3 拓撲維護研究現狀

　　目前專門的拓撲維護技術研究還比較少，但相關研究結果表明優化的拓撲維護能有效地節省能量并延長網絡生命周期，同時保持網絡的基本屬性覆蓋或連通。本節中，根據拓撲維護決策器所選維護策略將現有的拓撲維護技術分為基于角色輪換、基于拓撲重構和混合的拓撲維護。

　　3.1 基于角色輪換的拓撲維護

　　基于角色轉換的拓撲維護技術，通過輪換節點的角色來對拓撲進行維護。節點的角色可以從多方面描述，如睡眠/工作、簇頭/非簇頭、協調器/非協調器等，且節點的角色可以相互轉換。目前研究中，輪換的節點角色主要有兩種，一種是簇頭/非簇頭。它通過輪換簇內簇頭節點來均衡簇內能量消耗，優化局部網絡拓撲結構。LEACH是一種典型的角色輪換拓撲維護算法，通過概率隨機輪換簇頭，使網絡中節點等概率擔任簇頭，有效地節省節點能量。

　　另一種節點角色輪換為睡眠/工作，它通過調度那些未參與通信的網絡節點進入睡眠狀態來節約能量，實現延長網絡生命周期的目的。如SPAN通過維護組成骨干基礎架構的節點來保持網絡的連通和轉發能力。MESH-CDS中，最大獨立集中節點故障時，通過轉換節點角色來修復最大獨立集并維護一個連通的骨干網絡。此外，CCP通過對節點角色的輪換維護網絡拓撲的覆蓋和連通，它是一種典型和有重要影響的基于角色轉換的拓撲維護協議。其基本思想主要是通過保持一個足夠大的工作節點子集來維護網絡k-覆蓋。

　　在該算法中，每個節點扮演兩個角色，即睡眠節點或工作節點。每個節點利用ks-覆蓋規則和接收其鄰居節點的HELLO報文信息來進行本地決策以確定是否需要進行角色輪換。

　　CCP能夠將網絡配置到指定的覆蓋度與連通度，并通過角色輪換來維護網絡的覆蓋和連通，其可靈活地應用于不同的網絡環境。但是，CCP 需要較為精確的位置信息，并且當發射半徑小于感知半徑的2倍時，不能保證網絡的連通性。

　　由上可見，基于角色輪換的技術通過調度那些未參與通信的網絡節點進入睡眠狀態或選擇剩余能量多的節點擔任簇頭來維護網絡連通和覆蓋。睡眠節點或非簇頭節點消耗的能量很小，且它們比工作節點或簇頭節點的數量大得多，所以網絡的能量消耗性能十分優越。而且，通常算法僅需要局部信息，通過本地進行決策，計算復雜度低。然而，基于角色輪換的拓撲維護技術僅從局部對網絡進行維護，不能從網絡的整體出發，導致整個網絡拓撲非最優甚至不連通。

　　3.2 基于拓撲重構的拓撲維護

　　基于拓撲構建的拓撲維護技術通常周期性調用拓撲構建過程或專用的維護算法來重構網絡的拓撲。如DKM協議，當節點密度| SNS | k 時運行拓撲維護過程，有效地恢復和維護網絡的k -連通。SMSS算法中，當節點u 發現某個節點m 失效時，它將檢查m 是否為它確定的鄰節點，如果是，重新運行拓撲控制算法來維護網絡拓撲結構。

　　EETMS算法中，一旦網絡發現故障節點，觸發拓撲維護過程，并最終構建一個能量有效的局部拓撲，且其鏈路長度之和最小。EETMS 是一種典型的專門用于拓撲維護的基于拓撲重構的技術。其思想是僅利用直接的鄰居節點來響應拓撲維護過程，且節點將大部分能量花在用來估量網絡連通和尋找最小能量拓撲，而不是用于轉發數據。

　　EETMS 算法首先提出了一個判斷網絡連通的標準。在一個二維的歐幾里得空間里，網絡拓撲用一個圖G（V， E） 表示，其中V 為節點集，節點個數為n .E 為所有邊e（i， j）的集合，其中e（i， j） 表示節點i 和j 彼此互為鄰居。則網絡拓撲可用圖G 的鄰接矩陣A 表示，且矩陣的每個元素ai， j可表示為：

　　接下來，令，如果對于任意的i， j s 有， 0 i j s ，則圖G（V， E） 連通。因此，維護算法通過計算si， j 來構建一個連通的拓撲。當網絡運行中發現故障節點u ，觸發拓撲維護過程。此時故障節點u 的鄰居集為u ，節點數u m .EETMS能夠維護網絡的連通，并確保鏈路長度之和最小。但算法中需要構建故障節點的鄰接矩陣，并根據該矩陣來計算網絡的連通。在高密度網絡中，需要大量的存儲空間和高的計算復雜度。此外，算法中并沒有描述故障節點檢測機制，無法知道拓撲維護算法的觸發頻率。

　　總之，基于拓撲重構的拓撲維護技術可能需要多次動態運行拓撲構建或維護算法，通常需要更多的時間和能量消耗。然而，拓撲構建過程在它每次運行時通常選擇最優或接近最優拓撲，從而導致生成比基于角色轉換拓撲維護技術更好的網絡拓撲結構。

　　3.3 混合的拓撲維護

　　混合的拓撲維護技術結合了基于角色輪換和拓撲重構的拓撲維護。該類拓撲維護技術周期性地采用節點角色轉換和拓撲重構策略。首先，混合的方法采用角色轉換的維護方法對網絡的局部拓撲進行維護，實現網絡一部分（如一個簇）的優化。隨著網絡的運行，作為數據轉發的骨干網絡能量消耗較快，造成網絡內的能量消耗不均衡，于是混合技術采用拓撲重構的維護技術來重構整個網絡的拓撲，兩種方法周期性地交替運行，有效地均衡網絡能量消耗。DFTM采用角色輪換的方法對局部拓撲進行維護，而采用拓撲重構的方法來對整個網絡拓撲進行維護。

　　可見，混合的拓撲維護技術可以使用基于節點角色輪換無法使用的資源，而且網絡持續的時間比基于拓撲重構方法要長，因為輪轉過程比一個完整的新構建過程消耗的能量少。但是，混合技術由于觸發條件的選擇，一個性能嚴重下降的拓撲可能持續很長一段時間，在它到達拓撲重構恢復點前，這將影響連通和覆蓋的服務水平。

　　3.4 拓撲維護算法分類

　　拓撲維護算法分類可以從許多方面來進行，如可以根據設計目標將拓撲維護分為確保覆蓋、連通的拓撲維護，故障容忍和安全的拓撲維護，能量消耗均衡的拓撲維護等。此外，很難將目前研究的設計目標和設計要素分開，導致分類可能并沒有精確地反映設計者的最初意圖。為了盡量避免該問題，本文根據第2 節設計的拓撲維護模型對現有的拓撲維護算法進行分類，如表1 所示。

　　4 存在的問題和發展趨勢

　　從以上可見，無線傳感器網路拓撲維護研究取得了一些成果，但其仍然存在一些問題。此外，隨著無線傳感器網絡的實際應用，如何確保拓撲維護的安全性以及如何有機地與其它層互相融合將是拓撲維護算法的主要發展方向。

　　（1）缺乏實際的拓撲維護實施

　　盡管許多研究機構致力于本文提到的拓撲維護技術研究，且許多的理論和基于仿真的證據表明拓撲維護算法或協議能有效減小網絡的能量消耗從而延長網絡的生命周期，但是迄今為止，很少有實際的網絡實施來證明拓撲維護事實上能被用于實現這些目標。

　　（2）未能量化拓撲維護頻率

　　拓撲維護算法要考慮拓撲重構產生的報文開銷和優化拓撲的質量之間的權衡，一般情況下，產生一個高質量的優化拓撲，就需要頻繁執行拓撲維護協議。另一方面，每一次執行拓撲維護協議將導致相當數量的報文開銷。目前，很少有研究仔細考慮兩者之間的權衡關系。

　　（3）安全的拓撲維護

　　目前的大部分拓撲維護協議通常假設傳感器部署在一個可信的、非敵對的環境中，并沒有考慮到節點內部或外部攻擊的影響。而無線傳感器的實際應用尤其是商業和軍事應用，存在各種類型的惡意行為和攻擊，對手可以利用使用的拓撲維護算法來對網絡發起攻擊。因此，必須采取相應的安全策略，提高拓撲維護算法的魯棒性，使其能防御各類攻擊。

　　（4）跨層的拓撲維護

　　無線傳感器網絡的生命期優化目標涉及從底層硬件到上層應用的所有環節， 因此僅通過拓撲構建甚至拓撲維護往往難以達到最理想效果，需要拓撲控制（構建與維護）與其它上下層協議緊密耦合協同。因此，拓撲維護的設計也必須兼顧各層協議的特點，以便在無線傳感器網絡體系結構中扮演好承上啟下的重要角色。

　　5 結論

　　本文對無線傳感器網絡拓撲維護研究現狀進行了綜述，并對當前研究中存在的普遍問題進行了分析和概括。從目前的研究現狀來看，拓撲維護研究主要以基于角色輪換和拓撲重構為主，已經提出了CCP、EETMS等算法。但目前的研究還存在模型理想化、缺乏實際的拓撲維護實施以及未能量化拓撲維護運行頻率和缺乏算法性能有效度量等問題。

　　總之，拓撲維護算法已經取得了初步的研究成果，但專門面向拓撲維護的研究還太少。而且，目前的研究未能考慮實際應用所面對的如環境地形、噪音干擾、惡意攻擊等諸多因素。可見，拓撲維護還有許多問題需要進一步研究，特別是需要探索面向實際應用的安全和跨層的拓撲維護技術。