無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲維護（二）

3 拓撲維護研究現(xiàn)狀

目前專門的拓撲維護技術(shù)研究還比較少，但相關(guān)研究結(jié)果表明優(yōu)化的拓撲維護能有效地節(jié)省能量并延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，同時保持網(wǎng)絡(luò)的基本屬性覆蓋或連通。本節(jié)中，根據(jù)拓撲維護決策器所選維護策略將現(xiàn)有的拓撲維護技術(shù)分為基于角色輪換、基于拓撲重構(gòu)和混合的拓撲維護。

3.1 基于角色輪換的拓撲維護

基于角色轉(zhuǎn)換的拓撲維護技術(shù)，通過輪換節(jié)點的角色來對拓撲進行維護。節(jié)點的角色可以從多方面描述，如睡眠/工作、簇頭/非簇頭、協(xié)調(diào)器/非協(xié)調(diào)器等，且節(jié)點的角色可以相互轉(zhuǎn)換。目前研究中，輪換的節(jié)點角色主要有兩種，一種是簇頭/非簇頭。它通過輪換簇內(nèi)簇頭節(jié)點來均衡簇內(nèi)能量消耗，優(yōu)化局部網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。LEACH是一種典型的角色輪換拓撲維護算法，通過概率隨機輪換簇頭，使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點等概率擔(dān)任簇頭，有效地節(jié)省節(jié)點能量。

另一種節(jié)點角色輪換為睡眠/工作，它通過調(diào)度那些未參與通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進入睡眠狀態(tài)來節(jié)約能量，實現(xiàn)延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。如SPAN通過維護組成骨干基礎(chǔ)架構(gòu)的節(jié)點來保持網(wǎng)絡(luò)的連通和轉(zhuǎn)發(fā)能力。MESH-CDS中，最大獨立集中節(jié)點故障時，通過轉(zhuǎn)換節(jié)點角色來修復(fù)最大獨立集并維護一個連通的骨干網(wǎng)絡(luò)。此外，CCP通過對節(jié)點角色的輪換維護網(wǎng)絡(luò)拓撲的覆蓋和連通，它是一種典型和有重要影響的基于角色轉(zhuǎn)換的拓撲維護協(xié)議。其基本思想主要是通過保持一個足夠大的工作節(jié)點子集來維護網(wǎng)絡(luò)k-覆蓋。

在該算法中，每個節(jié)點扮演兩個角色，即睡眠節(jié)點或工作節(jié)點。每個節(jié)點利用ks-覆蓋規(guī)則和接收其鄰居節(jié)點的HELLO報文信息來進行本地決策以確定是否需要進行角色輪換。

CCP能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)配置到指定的覆蓋度與連通度，并通過角色輪換來維護網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和連通，其可靈活地應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。但是，CCP 需要較為精確的位置信息，并且當發(fā)射半徑小于感知半徑的2倍時，不能保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。

由上可見，基于角色輪換的技術(shù)通過調(diào)度那些未參與通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進入睡眠狀態(tài)或選擇剩余能量多的節(jié)點擔(dān)任簇頭來維護網(wǎng)絡(luò)連通和覆蓋。睡眠節(jié)點或非簇頭節(jié)點消耗的能量很小，且它們比工作節(jié)點或簇頭節(jié)點的數(shù)量大得多，所以網(wǎng)絡(luò)的能量消耗性能十分優(yōu)越。而且，通常算法僅需要局部信息，通過本地進行決策，計算復(fù)雜度低。然而，基于角色輪換的拓撲維護技術(shù)僅從局部對網(wǎng)絡(luò)進行維護，不能從網(wǎng)絡(luò)的整體出發(fā)，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)拓撲非最優(yōu)甚至不連通。

3.2 基于拓撲重構(gòu)的拓撲維護

基于拓撲構(gòu)建的拓撲維護技術(shù)通常周期性調(diào)用拓撲構(gòu)建過程或?qū)Ｓ玫木S護算法來重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的拓撲。如DKM協(xié)議，當節(jié)點密度| SNS | k 時運行拓撲維護過程，有效地恢復(fù)和維護網(wǎng)絡(luò)的k -連通。SMSS算法中，當節(jié)點u 發(fā)現(xiàn)某個節(jié)點m 失效時，它將檢查m 是否為它確定的鄰節(jié)點，如果是，重新運行拓撲控制算法來維護網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

EETMS算法中，一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點，觸發(fā)拓撲維護過程，并最終構(gòu)建一個能量有效的局部拓撲，且其鏈路長度之和最小。EETMS 是一種典型的專門用于拓撲維護的基于拓撲重構(gòu)的技術(shù)。其思想是僅利用直接的鄰居節(jié)點來響應(yīng)拓撲維護過程，且節(jié)點將大部分能量花在用來估量網(wǎng)絡(luò)連通和尋找最小能量拓撲，而不是用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

EETMS 算法首先提出了一個判斷網(wǎng)絡(luò)連通的標準。在一個二維的歐幾里得空間里，網(wǎng)絡(luò)拓撲用一個圖G（V, E） 表示，其中V 為節(jié)點集，節(jié)點個數(shù)為n .E 為所有邊e（i, j）的集合，其中e（i, j） 表示節(jié)點i 和j 彼此互為鄰居。則網(wǎng)絡(luò)拓撲可用圖G 的鄰接矩陣A 表示，且矩陣的每個元素ai, j可表示為：

接下來，令，如果對于任意的i, j s 有， 0 i j s ,則圖G（V, E） 連通。因此，維護算法通過計算si, j 來構(gòu)建一個連通的拓撲。當網(wǎng)絡(luò)運行中發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點u ,觸發(fā)拓撲維護過程。此時故障節(jié)點u 的鄰居集為u ,節(jié)點數(shù)u m .EETMS能夠維護網(wǎng)絡(luò)的連通，并確保鏈路長度之和最小。但算法中需要構(gòu)建故障節(jié)點的鄰接矩陣，并根據(jù)該矩陣來計算網(wǎng)絡(luò)的連通。在高密度網(wǎng)絡(luò)中，需要大量的存儲空間和高的計算復(fù)雜度。此外，算法中并沒有描述故障節(jié)點檢測機制，無法知道拓撲維護算法的觸發(fā)頻率。

總之，基于拓撲重構(gòu)的拓撲維護技術(shù)可能需要多次動態(tài)運行拓撲構(gòu)建或維護算法，通常需要更多的時間和能量消耗。然而，拓撲構(gòu)建過程在它每次運行時通常選擇最優(yōu)或接近最優(yōu)拓撲，從而導(dǎo)致生成比基于角色轉(zhuǎn)換拓撲維護技術(shù)更好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

3.3 混合的拓撲維護

混合的拓撲維護技術(shù)結(jié)合了基于角色輪換和拓撲重構(gòu)的拓撲維護。該類拓撲維護技術(shù)周期性地采用節(jié)點角色轉(zhuǎn)換和拓撲重構(gòu)策略。首先，混合的方法采用角色轉(zhuǎn)換的維護方法對網(wǎng)絡(luò)的局部拓撲進行維護，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一部分（如一個簇）的優(yōu)化。隨著網(wǎng)絡(luò)的運行，作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的骨干網(wǎng)絡(luò)能量消耗較快，造成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的能量消耗不均衡，于是混合技術(shù)采用拓撲重構(gòu)的維護技術(shù)來重構(gòu)整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲，兩種方法周期性地交替運行，有效地均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗。DFTM采用角色輪換的方法對局部拓撲進行維護，而采用拓撲重構(gòu)的方法來對整個網(wǎng)絡(luò)拓撲進行維護。

可見，混合的拓撲維護技術(shù)可以使用基于節(jié)點角色輪換無法使用的資源，而且網(wǎng)絡(luò)持續(xù)的時間比基于拓撲重構(gòu)方法要長，因為輪轉(zhuǎn)過程比一個完整的新構(gòu)建過程消耗的能量少。但是，混合技術(shù)由于觸發(fā)條件的選擇，一個性能嚴重下降的拓撲可能持續(xù)很長一段時間，在它到達拓撲重構(gòu)恢復(fù)點前，這將影響連通和覆蓋的服務(wù)水平。

3.4 拓撲維護算法分類

拓撲維護算法分類可以從許多方面來進行，如可以根據(jù)設(shè)計目標將拓撲維護分為確保覆蓋、連通的拓撲維護，故障容忍和安全的拓撲維護，能量消耗均衡的拓撲維護等。此外，很難將目前研究的設(shè)計目標和設(shè)計要素分開，導(dǎo)致分類可能并沒有精確地反映設(shè)計者的最初意圖。為了盡量避免該問題，本文根據(jù)第2 節(jié)設(shè)計的拓撲維護模型對現(xiàn)有的拓撲維護算法進行分類，如表1 所示。

　　4 存在的問題和發(fā)展趨勢

從以上可見，無線傳感器網(wǎng)路拓撲維護研究取得了一些成果，但其仍然存在一些問題。此外，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，如何確保拓撲維護的安全性以及如何有機地與其它層互相融合將是拓撲維護算法的主要發(fā)展方向。

（1）缺乏實際的拓撲維護實施

盡管許多研究機構(gòu)致力于本文提到的拓撲維護技術(shù)研究，且許多的理論和基于仿真的證據(jù)表明拓撲維護算法或協(xié)議能有效減小網(wǎng)絡(luò)的能量消耗從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但是迄今為止，很少有實際的網(wǎng)絡(luò)實施來證明拓撲維護事實上能被用于實現(xiàn)這些目標。

（2）未能量化拓撲維護頻率

拓撲維護算法要考慮拓撲重構(gòu)產(chǎn)生的報文開銷和優(yōu)化拓撲的質(zhì)量之間的權(quán)衡，一般情況下，產(chǎn)生一個高質(zhì)量的優(yōu)化拓撲，就需要頻繁執(zhí)行拓撲維護協(xié)議。另一方面，每一次執(zhí)行拓撲維護協(xié)議將導(dǎo)致相當數(shù)量的報文開銷。目前，很少有研究仔細考慮兩者之間的權(quán)衡關(guān)系。

（3）安全的拓撲維護

目前的大部分拓撲維護協(xié)議通常假設(shè)傳感器部署在一個可信的、非敵對的環(huán)境中，并沒有考慮到節(jié)點內(nèi)部或外部攻擊的影響。而無線傳感器的實際應(yīng)用尤其是商業(yè)和軍事應(yīng)用，存在各種類型的惡意行為和攻擊，對手可以利用使用的拓撲維護算法來對網(wǎng)絡(luò)發(fā)起攻擊。因此，必須采取相應(yīng)的安全策略，提高拓撲維護算法的魯棒性，使其能防御各類攻擊。

（4）跨層的拓撲維護

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期優(yōu)化目標涉及從底層硬件到上層應(yīng)用的所有環(huán)節(jié)， 因此僅通過拓撲構(gòu)建甚至拓撲維護往往難以達到最理想效果，需要拓撲控制（構(gòu)建與維護）與其它上下層協(xié)議緊密耦合協(xié)同。因此，拓撲維護的設(shè)計也必須兼顧各層協(xié)議的特點，以便在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中扮演好承上啟下的重要角色。

5 結(jié)論

本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲維護研究現(xiàn)狀進行了綜述，并對當前研究中存在的普遍問題進行了分析和概括。從目前的研究現(xiàn)狀來看，拓撲維護研究主要以基于角色輪換和拓撲重構(gòu)為主，已經(jīng)提出了CCP、EETMS等算法。但目前的研究還存在模型理想化、缺乏實際的拓撲維護實施以及未能量化拓撲維護運行頻率和缺乏算法性能有效度量等問題。

總之，拓撲維護算法已經(jīng)取得了初步的研究成果，但專門面向拓撲維護的研究還太少。而且，目前的研究未能考慮實際應(yīng)用所面對的如環(huán)境地形、噪音干擾、惡意攻擊等諸多因素�？梢�，拓撲維護還有許多問題需要進一步研究，特別是需要探索面向?qū)嶋H應(yīng)用的安全和跨層的拓撲維護技術(shù)

來源：電子愛好者博客