下传感节点出现失效节点、故障节点、外部攻击节点或内部攻击节点时，则采取相应的应对措施，最大限度地保证水下无线传感器网安全，最大限度地保证其长期稳定运行。

技术领域

本发明涉及一种水下无线传感器网络异常诊断方法，更具体的说，尤其涉及一种基于神经网络的水下无线传感器网络异常诊断方法。

背景技术

水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)具有低成本、自组织、分布式等特点，能够在海洋环境监测、资源开发、灾害预警和海洋军事活动等应用提供技术支持，因此UWSNs被广泛应用于海洋技术领域。作为无线传感器网络的分支，UWSNs在体系架构、网络分层、支撑技术等技术领域与陆地无线传感器网络大致相同。

但由于水下工作环境的特殊性，UWSNs面临诸多限制和制约，主要表现在以下几方面：(1)能量极度受限：水下传感器节点布置于水下环境，无法进行有线充电，无法采用太阳能电池，不便进行电池更换，因此，能量问题是UWSNs的首要问题；(2)工作环境恶劣：水下环境未知多变，海水腐蚀性、洋流、海洋生物等因素都对水下传感器节点的物理安全造成威胁，导致节点异常，甚至可能影响整个网络寿命；(3)面临安全威胁：对于某些应用，水下传感器节点部署于敌对海域，节点面临被破坏、被破解、恶意攻击者伪装成合法节点等安全威胁。

由于受到上述因素制约，UWSNs面临不同的异常状况，根据故障原因可将水下传感器节点分为正常节点、失效节点、故障节点、外部攻击节点、内部攻击节点。(1)正常节点：所述正常节点是指节点未出现异常状况，工作状态正常，能够有效进行数据感知和传输；(2)失效节点：所述失效节点是指节点出现异常状况，无法正常工作，包括能量耗尽、遭受物理性损伤等情况，无法进行数据感知和传输；(3)故障节点：所述故障节点是指节点感知数据在一段时间或持续偏离正常的范围；(4)外部攻击节点：所述外部攻击节点是指不属于网络中的合法节点，可以进行恶意攻击，包括但不限于拥塞攻击、耗尽攻击、虫洞攻击等方式；(5)内部攻击节点：所述内部攻击节点是指原属于网络中的合法节点，但被俘获破解及篡改后，重新注入到网络中，可以进行恶意攻击，包括但不限于黑洞攻击、贪婪攻击、汇聚攻击、耗尽攻击等方式。

现有的适用于陆地无线传感器网络的异常诊断方法可分为集中式和分布式两类。所述集中式异常诊断方法是将网络中所有传感器节点的感知数据通过多跳的方式传输到基站，基站通过对节点数据的分析得到节点的故障诊断状态。基于神经网络的异常诊断方法对传感数据或行为进行分类，从而实现对节点的分类。所述的集中式异常诊断方法虽然诊断精度较高，但由于传感器节点需要经由多跳将数据转发至基站，则靠近基站的节点能量会被迅速的消耗，从而使整个网络瘫痪，大大缩短了网络生存期。所述的分布式异常诊断方法能够解决了这一问题，传感器节点对比自身和邻近节点的感知数据，通过相似性来判断邻近节点的状态。所述该种方法不再需要将感知数据转发至基站，只需和邻近节点进行数据交换即可，减少了能量的损耗，但每个传感节点都需和邻近节点进行数据交换，对于UWSNs而言，水声信号的发送和接收能耗巨大，额外的数据交换会消耗过多的能量。基于上述分析可见，现有的适用于陆地无线传感器网络的异常诊断方法，并不适用于UWSNs。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于神经网络的水下无线传感器网络异常诊断方法。

本发明的基于神经网络的水下无线传感器网络异常诊断方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：