無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲維護（一）

摘 要：拓撲維護對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行至關(guān)重要，它旨在通過輪換節(jié)點角色、調(diào)用拓撲構(gòu)建或維護算法來修復(fù)、重構(gòu)當(dāng)前的拓撲結(jié)構(gòu)以提高網(wǎng)絡(luò)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(shè)計目標(biāo)，并設(shè)計了一個拓撲維護通用模型。然后闡述了拓撲維護技術(shù)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療和搶險救災(zāi)等領(lǐng)域。通常，一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由成百上千傳感器節(jié)點組成，每個節(jié)點具有感知當(dāng)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(wǎng)絡(luò)的生命周期，從而影響了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量和進一步應(yīng)用。因此，近幾年來，許多研究人員對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能方面進行了大量的研究，從擁塞控制到數(shù)據(jù)壓縮，從睡眠調(diào)度到拓撲控制。目的是盡可能多的節(jié)省能量，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。

　　拓撲控制作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)，通常在保持網(wǎng)絡(luò)重要特性如連通和覆蓋的前提下改變、簡化或優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓撲來節(jié)省能量。而且，拓撲控制形成的良好網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，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(jù)目標(biāo)優(yōu)化拓撲構(gòu)建的時間將拓撲維護技術(shù)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(shù)的分類也與當(dāng)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(wǎng)絡(luò)中的拓撲維護技術(shù)進行研究，本文從拓撲維護定義及模型，拓撲維護設(shè)計目標(biāo)，以及當(dāng)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(wǎng)絡(luò)拓撲維護基礎(chǔ)，主要給出了拓撲維護全新的定義，并指出拓撲維護設(shè)計目標(biāo)。第2 節(jié)設(shè)計了一個拓撲維護通用模型，并對模型中的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和維護策略進行了詳細描述。第3 節(jié)總結(jié)了目前有關(guān)拓撲維護研究工作，并進行了比較分析。第4 節(jié)分析了當(dāng)前研究中的不足，并指出拓撲維護技術(shù)的發(fā)展方向。最后對全文進行了總結(jié)。

　　1 拓撲維護基礎(chǔ)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制由兩部分組成，即拓撲構(gòu)建和拓撲維護。一旦建立起最初的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化拓撲，網(wǎng)絡(luò)開始執(zhí)行它所指定的任務(wù)。由于網(wǎng)絡(luò)任務(wù)所包含的每一個行為如感測、數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)榷夹枰哪芰?，因此隨著時間的推移，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的拓撲控制可以看作一個重復(fù)的過程，如圖1 所示。首先，對所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建一個優(yōu)化拓撲，該階段稱之為拓撲構(gòu)建。一旦拓撲構(gòu)建階段建立起優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)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(dāng)前拓撲狀態(tài)，并在適當(dāng)?shù)臅r候觸發(fā)拓撲恢復(fù)或重構(gòu)過程。從圖1 中可見，在網(wǎng)絡(luò)的生命周期內(nèi)，拓撲維護周期運行，直到網(wǎng)絡(luò)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前工作的拓撲結(jié)構(gòu)不是最優(yōu)化的拓撲結(jié)構(gòu)時，及時通過修復(fù)、切換或重構(gòu)新的網(wǎng)絡(luò)拓撲，使網(wǎng)絡(luò)達到預(yù)先設(shè)定的性質(zhì)，延長網(wǎng)絡(luò)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(yù)先設(shè)定的性質(zhì)，卻沒有指出是哪個具體階段的最優(yōu)或性質(zhì)，因為隨著網(wǎng)絡(luò)的運行，網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)狀態(tài)和性質(zhì)也在發(fā)生變化。所以，本文對拓撲維護進行了比較嚴謹?shù)亩x，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(biāo)準(zhǔn)（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(gòu)建過程或調(diào)用專用維護算法來修復(fù)或重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲，均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，使新的拓撲成為當(dāng)前最優(yōu)或接近當(dāng)前最優(yōu)狀態(tài)，并最終延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。