無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚S護(hù)（一）

摘 要：拓?fù)渚S護(hù)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行至關(guān)重要，它旨在通過(guò)輪換節(jié)點(diǎn)角色、調(diào)用拓?fù)錁?gòu)建或維護(hù)算法來(lái)修復(fù)、重構(gòu)當(dāng)前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。首先對(duì)拓?fù)渚S護(hù)進(jìn)行了定義，描述了拓?fù)渚S護(hù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)拓?fù)渚S護(hù)通用模型。然后闡述了拓?fù)渚S護(hù)技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)其中有代表性的算法進(jìn)行了比較分析。最后指出了目前拓?fù)渚S護(hù)研究中存在的問(wèn)題及其發(fā)展趨勢(shì)。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于具有低功耗、低成本以及分布式和自組織等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療和搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域。通常，一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由成百上千傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有感知當(dāng)前環(huán)境、通過(guò)廣播與鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信以及對(duì)收集的信息執(zhí)行本地計(jì)算的能力。但是，這些能力對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)都很有限，尤其是節(jié)點(diǎn)的能量受限嚴(yán)重限制了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，從而影響了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量和進(jìn)一步應(yīng)用。因此，近幾年來(lái)，許多研究人員對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能方面進(jìn)行了大量的研究，從擁塞控制到數(shù)據(jù)壓縮，從睡眠調(diào)度到拓?fù)淇刂啤Ｄ康氖潜M可能多的節(jié)省能量，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。

　　拓?fù)淇刂谱鳛闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)，通常在保持網(wǎng)絡(luò)重要特性如連通和覆蓋的前提下改變、簡(jiǎn)化或優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋪?lái)節(jié)省能量。而且，拓?fù)淇刂菩纬傻牧己镁W(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠軌蛱岣呗酚蓞f(xié)議和MAC 協(xié)議的效率。然而，拓?fù)淇刂仆ǔ１灰暈橐粋€(gè)單一過(guò)程，它并未包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)，這影響拓?fù)淇刂扑惴ǖ姆诸?。目前的分類都局限于如何?gòu)建網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而忽略拓?fù)淇刂浦械耐負(fù)渚S護(hù)。

　　雖然對(duì)拓?fù)渚S護(hù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單定義，并根據(jù)目標(biāo)優(yōu)化拓?fù)錁?gòu)建的時(shí)間將拓?fù)渚S護(hù)技術(shù)分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和混合拓?fù)渚S護(hù)。但文中并未對(duì)拓?fù)渚S護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)闡述，而對(duì)拓?fù)渚S護(hù)的定義又不嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)拓?fù)渚S護(hù)技術(shù)的分類也與當(dāng)前研究現(xiàn)狀不符，因?yàn)楝F(xiàn)有研究中基本上沒(méi)有文中所提到的靜態(tài)和混合拓?fù)渚S護(hù)算法或協(xié)議。因此，為了更深入的對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)渚S護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，本文從拓?fù)渚S護(hù)定義及模型，拓?fù)渚S護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，以及當(dāng)前的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題與發(fā)展方向等方面對(duì)拓?fù)渚S護(hù)進(jìn)行了闡述。第1 節(jié)描述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)基礎(chǔ)，主要給出了拓?fù)渚S護(hù)全新的定義，并指出拓?fù)渚S護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)。第2 節(jié)設(shè)計(jì)了一個(gè)拓?fù)渚S護(hù)通用模型，并對(duì)模型中的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和維護(hù)策略進(jìn)行了詳細(xì)描述。第3 節(jié)總結(jié)了目前有關(guān)拓?fù)渚S護(hù)研究工作，并進(jìn)行了比較分析。第4 節(jié)分析了當(dāng)前研究中的不足，并指出拓?fù)渚S護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向。最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

　　1 拓?fù)渚S護(hù)基礎(chǔ)

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂朴蓛刹糠纸M成，即拓?fù)錁?gòu)建和拓?fù)渚S護(hù)。一旦建立起最初的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)開始執(zhí)行它所指定的任務(wù)。由于網(wǎng)絡(luò)任務(wù)所包含的每一個(gè)行為如感測(cè)、數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)榷夹枰哪芰?，因此隨著時(shí)間的推移，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳辉偬幱谧顑?yōu)運(yùn)行狀態(tài)，因此需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)使其重新保持最優(yōu)或接近最優(yōu)狀態(tài)。

　　1.1 拓?fù)渚S護(hù)定義

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂瓶梢钥醋饕粋€(gè)重復(fù)的過(guò)程，如圖1 所示。首先，對(duì)所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)拓?fù)涑跏蓟A段。在該階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)用其最大發(fā)射功率發(fā)射來(lái)建立初始拓?fù)洹Ｔ诔跏蓟A段后，通過(guò)運(yùn)行不同的算法或協(xié)議來(lái)對(duì)初始拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化，并最終構(gòu)建一個(gè)優(yōu)化拓?fù)?，該階段稱之為拓?fù)錁?gòu)建。一旦拓?fù)錁?gòu)建階段建立起優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，拓?fù)渚S護(hù)階段必須開始工作。

　　在拓?fù)渚S護(hù)階段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前拓?fù)錉顟B(tài)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候觸發(fā)拓?fù)浠謴?fù)或重構(gòu)過(guò)程。從圖1 中可見，在網(wǎng)絡(luò)的生命周期內(nèi)，拓?fù)渚S護(hù)周期運(yùn)行，直到網(wǎng)絡(luò)死亡。目前，對(duì)拓?fù)渚S護(hù)進(jìn)行定義的文獻(xiàn)很少，文獻(xiàn)［8］對(duì)拓?fù)渚S護(hù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單定義，指出“拓?fù)渚S護(hù)是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前工作的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是最優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，及時(shí)通過(guò)修復(fù)、切換或重構(gòu)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌咕W(wǎng)絡(luò)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的性質(zhì)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命期”。

　　該定義沒(méi)有指出拓?fù)渚S護(hù)運(yùn)行的時(shí)間、所采取的維護(hù)方式，特別是定義中提到使拓?fù)溥_(dá)到或接近最優(yōu)以及達(dá)到預(yù)先設(shè)定的性質(zhì)，卻沒(méi)有指出是哪個(gè)具體階段的最優(yōu)或性質(zhì)，因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)狀態(tài)和性質(zhì)也在發(fā)生變化。所以，本文對(duì)拓?fù)渚S護(hù)進(jìn)行了比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，即拓?fù)渚S護(hù)是一個(gè)周期性的過(guò)程，在每個(gè)周期中它由不同的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（如時(shí)間，能量，節(jié)點(diǎn)故障等）觸發(fā)，通過(guò)盡可能多地輪換節(jié)點(diǎn)角色或重新運(yùn)行拓?fù)錁?gòu)建過(guò)程或調(diào)用專用維護(hù)算法來(lái)修復(fù)或重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，使新的拓?fù)涑蔀楫?dāng)前最優(yōu)或接近當(dāng)前最優(yōu)狀態(tài)，并最終延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。