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)