無線傳感器網絡的拓撲維護（一）

摘 要：拓撲維護對無線傳感器網絡的運行至關重要，它旨在通過輪換節(jié)點角色、調用拓撲構建或維護算法來修復、重構當前的拓撲結構以提高網絡的生命周期。首先對拓撲維護進行了定義，描述了拓撲維護的設計目標，并設計了一個拓撲維護通用模型。然后闡述了拓撲維護技術的研究進展，并對其中有代表性的算法進行了比較分析。最后指出了目前拓撲維護研究中存在的問題及其發(fā)展趨勢。

　　無線傳感器網絡由于具有低功耗、低成本以及分布式和自組織等特點已被廣泛應用于軍事國防、工農業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療和搶險救災等領域。通常，一個無線傳感器網絡由成百上千傳感器節(jié)點組成，每個節(jié)點具有感知當前環(huán)境、通過廣播與鄰近節(jié)點進行通信以及對收集的信息執(zhí)行本地計算的能力。但是，這些能力對每個節(jié)點來說都很有限，尤其是節(jié)點的能量受限嚴重限制了網絡的生命周期，從而影響了網絡的服務質量和進一步應用。因此，近幾年來，許多研究人員對無線傳感器網絡的節(jié)能方面進行了大量的研究，從擁塞控制到數據壓縮，從睡眠調度到拓撲控制。目的是盡可能多的節(jié)省能量，最大化網絡生命周期。

　　拓撲控制作為無線傳感器網絡的一種關鍵節(jié)能技術，通常在保持網絡重要特性如連通和覆蓋的前提下改變、簡化或優(yōu)化網絡的拓撲來節(jié)省能量。而且，拓撲控制形成的良好網絡拓撲能夠提高路由協(xié)議和MAC 協(xié)議的效率。然而，拓撲控制通常被視為一個單一過程，它并未包括對網絡拓撲的維護，這影響拓撲控制算法的分類。目前的分類都局限于如何構建網絡的拓撲結構，而忽略拓撲控制中的拓撲維護。

　　雖然對拓撲維護進行了簡單定義，并根據目標優(yōu)化拓撲構建的時間將拓撲維護技術分為靜態(tài)、動態(tài)和混合拓撲維護。但文中并未對拓撲維護進行系統(tǒng)闡述，而對拓撲維護的定義又不嚴謹，對拓撲維護技術的分類也與當前研究現(xiàn)狀不符，因為現(xiàn)有研究中基本上沒有文中所提到的靜態(tài)和混合拓撲維護算法或協(xié)議。因此，為了更深入的對無線傳感器網絡中的拓撲維護技術進行研究，本文從拓撲維護定義及模型，拓撲維護設計目標，以及當前的研究現(xiàn)狀和存在的問題與發(fā)展方向等方面對拓撲維護進行了闡述。第1 節(jié)描述了無線傳感器網絡拓撲維護基礎，主要給出了拓撲維護全新的定義，并指出拓撲維護設計目標。第2 節(jié)設計了一個拓撲維護通用模型，并對模型中的觸發(fā)標準和維護策略進行了詳細描述。第3 節(jié)總結了目前有關拓撲維護研究工作，并進行了比較分析。第4 節(jié)分析了當前研究中的不足，并指出拓撲維護技術的發(fā)展方向。最后對全文進行了總結。

　　1 拓撲維護基礎

　　無線傳感器網絡拓撲控制由兩部分組成，即拓撲構建和拓撲維護。一旦建立起最初的網絡優(yōu)化拓撲，網絡開始執(zhí)行它所指定的任務。由于網絡任務所包含的每一個行為如感測、數據處理和傳輸等都需要消耗能量，因此隨著時間的推移，當前的網絡拓撲不再處于最優(yōu)運行狀態(tài)，因此需要對其進行維護使其重新保持最優(yōu)或接近最優(yōu)狀態(tài)。

　　1.1 拓撲維護定義

　　無線傳感器網絡的拓撲控制可以看作一個重復的過程，如圖1 所示。首先，對所有無線傳感器網絡都有一個拓撲初始化階段。在該階段，每個節(jié)點用其最大發(fā)射功率發(fā)射來建立初始拓撲。在初始化階段后，通過運行不同的算法或協(xié)議來對初始拓撲進行優(yōu)化，并最終構建一個優(yōu)化拓撲，該階段稱之為拓撲構建。一旦拓撲構建階段建立起優(yōu)化網絡拓撲，拓撲維護階段必須開始工作。

　　在拓撲維護階段，實時監(jiān)測當前拓撲狀態(tài)，并在適當的時候觸發(fā)拓撲恢復或重構過程。從圖1 中可見，在網絡的生命周期內，拓撲維護周期運行，直到網絡死亡。目前，對拓撲維護進行定義的文獻很少，文獻［8］對拓撲維護進行了簡單定義，指出“拓撲維護是指當網絡當前工作的拓撲結構不是最優(yōu)化的拓撲結構時，及時通過修復、切換或重構新的網絡拓撲，使網絡達到預先設定的性質，延長網絡的生命期”。

　　該定義沒有指出拓撲維護運行的時間、所采取的維護方式，特別是定義中提到使拓撲達到或接近最優(yōu)以及達到預先設定的性質，卻沒有指出是哪個具體階段的最優(yōu)或性質，因為隨著網絡的運行，網絡的最優(yōu)狀態(tài)和性質也在發(fā)生變化。所以，本文對拓撲維護進行了比較嚴謹的定義，即拓撲維護是一個周期性的過程，在每個周期中它由不同的觸發(fā)標準（如時間，能量，節(jié)點故障等）觸發(fā)，通過盡可能多地輪換節(jié)點角色或重新運行拓撲構建過程或調用專用維護算法來修復或重構網絡拓撲，均衡網絡能量消耗，使新的拓撲成為當前最優(yōu)或接近當前最優(yōu)狀態(tài)，并最終延長網絡的生命周期。