無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的拓撲維護（一）

　　拓撲維護和其它傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)一樣，其主要目的是延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò )被構建用來(lái)實(shí)現某些任務(wù)，如執行傳感和傳輸傳感數據，因此一個(gè)或多個(gè)服務(wù)質(zhì)量目標如保持傳感覆蓋以及保持網(wǎng)絡(luò )連通等也通常被考慮。

　　而且，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用不同則導致其底層網(wǎng)絡(luò )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(lái)只介紹拓撲維護主要考慮的設計目標。

　?。?）網(wǎng)絡(luò )生命周期

　　網(wǎng)絡(luò )生命周期已經(jīng)以不同方式被定義，如基于節點(diǎn)數、基于傳感覆蓋以及網(wǎng)絡(luò )連通以及可擴展的網(wǎng)絡(luò )生命周期。

　　拓撲維護是延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期十分有效的技術(shù)，如拓撲維護協(xié)議SPAN和CCP 通過(guò)關(guān)閉冗余節點(diǎn)并維持一個(gè)節點(diǎn)子集處于工作狀態(tài)來(lái)提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生命周期。然而，最大化網(wǎng)絡(luò )生命周期是一個(gè)十分復雜的問(wèn)題，它一直是拓撲維護研究的主要目標。

　?。?）覆蓋和連通

　　覆蓋和連通是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )拓撲維護的基本問(wèn)題，拓撲維護在對原有的優(yōu)化拓撲進(jìn)行恢復、切換或重構的過(guò)程中，必須保持原有拓撲的覆蓋或連通。

　?。?）安全和故障容忍

　　拓撲維護過(guò)程中，一些傳感器節點(diǎn)由于能量耗盡、物理?yè)p壞或環(huán)境干擾可能會(huì )失靈或發(fā)生故障，而這些傳感器節點(diǎn)的失效并不影響拓撲維護的整體任務(wù)。如文獻［12］中提出一個(gè)故障容忍的自組織方法來(lái)維護一個(gè)覆蓋和連通的骨干網(wǎng)絡(luò )。此外，無(wú)線(xiàn)傳感器的實(shí)際應用中存在各種類(lèi)型的惡意行為和攻擊［13］，因此，安全也是拓撲維護的一個(gè)重要目標。

　?。?）能量效率和收斂時(shí)間

　　與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )其它功能一樣，拓撲維護算法必須是能量有效的。也就是說(shuō)拓撲維護算法應該具有低的計算復雜度和低的報文開(kāi)銷(xiāo)。此外，在拓撲維護過(guò)程中，當前的拓撲將被一個(gè)新的拓撲取代，因此在新拓撲被激活之間有一個(gè)轉換時(shí)間，該時(shí)間應該盡可能小。

　?。?）能量均衡和可擴展性

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

　　2 拓撲維護模型

　　目前，并沒(méi)有文獻對拓撲維護模型進(jìn)行描述。為了更好的理解拓撲維護的運行過(guò)程及其特點(diǎn)，本文設計了一個(gè)通用的拓撲維護模型，如圖2 所示。從圖中可見(jiàn)，拓撲維護是一個(gè)周期的過(guò)程，每個(gè)周期中從網(wǎng)絡(luò )的當前拓撲開(kāi)始，經(jīng)過(guò)拓撲維護過(guò)程生成一個(gè)優(yōu)化的拓撲，周期運行，直到網(wǎng)絡(luò )死亡。

　　從上圖可見(jiàn)，每個(gè)拓撲維護周期，經(jīng)由觸發(fā)器和決策器。