无线传感器网络的拓扑维护

法首先提出了一个判断网络连通的标准。在一个二维的欧几里得空间里，网络拓扑用一个图G（V， E） 表示，其中V 为节点集，节点个数为n .E 为所有边e（i， j）的集合，其中e（i， j） 表示节点i 和j 彼此互为邻居。则网络拓扑可用图G 的邻接矩阵A 表示，且矩阵的每个元素ai， j可表示为：

　　接下来，令，如果对于任意的i， j s 有， 0 i j s ，则图G（V， E） 连通。因此，维护算法通过计算si， j 来构建一个连通的拓扑。当网络运行中发现故障节点u ，触发拓扑维护过程。此时故障节点u 的邻居集为u ，节点数u m .EETMS能够维护网络的连通，并确保链路长度之和最小。但算法中需要构建故障节点的邻接矩阵，并根据该矩阵来计算网络的连通。在高密度网络中，需要大量的存储空间和高的计算复杂度。此外，算法中并没有描述故障节点检测机制，无法知道拓扑维护算法的触发频率。

　　总之，基于拓扑重构的拓扑维护技术可能需要多次动态运行拓扑构建或维护算法，通常需要更多的时间和能量消耗。然而，拓扑构建过程在它每次运行时通常选择最优或接近最优拓扑，从而导致生成比基于角色转换拓扑维护技术更好的网络拓扑结构。

　　3.3 混合的拓扑维护

　　混合的拓扑维护技术结合了基于角色轮换和拓扑重构的拓扑维护。该类拓扑维护技术周期性地采用节点角色转换和拓扑重构策略。首先，混合的方法采用角色转换的维护方法对网络的局部拓扑进行维护，实现网络一部分（如一个簇）的优化。随着网络的运行，作为数据转发的骨干网络能量消耗较快，造成网络内的能量消耗不均衡，于是混合技术采用拓扑重构的维护技术来重构整个网络的拓扑，两种方法周期性地交替运行，有效地均衡网络能量消耗。DFTM采用角色轮换的方法对局部拓扑进行维护，而采用拓扑重构的方法来对整个网络拓扑进行维护。

　　可见，混合的拓扑维护技术可以使用基于节点角色轮换无法使用的资源，而且网络持续的时间比基于拓扑重构方法要长，因为轮转过程比一个完整的新构建过程消耗的能量少。但是，混合技术由于触发条件的选择，一个性能严重下降的拓扑可能持续很长一段时间，在它到达拓扑重构恢复点前，这将影响连通和覆盖的服务水平。

　　3.4 拓扑维护算法分类

　　拓扑维护算法分类可以从许多方面来进行，如可以根据设计目标将拓扑维护分为确保覆盖、连通的拓扑维护，故障容忍和安全的拓扑维护，能量消耗均衡的拓扑维护等。此外，很难将目前研究的设计目标和设计要素分开，导致分类可能并没有精确地反映设计者的最初意图。为了尽量避免该问题，本文根据第2 节设计的拓扑维护模型对现有的拓扑维护算法进行分类，如表1 所示。

　　4 存在的问题和发展趋势

　　从以上可见，无线传感器网路拓扑维护研究取得了一些成果，但其仍然存在一些问题。此外，随着无线传感器网络的实际应用，如何确保拓扑维护的安全性以及如何有机地与其它层互相融合将是拓扑维护算法的主要发展方向。

　　（1）缺乏实际的拓扑维护实施

　　尽管许多研究机构致力于本文提到的拓扑维护技术研究，且许多的理论和基于仿真的证据表明拓扑维护算法或协议能有效减小网络的能量消耗从而延长网络的生命周期，但是迄今为止，很少有实际的网络实施来证明拓扑维护事实上能被用于实现这些目标。

　　（2）未能量化拓扑维护频率

　　拓扑维护算法要考虑拓扑重构产生的报文开销和优化拓扑的质量之间的权衡，一般情况下，产生一个高质量的优化拓扑，就需要频繁执行拓扑维护协议。另一方面，每一次执行拓扑维护协议将导致相当数量的报文开销。目前，很少有研究仔细考虑两者之间的权衡关系。

　　（3）安全的拓扑维护

　　目前的大部分拓扑维护协议通常假设传感器部署在一个可信的、非敌对的环境中，并没有考虑到节点内部或外部攻击的影响。而无线传感器的实际应用尤其是商业和军事应用，存在各种类型的恶意行为和攻击，对手可以利用使用的拓扑维护算法来对网络发起攻击。因此，必须采取相应的安全策略，提高拓扑维护算法的鲁棒性，使其能防御各类攻击。

　　（4）跨层的拓扑维护

　　无线传感器网络的生命期优化目标涉及从底层硬件到上层应用的所有环节， 因此仅通过拓扑构建甚至拓扑维护往往难以达到最理想效果，需要拓扑控制（构建与维护）与其它上下层协议紧密耦合协同。因此，拓扑维护的设计也必须兼顾各层协议的特点，以便在无线传感器网络体系结构中扮演好承上启下的重要角色。

　　5 结论

本文对无线传感器网络拓扑维护研究现状进行了综述，并对当前研究中存在的普遍问题进行了分析和概括。从目