無線傳感器網絡的拓撲維護（一）

　　拓撲維護和其它傳感器網絡技術一樣，其主要目的是延長網絡的生命周期。此外，傳感器網絡被構建用來實現某些任務，如執行傳感和傳輸傳感數據，因此一個或多個服務質量目標如保持傳感覆蓋以及保持網絡連通等也通常被考慮。

　　而且，無線傳感器網絡的應用不同則導致其底層網絡的拓撲維護設計目標不同或目標優先次序不同。因此，本文接下來只介紹拓撲維護主要考慮的設計目標。

　　（1）網絡生命周期

　　網絡生命周期已經以不同方式被定義，如基于節點數、基于傳感覆蓋以及網絡連通以及可擴展的網絡生命周期。

　　拓撲維護是延長網絡生命周期十分有效的技術，如拓撲維護協議SPAN和CCP 通過關閉冗余節點并維持一個節點子集處于工作狀態來提高無線傳感器網絡的生命周期。然而，最大化網絡生命周期是一個十分復雜的問題，它一直是拓撲維護研究的主要目標。

　　（2）覆蓋和連通

　　覆蓋和連通是無線傳感器網絡拓撲維護的基本問題，拓撲維護在對原有的優化拓撲進行恢復、切換或重構的過程中，必須保持原有拓撲的覆蓋或連通。

　　（3）安全和故障容忍

　　拓撲維護過程中，一些傳感器節點由于能量耗盡、物理損壞或環境干擾可能會失靈或發生故障，而這些傳感器節點的失效并不影響拓撲維護的整體任務。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絡。此外，無線傳感器的實際應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。

　　（4）能量效率和收斂時間

　　與無線傳感器網絡其它功能一樣，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該具有低的計算復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換時間，該時間應該盡可能小。

　　（5）能量均衡和可擴展性

　　拓撲維護技術應該盡量在網絡的所有節點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可能成百上千甚至上萬。拓撲維護協議或算法應該能在不同數量級節點的網絡中運行。

　　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，每個周期中從網絡的當前拓撲開始，經過拓撲維護過程生成一個優化的拓撲，周期運行，直到網絡死亡。

　　從上圖可見，每個拓撲維護周期，經由觸發器和決策器。