無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲維護（一）

無線傳感器網(wǎng)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(nóng)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(wǎng)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(wǎng)絡的生命周期，從而影響了網(wǎng)絡的服務質(zhì)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(wǎng)絡的節(jié)能方面進行了大量的研究，從擁塞控制[2]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)絡生命周期。

拓撲控制作為無線傳感器網(wǎng)絡的一種關鍵節(jié)能技術，通常在保持網(wǎng)絡重要特性如連通和覆蓋的前提下改變、簡化或優(yōu)化網(wǎng)絡的拓撲來節(jié)省能量。而且，拓撲控制形成的良好網(wǎng)絡拓撲能夠提高路由協(xié)議和MAC 協(xié)議的效率[5].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)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，而忽略拓撲控制中的拓撲維護。如文獻[6]提出的分類只注重拓撲構(gòu)建算法，這些算法通過改變節(jié)點的傳輸范圍來構(gòu)建和優(yōu)化網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)。文獻[5][7]中提出一個更廣泛的拓撲構(gòu)建算法分類，主要考慮分層和混合算法。文獻[8]提出了拓撲控制由拓撲構(gòu)建和拓撲維護兩個階段組成，并對拓撲維護進行了簡單定義和分類。

雖然文獻[8]中對拓撲維護進行了簡單定義，并根據(jù)目標優(yōu)化拓撲構(gòu)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(wǎng)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(wǎng)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(jié)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(jié)。

1 拓撲維護基礎

無線傳感器網(wǎng)絡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)絡優(yōu)化拓撲，網(wǎng)絡開始執(zhí)行它所指定的任務。由于網(wǎng)絡任務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�消耗能量，因此隨著時間的推移，當前的網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(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?shù)臅r候觸發(fā)拓撲恢復或重構(gòu)過程。從圖1 中可見，在網(wǎng)絡的生命周期內(nèi)，拓撲維護周期運行，直到網(wǎng)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(wǎng)絡當前工作的拓撲結(jié)構(gòu)不是最優(yōu)化的拓撲結(jié)構(gòu)時，及時通過修復、切換或重構(gòu)新的網(wǎng)絡拓撲，使網(wǎng)絡達到預先設定的性質(zhì)，延長網(wǎng)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(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)絡的運行，網(wǎng)絡的最優(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�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(gòu)建過程或調(diào)用專用維護算法來修復或重構(gòu)網(wǎng)絡拓撲，均衡網(wǎng)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(wǎng)絡的生命周期。

1.2 設計目標

拓撲維護和其它傳感器網(wǎng)絡技術一樣，其主要目的是延長網(wǎng)絡的生命周期。此外，傳感器網(wǎng)絡被構(gòu)建用來實現(xiàn)某些任務，如執(zhí)行傳感和傳輸傳感數(shù)據(jù)，因此一個或多個服務質(zhì)量目標如保持傳感覆蓋以及保持網(wǎng)絡連通等也通常被考慮。

而且，無線傳感器網(wǎng)絡的應用不同則導致其底層網(wǎng)絡的拓撲維護設計目標不同或目標優(yōu)先次序不同。因此，本文接下來只介紹拓撲維護主要考慮的設計目標。

（1）網(wǎng)絡生命周期

網(wǎng)絡生命周期已經(jīng)以不同方式被定義，如基于節(jié)點數(shù)、基于傳感覆蓋以及網(wǎng)絡連通以及可擴展的網(wǎng)絡生命周期。

拓撲維護是延長網(wǎng)絡生命周期十分有效的技術，如拓撲維護協(xié)議SPAN和CCP 通過關閉冗余節(jié)點并維持一個節(jié)點子集處于工作狀態(tài)來提高無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期。然而，最大化網(wǎng)絡生命周期是一個十分復雜的問題，它一直是拓撲維護研究的主要目標。

（2）覆蓋和連通

覆蓋和連通是無線傳感器網(wǎng)絡拓撲維護的基本問題，拓撲維護在對原有的優(yōu)化拓撲進行恢復、切換或重構(gòu)的過程中，必須保持原有拓撲的覆蓋或連通。

（3）安全和故障容忍

拓撲維護過程中，一些傳感器節(jié)點由于能量耗盡、物理損壞或環(huán)境干擾可能會失靈或發(fā)生故障，而這些傳感器節(jié)點的失效并不影響拓撲維護的整體任務。如文獻[12]中提出一個故障容忍的自組織方法來維護一個覆蓋和連通的骨干網(wǎng)絡。此外，無線傳感器的實際應用中存在各種類型的惡意行為和攻擊[13],因此，安全也是拓撲維護的一個重要目標。

（4）能量效率和收斂時間

與無線傳感器網(wǎng)絡其它功能一樣，拓撲維護算法必須是能量有效的。也就是說拓撲維護算法應該具有低的計算復雜度和低的報文開銷。此外，在拓撲維護過程中，當前的拓撲將被一個新的拓撲取代，因此在新拓撲被激活之間有一個轉(zhuǎn)換時間，該時間應該盡可能小。

（5）能量均衡和可擴展性

拓撲維護技術應該盡量在網(wǎng)絡的所有節(jié)點間均衡地分布能量消耗。另外，部署在興趣或目標區(qū)域的傳感器節(jié)點可能成百上千甚至上萬。拓撲維護協(xié)議或算法應該能在不同數(shù)量級節(jié)點的網(wǎng)絡中運行。

2 拓撲維護模型

目前，并沒有文獻對拓撲維護模型進行描述。為了更好的理解拓撲維護的運行過程及其特點，本文設計了一個通用的拓撲維護模型，如圖2 所示。從圖中可見，拓撲維護是一個周期的過程，每個周期中從網(wǎng)絡的當前拓撲開始，經(jīng)過拓撲維護過程生成一個優(yōu)化的拓撲，周期運行，直到網(wǎng)絡死亡。

從上圖可見，每個拓撲維護周期，經(jīng)由觸發(fā)器和決策器。

其中觸發(fā)器主要根據(jù)設計的觸發(fā)標準如時間、能量或節(jié)點故障等來觸發(fā)拓撲維護過程。決策器用來選擇拓撲維護策略。

接下來對該模型進行詳細描述。

（1）觸發(fā)器

觸發(fā)器負責周期地觸發(fā)當前網(wǎng)絡拓撲的維護過程，其對拓撲維護的性能具有重要的影響。因為如果提前觸發(fā)，則由于頻繁運行拓撲維護協(xié)議或算法而消耗不必要的能量，而滯后觸發(fā)，則將導致網(wǎng)絡可能以次優(yōu)甚至不連通狀態(tài)運行，降低甚至無法實現(xiàn)網(wǎng)絡的服務質(zhì)量。常見的觸發(fā)標準有：

時間：網(wǎng)絡運行一段時間后觸發(fā)拓撲維護，該時間的大小通常是固定且預先定義，通常由一個定時器來完成。

SPAN基于時間來觸發(fā)網(wǎng)絡中協(xié)調(diào)器節(jié)點的更新過程，從而實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡的拓撲維護。

能量：鑒于無線傳感器設備的能量限制，當節(jié)點的能量級別低于某個閾值時觸發(fā)拓撲維護是很有必要的。LPH算法中，當節(jié)點的剩余能量E（i）低于平均剩余能量Eavr 時，觸發(fā)簇內(nèi)拓撲維護過程。CLTC算法中，當簇頭節(jié)點的能量降到門限值M 時，觸發(fā)簇內(nèi)拓撲維護過程。而Poly算法中，當網(wǎng)絡的整體能量降低10%時觸發(fā)拓撲維護過程。

節(jié)點故障：當網(wǎng)絡中一個或一些節(jié)點故障時，觸發(fā)拓撲維護。如SMSS算法中，當節(jié)點u 發(fā)現(xiàn)某個節(jié)點m 故障時，它將檢查m 是否為其確定的鄰節(jié)點，如果是則重新運行拓撲構(gòu)建算法來維護網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。EETMS算法中，一旦網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點，觸發(fā)局部拓撲維護過程。

網(wǎng)絡密度：采用網(wǎng)絡的節(jié)點度或者一些重要節(jié)點的節(jié)點度來觸發(fā)拓撲維護過程。AFECA提出的自適應精度節(jié)能算法使用鄰居密度來觸發(fā)拓撲維護過程。

此外，這些觸發(fā)條件也可任意組合用來觸發(fā)拓撲維護過程，如基于能量和節(jié)點故障，或者時間和能量等。此外，其它的網(wǎng)絡參數(shù)也可作為觸發(fā)標準，如鏈路失效、頻繁丟包以及擁塞和長路由路徑等。

（2）決策器

決策器主要確定采用何種策略來維護當前的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，它是拓撲維護的核心。拓撲維護策略可以分為兩種，一種是基于角色輪換的拓撲維護策略，也就是說通過對網(wǎng)絡中節(jié)點的角色-如睡眠/工作、簇頭/非簇頭等進行切換來節(jié)約能量，實現(xiàn)延長網(wǎng)絡生命周期的目的。另一種是基于拓撲重構(gòu)的拓撲維護策略，其實質(zhì)是運行拓撲構(gòu)建階段的算法或?qū)ｉT的拓撲維護算法與協(xié)議來維護網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

在基于角色輪換的拓撲維護策略中，首先要明確網(wǎng)絡中每個節(jié)點所能扮演的角色。每個節(jié)點的角色遷移與拓撲維護協(xié)議或算法特點和設計密切相關，確定節(jié)點所處角色的因素包括節(jié)點密度、位置、通信流量、丟包率、時間以及外部環(huán)境條件等。如節(jié)點當前為角色1,當某個事件發(fā)生，則節(jié)點進行相應測試以決定是否進入角色2還是繼續(xù)處于角色1.

而基于拓撲重構(gòu)的拓撲維護策略中，主要是重新調(diào)用拓撲構(gòu)建階段的算法或?qū)ｉT的拓撲維護算法。因此，調(diào)用算法的頻率是關鍵。一旦觸發(fā)器觸發(fā)拓撲維護過程，拓撲維護策略則應該綜合考慮網(wǎng)絡的相關性能，決定是否調(diào)用相關算法或協(xié)議，以均衡網(wǎng)絡能量消耗并最終延長網(wǎng)絡生命周期。

此外，決策器還可根據(jù)網(wǎng)絡運行情況在不同的階段采用不同的維護策略來維護當前的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。無論是基于角色轉(zhuǎn)換還是基于拓撲重構(gòu)的拓撲維護技術，決策器還負責對生命周期的監(jiān)測。也就是說，在網(wǎng)絡的生命周期內(nèi)，決策器根據(jù)維護策略周期性地對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行維護，而一旦網(wǎng)絡的生命周期結(jié)束，決策器停止維護過程，并宣告網(wǎng)絡死亡

來源：電子愛好者博客