摘 要： 拓撲維護對無線傳感器網絡的運行至關重要，它旨在通過輪換節(jié)點角色、調用拓撲構建或維護算法來修復、重構當前的拓撲結構以提高網絡的生命周期。首先對拓撲維護進行了定義，描述了拓撲維護的設計目標，并設計了一個拓撲維護通用模型。然后闡述了拓撲維護技術的研究進展，并對其中有代表性的算法進行了比較分析。最后指出了目前拓撲維護研究中存在的問題及其發(fā)展趨勢。

　　無線傳感器網絡由于具有低功耗、低成本以及分布式和自組織等特點已被廣泛應用于軍事國防、工農業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療和搶險救災等領域。通常，一個無線傳感器網絡由成百上千傳感器節(jié)點組成，每個節(jié)點具有感知當前環(huán)境、通過廣播與鄰近節(jié)點進行通信以及對收集的信息執(zhí)行本地計算的能力。但是，這些能力對每個節(jié)點來說都很有限，尤其是節(jié)點的能量受限嚴重限制了網絡的生命周期，從而影響了網絡的服務質量和進一步應用。因此，近幾年來，許多研究人員對無線傳感器網絡的節(jié)能方面進行了大量的研究，從擁塞控制到數(shù)據(jù)壓縮，從睡眠調度到拓撲控制。目的是盡可能多的節(jié)省能量，最大化網絡生命周期。

　　拓撲控制作為無線傳感器網絡的一種關鍵節(jié)能技術，通常在保持網絡重要特性如連通和覆蓋的前提下改變、簡化或優(yōu)化網絡的拓撲來節(jié)省能量。而且，拓撲控制形成的良好網絡拓撲能夠提高路由協(xié)議和MAC 協(xié)議的效率。然而，拓撲控制通常被視為一個單一過程，它并未包括對網絡拓撲的維護，這影響拓撲控制算法的分類。目前的分類都局限于如何構建網絡的拓撲結構，而忽略拓撲控制中的拓撲維護。

　　雖然對拓撲維護進行了簡單定義，并根據(jù)目標優(yōu)化拓撲構建的時間將拓撲維護技術分為靜態(tài)、動態(tài)和混合拓撲維護。但文中并未對拓撲維護進行系統(tǒng)闡述，而對拓撲維護的定義又不嚴謹，對拓撲維護技術的分類也與當前研究現(xiàn)狀不符，因為現(xiàn)有研究中基本上沒有文中所提到的靜態(tài)和混合拓撲維護算法或協(xié)議。因此，為了更深入的對無線傳感器網絡中的拓撲維護技術進行研究，本文從拓撲維護定義及模型，拓撲維護設計目標，以及當前的研究現(xiàn)狀和存在的問題與發(fā)展方向等方面對拓撲維護進行了闡述。第1 節(jié)描述了無線傳感器網絡拓撲維護基礎，主要給出了拓撲維護全新的定義，并指出拓撲維護設計目標。第2 節(jié)設計了一個拓撲維護通用模型，并對模型中的觸發(fā)標準和維護策略進行了詳細描述。第3 節(jié)總結了目前有關拓撲維護研究工作，并進行了比較分析。第4 節(jié)分析了當前研究中的不足，并指出拓撲維護技術的發(fā)展方向。最后對全文進行了總結。

　　1 拓撲維護基礎

　　無線傳感器網絡拓撲控制由兩部分組成，即拓撲構建和拓撲維護。一旦建立起最初的網絡優(yōu)化拓撲，網絡開始執(zhí)行它所指定的任務。由于網絡任務所包含的每一個行為如感測、數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)榷夹枰哪芰?，因此隨著時間的推移，當前的網絡拓撲不再處于最優(yōu)運行狀態(tài)，因此需要對其進行維護使其重新保持最優(yōu)或接近最優(yōu)狀態(tài)。

　　1.1 拓撲維護定義

　　無線傳感器網絡的拓撲控制可以看作一個重復的過程，如圖1 所示。首先，對所有無線傳感器網絡都有一個拓撲初始化階段。在該階段，每個節(jié)點用其最大發(fā)射功率發(fā)射來建立初始拓撲。在初始化階段后，通過運行不同的算法或協(xié)議來對初始拓撲進行優(yōu)化，并最終構建一個優(yōu)化拓撲，該階段稱之為拓撲構建。一旦拓撲構建階段建立起優(yōu)化網絡拓撲，拓撲維護階段必須開始工作。

　　在拓撲維護階段，實時監(jiān)測當前拓撲狀態(tài)，并在適當?shù)臅r候觸發(fā)拓撲恢復或重構過程。從圖1 中可見，在網絡的生命周期內，拓撲維護周期運行，直到網絡死亡。目前，對拓撲維護進行定義的文獻很少，文獻［8］對拓撲維護進行了簡單定義，指出“拓撲維護是指當網絡當前工作的拓撲結構不是最優(yōu)化的拓撲結構時，及時通過修復、切換或重構新的網絡拓撲，使網絡達到預先設定的性質，延長網絡的生命期”。

　　該定義沒有指出拓撲維護運行的時間、所采取的維護方式，特別是定義中提到使拓撲達到或接近最優(yōu)以及達到預先設定的性質，卻沒有指出是哪個具體階段的最優(yōu)或性質，因為隨著網絡的運行，網絡的最優(yōu)狀態(tài)和性質也在發(fā)生變化。所以，本文對拓撲維護進行了比較嚴謹?shù)亩x，即拓撲維護是一個周期性的過程，在每個周期中它由不同的觸發(fā)標準（如時間，能量，節(jié)點故障等）觸發(fā)，通過盡可能多地輪換節(jié)點角色或重新運行拓撲構建過程或調用專用維護算法來修復或重構網絡拓撲，均衡網絡能量消耗，使新的拓撲成為當前最優(yōu)或接近當前最優(yōu)狀態(tài)，并最終延長網絡的生命周期。

　　1.2 設計目標

　　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(xiàn)某些任務，如執(zhí)行傳感和傳輸傳感數(shù)據(jù)，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(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(jié)點數(shù)、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(xié)議SPAN和CCP 通過關閉冗余節(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。

　?。?）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(yōu)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。

　?。?）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。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。

　?。?）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。

　?。?）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(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)議或算法應該能在不同數(shù)量級節(jié)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(yōu)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(fā)器和決策器。

　　其中觸發(fā)器主要根據(jù)設計的觸發(fā)標準如時間、能量或節(jié)點故障等來觸發(fā)拓撲維護過程。決策器用來選擇拓撲維護策略。

　　接下來對該模型進行詳細描述。

　?。?）觸發(fā)器

　　觸發(fā)器負責周期地觸發(fā)當前網絡拓撲的維護過程，其對拓撲維護的性能具有重要的影響。因為如果提前觸發(fā)，則由于頻繁運行拓撲維護協(xié)議或算法而消耗不必要的能量，而滯后觸發(fā)，則將導致網絡可能以次優(yōu)甚至不連通狀態(tài)運行，降低甚至無法實現(xiàn)網絡的服務質量。常見的觸發(fā)標準有：

　　時間：網絡運行一段時間后觸發(fā)拓撲維護，該時間的大小通常是固定且預先定義，通常由一個定時器來完成。

　　SPAN基于時間來觸發(fā)網絡中協(xié)調器節(jié)點的更新過程，從而實現(xiàn)骨干網絡的拓撲維護。

　　能量：鑒于無線傳感器設備的能量限制，當節(jié)點的能量級別低于某個閾值時觸發(fā)拓撲維護是很有必要的。LPH算法中，當節(jié)點的剩余能量E（i）低于平均剩余能量Eavr 時，觸發(fā)簇內拓撲維護過程。CLTC算法中，當簇頭節(jié)點的能量降到門限值M 時，觸發(fā)簇內拓撲維護過程。而Poly算法中，當網絡的整體能量降低10%時觸發(fā)拓撲維護過程。

　　節(jié)點故障：當網絡中一個或一些節(jié)點故障時，觸發(fā)拓撲維護。如SMSS算法中，當節(jié)點u 發(fā)現(xiàn)某個節(jié)點m 故障時，它將檢查m 是否為其確定的鄰節(jié)點，如果是則重新運行拓撲構建算法來維護網絡拓撲結構。EETMS算法中，一旦網絡發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點，觸發(fā)局部拓撲維護過程。

　　網絡密度：采用網絡的節(jié)點度或者一些重要節(jié)點的節(jié)點度來觸發(fā)拓撲維護過程。AFECA提出的自適應精度節(jié)能算法使用鄰居密度來觸發(fā)拓撲維護過程。

　　此外，這些觸發(fā)條件也可任意組合用來觸發(fā)拓撲維護過程，如基于能量和節(jié)點故障，或者時間和能量等。此外，其它的網絡參數(shù)也可作為觸發(fā)標準，如鏈路失效、頻繁丟包以及擁塞和長路由路徑等。

　?。?）決策器

　　決策器主要確定采用何種策略來維護當前的網絡拓撲結構，它是拓撲維護的核心。拓撲維護策略可以分為兩種，一種是基于角色輪換的拓撲維護策略，也就是說通過對網絡中節(jié)點的角色-如睡眠/工作、簇頭/非簇頭等進行切換來節(jié)約能量，實現(xiàn)延長網絡生命周期的目的。另一種是基于拓撲重構的拓撲維護策略，其實質是運行拓撲構建階段的算法或專門的拓撲維護算法與協(xié)議來維護網絡拓撲結構。

　　在基于角色輪換的拓撲維護策略中，首先要明確網絡中每個節(jié)點所能扮演的角色。每個節(jié)點的角色遷移與拓撲維護協(xié)議或算法特點和設計密切相關，確定節(jié)點所處角色的因素包括節(jié)點密度、位置、通信流量、丟包率、時間以及外部環(huán)境條件等。如節(jié)點當前為角色1，當某個事件發(fā)生，則節(jié)點進行相應測試以決定是否進入角色2還是繼續(xù)處于角色1.

　　而基于拓撲重構的拓撲維護策略中，主要是重新調用拓撲構建階段的算法或專門的拓撲維護算法。因此，調用算法的頻率是關鍵。一旦觸發(fā)器觸發(fā)拓撲維護過程，拓撲維護策略則應該綜合考慮網絡的相關性能，決定是否調用相關算法或協(xié)議，以均衡網絡能量消耗并最終延長網絡生命周期。

　　此外，決策器還可根據(jù)網絡運行情況在不同的階段采用不同的維護策略來維護當前的網絡拓撲結構。無論是基于角色轉換還是基于拓撲重構的拓撲維護技術，決策器還負責對生命周期的監(jiān)測。也就是說，在網絡的生命周期內，決策器根據(jù)維護策略周期性地對網絡拓撲結構進行維護，而一旦網絡的生命周期結束，決策器停止維護過程，并宣告網絡死亡。