无线传感器网络的拓扑维护（一）

拓扑维护和其它传感器网络技术一样，其主要目的是延长网络的生命周期。此外，传感器网络被构建用来实现某些任务，如执行传感和传输传感数据，因此一个或多个服务质量目标如保持传感覆盖以及保持网络连通等也通常被考虑。

　　而且，无线传感器网络的应用不同则导致其底层网络的拓扑维护设计目标不同或目标优先次序不同。因此，本文接下来只介绍拓扑维护主要考虑的设计目标。

　　（1）网络生命周期

　　网络生命周期已经以不同方式被定义，如基于节点数、基于传感覆盖以及网络连通以及可扩展的网络生命周期。

　　拓扑维护是延长网络生命周期十分有效的技术，如拓扑维护协议SPAN和CCP 通过关闭冗余节点并维持一个节点子集处于工作状态来提高无线传感器网络的生命周期。然而，最大化网络生命周期是一个十分复杂的问题，它一直是拓扑维护研究的主要目标。

　　（2）覆盖和连通

　　覆盖和连通是无线传感器网络拓扑维护的基本问题，拓扑维护在对原有的优化拓扑进行恢复、切换或重构的过程中，必须保持原有拓扑的覆盖或连通。

　　（3）安全和故障容忍

　　拓扑维护过程中，一些传感器节点由于能量耗尽、物理损坏或环境干扰可能会失灵或发生故障，而这些传感器节点的失效并不影响拓扑维护的整体任务。如文献［12］中提出一个故障容忍的自组织方法来维护一个覆盖和连通的骨干网络。此外，无线传感器的实际应用中存在各种类型的恶意行为和攻击［13］，因此，安全也是拓扑维护的一个重要目标。

　　（4）能量效率和收敛时间

　　与无线传感器网络其它功能一样，拓扑维护算法必须是能量有效的。也就是说拓扑维护算法应该具有低的计算复杂度和低的报文开销。此外，在拓扑维护过程中，当前的拓扑将被一个新的拓扑取代，因此在新拓扑被激活之间有一个转换时间，该时间应该尽可能小。

　　（5）能量均衡和可扩展性

　　拓扑维护技术应该尽量在网络的所有节点间均衡地分布能量消耗。另外，部署在兴趣或目标区域的传感器节点可能成百上千甚至上万。拓扑维护协议或算法应该能在不同数量级节点的网络中运行。

　　2 拓扑维护模型

　　目前，并没有文献对拓扑维护模型进行描述。为了更好的理解拓扑维护的运行过程及其特点，本文设计了一个通用的拓扑维护模型，如图2 所示。从图中可见，拓扑维护是一个周期的过程，每个周期中从网络的当前拓扑开始，经过拓扑维护过程生成一个优化的拓扑，周期运行，直到网络死亡。

　　从上图可见，每个拓扑维护周期，经由触发器和决策器。