无线传感器网络的拓扑维护（一）

摘 要：拓扑维护对无线传感器网络的运行至关重要，它旨在通过轮换节点角色、调用拓扑构建或维护算法来修复、重构当前的拓扑结构以提高网络的生命周期。首先对拓扑维护进行了定义，描述了拓扑维护的设计目标，并设计了一个拓扑维护通用模型。然后阐述了拓扑维护技术的研究进展，并对其中有代表性的算法进行了比较分析。最后指出了目前拓扑维护研究中存在的问题及其发展趋势。

　　无线传感器网络由于具有低功耗、低成本以及分布式和自组织等特点已被广泛应用于军事国防、工农业控制、环境监测、生物医疗和抢险救灾等领域。通常，一个无线传感器网络由成百上千传感器节点组成，每个节点具有感知当前环境、通过广播与邻近节点进行通信以及对收集的信息执行本地计算的能力。但是，这些能力对每个节点来说都很有限，尤其是节点的能量受限严重限制了网络的生命周期，从而影响了网络的服务质量和进一步应用。因此，近几年来，许多研究人员对无线传感器网络的节能方面进行了大量的研究，从拥塞控制到数据压缩，从睡眠调度到拓扑控制。目的是尽可能多的节省能量，最大化网络生命周期。

　　拓扑控制作为无线传感器网络的一种关键节能技术，通常在保持网络重要特性如连通和覆盖的前提下改变、简化或优化网络的拓扑来节省能量。而且，拓扑控制形成的良好网络拓扑能够提高路由协议和MAC 协议的效率。然而，拓扑控制通常被视为一个单一过程，它并未包括对网络拓扑的维护，这影响拓扑控制算法的分类。目前的分类都局限于如何构建网络的拓扑结构，而忽略拓扑控制中的拓扑维护。

　　虽然对拓扑维护进行了简单定义，并根据目标优化拓扑构建的时间将拓扑维护技术分为静态、动态和混合拓扑维护。但文中并未对拓扑维护进行系统阐述，而对拓扑维护的定义又不严谨，对拓扑维护技术的分类也与当前研究现状不符，因为现有研究中基本上没有文中所提到的静态和混合拓扑维护算法或协议。因此，为了更深入的对无线传感器网络中的拓扑维护技术进行研究，本文从拓扑维护定义及模型，拓扑维护设计目标，以及当前的研究现状和存在的问题与发展方向等方面对拓扑维护进行了阐述。第1 节描述了无线传感器网络拓扑维护基础，主要给出了拓扑维护全新的定义，并指出拓扑维护设计目标。第2 节设计了一个拓扑维护通用模型，并对模型中的触发标准和维护策略进行了详细描述。第3 节总结了目前有关拓扑维护研究工作，并进行了比较分析。第4 节分析了当前研究中的不足，并指出拓扑维护技术的发展方向。最后对全文进行了总结。

　　1 拓扑维护基础

　　无线传感器网络拓扑控制由两部分组成，即拓扑构建和拓扑维护。一旦建立起最初的网络优化拓扑，网络开始执行它所指定的任务。由于网络任务所包含的每一个行为如感测、数据处理和传输等都需要消耗能量，因此随着时间的推移，当前的网络拓扑不再处于最优运行状态，因此需要对其进行维护使其重新保持最优或接近最优状态。

　　1.1 拓扑维护定义

　　无线传感器网络的拓扑控制可以看作一个重复的过程，如图1 所示。首先，对所有无线传感器网络都有一个拓扑初始化阶段。在该阶段，每个节点用其最大发射功率发射来建立初始拓扑。在初始化阶段后，通过运行不同的算法或协议来对初始拓扑进行优化，并最终构建一个优化拓扑，该阶段称之为拓扑构建。一旦拓扑构建阶段建立起优化网络拓扑，拓扑维护阶段必须开始工作。

　　在拓扑维护阶段，实时监测当前拓扑状态，并在适当的时候触发拓扑恢复或重构过程。从图1 中可见，在网络的生命周期内，拓扑维护周期运行，直到网络死亡。目前，对拓扑维护进行定义的文献很少，文献［8］对拓扑维护进行了简单定义，指出“拓扑维护是指当网络当前工作的拓扑结构不是最优化的拓扑结构时，及时通过修复、切换或重构新的网络拓扑，使网络达到预先设定的性质，延长网络的生命期”。

　　该定义没有指出拓扑维护运行的时间、所采取的维护方式，特别是定义中提到使拓扑达到或接近最优以及达到预先设定的性质，却没有指出是哪个具体阶段的最优或性质，因为随着网络的运行，网络的最优状态和性质也在发生变化。所以，本文对拓扑维护进行了比较严谨的定义，即拓扑维护是一个周期性的过程，在每个周期中它由不同的触发标准（如时间，能量，节点故障等）触发，通过尽可能多地轮换节点角色或重新运行拓扑构建过程或调用专用维护算法来修复或重构网络拓扑，均衡网络能量消耗，使新的拓扑成为当前最优或接近当前最优状态，并最终延长网络的生命周期。