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

　　摘 要： 拓?fù)渚S護(hù)對(duì)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?。目的是盡可能多的節(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(xiàn)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?lèi)。目前的分類(lèi)都局限于如何構(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(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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)洌W(wǎng)絡(luò)開(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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(kāi)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(jiàn)，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(zhuān)用維護(hù)算法來(lái)修復(fù)或重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌饩W(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。

　　1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　拓?fù)渚S護(hù)和其它傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，其主要目的是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)被構(gòu)建用來(lái)實(shí)現(xiàn)某些任務(wù)，如執(zhí)行傳感和傳輸傳感數(shù)據(jù)，因此一個(gè)或多個(gè)服務(wù)質(zhì)量目標(biāo)如保持傳感覆蓋以及保持網(wǎng)絡(luò)連通等也通常被考慮。

　　而且，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不同則導(dǎo)致其底層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚S護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)不同或目標(biāo)優(yōu)先次序不同。因此，本文接下來(lái)只介紹拓?fù)渚S護(hù)主要考慮的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)生命周期

　　網(wǎng)絡(luò)生命周期已經(jīng)以不同方式被定義，如基于節(jié)點(diǎn)數(shù)、基于傳感覆蓋以及網(wǎng)絡(luò)連通以及可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)生命周期。

　　拓?fù)渚S護(hù)是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期十分有效的技術(shù)，如拓?fù)渚S護(hù)協(xié)議SPAN和CCP 通過(guò)關(guān)閉冗余節(jié)點(diǎn)并維持一個(gè)節(jié)點(diǎn)子集處于工作狀態(tài)來(lái)提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。然而，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，它一直是拓?fù)渚S護(hù)研究的主要目標(biāo)。

　?。?）覆蓋和連通

　　覆蓋和連通是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)的基本問(wèn)題，拓?fù)渚S護(hù)在對(duì)原有的優(yōu)化拓?fù)溥M(jìn)行恢復(fù)、切換或重構(gòu)的過(guò)程中，必須保持原有拓?fù)涞母采w或連通。

　　（3）安全和故障容忍

　　拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程中，一些傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡、物理?yè)p壞或環(huán)境干擾可能會(huì)失靈或發(fā)生故障，而這些傳感器節(jié)點(diǎn)的失效并不影響拓?fù)渚S護(hù)的整體任務(wù)。如文獻(xiàn)［12］中提出一個(gè)故障容忍的自組織方法來(lái)維護(hù)一個(gè)覆蓋和連通的骨干網(wǎng)絡(luò)。此外，無(wú)線(xiàn)傳感器的實(shí)際應(yīng)用中存在各種類(lèi)型的惡意行為和攻擊［13］，因此，安全也是拓?fù)渚S護(hù)的一個(gè)重要目標(biāo)。

　　（4）能量效率和收斂時(shí)間

　　與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)其它功能一樣，拓?fù)渚S護(hù)算法必須是能量有效的。也就是說(shuō)拓?fù)渚S護(hù)算法應(yīng)該具有低的計(jì)算復(fù)雜度和低的報(bào)文開(kāi)銷(xiāo)。此外，在拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程中，當(dāng)前的拓?fù)鋵⒈灰粋€(gè)新的拓?fù)淙〈?，因此在新拓?fù)浔患せ钪g有一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間，該時(shí)間應(yīng)該盡可能小。

　?。?）能量均衡和可擴(kuò)展性

　　拓?fù)渚S護(hù)技術(shù)應(yīng)該盡量在網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)間均衡地分布能量消耗。另外，部署在興趣或目標(biāo)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)可能成百上千甚至上萬(wàn)。拓?fù)渚S護(hù)協(xié)議或算法應(yīng)該能在不同數(shù)量級(jí)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。

　　2 拓?fù)渚S護(hù)模型

　　目前，并沒(méi)有文獻(xiàn)對(duì)拓?fù)渚S護(hù)模型進(jìn)行描述。為了更好的理解拓?fù)渚S護(hù)的運(yùn)行過(guò)程及其特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的拓?fù)渚S護(hù)模型，如圖2 所示。從圖中可見(jiàn)，拓?fù)渚S護(hù)是一個(gè)周期的過(guò)程，每個(gè)周期中從網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前拓?fù)溟_(kāi)始，經(jīng)過(guò)拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程生成一個(gè)優(yōu)化的拓?fù)?，周期運(yùn)行，直到網(wǎng)絡(luò)死亡。

　　從上圖可見(jiàn)，每個(gè)拓?fù)渚S護(hù)周期，經(jīng)由觸發(fā)器和決策器。

　　其中觸發(fā)器主要根據(jù)設(shè)計(jì)的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)如時(shí)間、能量或節(jié)點(diǎn)故障等來(lái)觸發(fā)拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程。決策器用來(lái)選擇拓?fù)渚S護(hù)策略。

　　接下來(lái)對(duì)該模型進(jìn)行詳細(xì)描述。

　?。?）觸發(fā)器

　　觸發(fā)器負(fù)責(zé)周期地觸發(fā)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)過(guò)程，其對(duì)拓?fù)渚S護(hù)的性能具有重要的影響。因?yàn)槿绻崆坝|發(fā)，則由于頻繁運(yùn)行拓?fù)渚S護(hù)協(xié)議或算法而消耗不必要的能量，而滯后觸發(fā)，則將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)可能以次優(yōu)甚至不連通狀態(tài)運(yùn)行，降低甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。常見(jiàn)的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)有：

　　時(shí)間：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一段時(shí)間后觸發(fā)拓?fù)渚S護(hù)，該時(shí)間的大小通常是固定且預(yù)先定義，通常由一個(gè)定時(shí)器來(lái)完成。

　　SPAN基于時(shí)間來(lái)觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的更新過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚S護(hù)。

　　能量：鑒于無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)備的能量限制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的能量級(jí)別低于某個(gè)閾值時(shí)觸發(fā)拓?fù)渚S護(hù)是很有必要的。LPH算法中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量E（i）低于平均剩余能量Eavr 時(shí)，觸發(fā)簇內(nèi)拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程。CLTC算法中，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)的能量降到門(mén)限值M 時(shí)，觸發(fā)簇內(nèi)拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程。而Poly算法中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的整體能量降低10%時(shí)觸發(fā)拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程。

　　節(jié)點(diǎn)故障：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)或一些節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，觸發(fā)拓?fù)渚S護(hù)。如SMSS算法中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)u 發(fā)現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)m 故障時(shí)，它將檢查m 是否為其確定的鄰節(jié)點(diǎn)，如果是則重新運(yùn)行拓?fù)錁?gòu)建算法來(lái)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。EETMS算法中，一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)，觸發(fā)局部拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程。

　　網(wǎng)絡(luò)密度：采用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)度或者一些重要節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度來(lái)觸發(fā)拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程。AFECA提出的自適應(yīng)精度節(jié)能算法使用鄰居密度來(lái)觸發(fā)拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程。

　　此外，這些觸發(fā)條件也可任意組合用來(lái)觸發(fā)拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程，如基于能量和節(jié)點(diǎn)故障，或者時(shí)間和能量等。此外，其它的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)也可作為觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，如鏈路失效、頻繁丟包以及擁塞和長(zhǎng)路由路徑等。

　?。?）決策器

　　決策器主要確定采用何種策略來(lái)維護(hù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是拓?fù)渚S護(hù)的核心。拓?fù)渚S護(hù)策略可以分為兩種，一種是基于角色輪換的拓?fù)渚S護(hù)策略，也就是說(shuō)通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的角色-如睡眠/工作、簇頭/非簇頭等進(jìn)行切換來(lái)節(jié)約能量，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。另一種是基于拓?fù)渲貥?gòu)的拓?fù)渚S護(hù)策略，其實(shí)質(zhì)是運(yùn)行拓?fù)錁?gòu)建階段的算法或?qū)ｉT(mén)的拓?fù)渚S護(hù)算法與協(xié)議來(lái)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　在基于角色輪換的拓?fù)渚S護(hù)策略中，首先要明確網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)所能扮演的角色。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的角色遷移與拓?fù)渚S護(hù)協(xié)議或算法特點(diǎn)和設(shè)計(jì)密切相關(guān)，確定節(jié)點(diǎn)所處角色的因素包括節(jié)點(diǎn)密度、位置、通信流量、丟包率、時(shí)間以及外部環(huán)境條件等。如節(jié)點(diǎn)當(dāng)前為角色1，當(dāng)某個(gè)事件發(fā)生，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試以決定是否進(jìn)入角色2還是繼續(xù)處于角色1.

　　而基于拓?fù)渲貥?gòu)的拓?fù)渚S護(hù)策略中，主要是重新調(diào)用拓?fù)錁?gòu)建階段的算法或?qū)ｉT(mén)的拓?fù)渚S護(hù)算法。因此，調(diào)用算法的頻率是關(guān)鍵。一旦觸發(fā)器觸發(fā)拓?fù)渚S護(hù)過(guò)程，拓?fù)渚S護(hù)策略則應(yīng)該綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能，決定是否調(diào)用相關(guān)算法或協(xié)議，以均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗并最終延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

　　此外，決策器還可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況在不同的階段采用不同的維護(hù)策略來(lái)維護(hù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無(wú)論是基于角色轉(zhuǎn)換還是基于拓?fù)渲貥?gòu)的拓?fù)渚S護(hù)技術(shù)，決策器還負(fù)責(zé)對(duì)生命周期的監(jiān)測(cè)。也就是說(shuō)，在網(wǎng)絡(luò)的生命周期內(nèi)，決策器根據(jù)維護(hù)策略周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行維護(hù)，而一旦網(wǎng)絡(luò)的生命周期結(jié)束，決策器停止維護(hù)過(guò)程，并宣告網(wǎng)絡(luò)死亡。