無線傳感器網(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，其主要目的是延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)被構(gòu)建用來實現(xiàn)某些任務(wù)，如執(zhí)行傳感和傳輸傳感數(shù)據(jù)，因此一個或多個服務(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，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不同則導(dǎo)致其底層網(wǎng)絡(luò)的拓撲維護設(shè)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(shè)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(jié)點數(shù)、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 通過關(guān)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(luò)的生命周期。然而，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是一個十分復(fù)雜的問題，它一直是拓撲維護研究的主要目標。

　?。?）覆蓋和連通

　　覆蓋和連通是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(fù)、切換或重構(gòu)的過程中，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(wù)。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(luò)。此外，無線傳感器的實際應(yīng)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。

　?。?）能量效率和收斂時間

　　與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其它功能一樣，拓撲維護算法必須是能量有效的。也就是說拓撲維護算法應(yīng)該具有低的計算復(fù)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(yīng)該盡可能小。

　?。?）能量均衡和可擴展性

　　拓撲維護技術(shù)應(yīng)該盡量在網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該能在不同數(shù)量級節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)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(luò)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。