無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚S護

　　摘 要： 拓?fù)渚S護對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行至關(guān)重要，它旨在通過輪換節(jié)點角色、調(diào)用拓?fù)錁?gòu)建或維護算法來修復(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。首先對拓?fù)渚S護進行了定義，描述了拓?fù)渚S護的設(shè)計目標(biāo)，并設(shè)計了一個拓?fù)渚S護通用模型。然后闡述了拓?fù)渚S護技術(shù)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?fù)渚S護研究中存在的問題及其發(fā)展趨勢。

　　無線傳感器網(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已被廣泛應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療和搶險救災(zāi)等領(lǐng)域。通常，一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由成百上千傳感器節(jié)點組成，每個節(jié)點具有感知當(dāng)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(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)量和進一步應(yīng)用。因此，近幾年來，許多研究人員對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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、簡化或優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋪砉?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€單一過程，它并未包括對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護，這影響拓?fù)淇刂扑惴ǖ姆诸悺Ｄ壳暗姆诸惗季窒抻谌绾螛?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。

　　雖然對拓?fù)渚S護進行了簡單定義，并根據(jù)目標(biāo)優(yōu)化拓?fù)錁?gòu)建的時間將拓?fù)渚S護技術(shù)分為靜態(tài)、動態(tài)和混合拓?fù)渚S護。但文中并未對拓?fù)渚S護進行系統(tǒng)闡述，而對拓?fù)渚S護的定義又不嚴(yán)謹(jǐn)，對拓?fù)渚S護技術(shù)的分類也與當(dāng)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?fù)渚S護算法或協(xié)議。因此，為了更深入的對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)渚S護技術(shù)進行研究，本文從拓?fù)渚S護定義及模型，拓?fù)渚S護設(shè)計目標(biāo)，以及當(dāng)前的研究現(xiàn)狀和存在的問題與發(fā)展方向等方面對拓?fù)渚S護進行了闡述。第1 節(jié)描述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護基礎(chǔ)，主要給出了拓?fù)渚S護全新的定義，并指出拓?fù)渚S護設(shè)計目標(biāo)。第2 節(jié)設(shè)計了一個拓?fù)渚S護通用模型，并對模型中的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和維護策略進行了詳細描述。第3 節(jié)總結(jié)了目前有關(guān)拓?fù)渚S護研究工作，并進行了比較分析。第4 節(jié)分析了當(dāng)前研究中的不足，并指出拓?fù)渚S護技術(shù)的發(fā)展方向。最后對全文進行了總結(jié)。

　　1 拓?fù)渚S護基礎(chǔ)

　　無線傳感器網(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。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(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳辉偬幱谧顑?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?fù)渚S護定義

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂瓶梢钥醋饕粋€重復(fù)的過程，如圖1 所示。首先，對所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都有一個拓?fù)涑跏蓟A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?fù)洹Ｔ诔跏蓟A段后，通過運行不同的算法或協(xié)議來對初始拓?fù)溥M行優(yōu)化，并最終構(gòu)建一個優(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護階段必須開始工作。

　　在拓?fù)渚S護階段，實時監(jiān)測當(dāng)前拓?fù)錉顟B(tài)，并在適當(dāng)?shù)臅r候觸發(fā)拓?fù)浠謴?fù)或重構(gòu)過程。從圖1 中可見，在網(wǎng)絡(luò)的生命周期內(nèi)，拓?fù)渚S護周期運行，直到網(wǎng)絡(luò)死亡。目前，對拓?fù)渚S護進行定義的文獻很少，文獻［8］對拓?fù)渚S護進行了簡單定義，指出“拓?fù)渚S護是指當(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，及時通過修復(fù)、切換或重構(gòu)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，使網(wǎng)絡(luò)達到預(yù)先設(shè)定的性質(zhì)，延長網(wǎng)絡(luò)的生命期”。

　　該定義沒有指出拓?fù)渚S護運行的時間、所采取的維護方式，特別是定義中提到使拓?fù)溥_到或接近最優(yōu)以及達到預(yù)先設(shè)定的性質(zhì)，卻沒有指出是哪個具體階段的最優(yōu)或性質(zhì)，因為隨著網(wǎng)絡(luò)的運行，網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)狀態(tài)和性質(zhì)也在發(fā)生變化。所以，本文對拓?fù)渚S護進行了比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，即拓?fù)渚S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(biāo)準(zhǔn)（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?fù)錁?gòu)建過程或調(diào)用專用維護算法來修復(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)，并最終延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

　　1.2 設(shè)計目標(biāo)

　　拓?fù)渚S護和其它傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，其主要目的是延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)被構(gòu)建用來實現(xiàn)某些任務(wù)，如執(zhí)行傳感和傳輸傳感數(shù)據(jù)，因此一個或多個服務(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，無線傳感器網(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護設(shè)計目標(biāo)不同或目標(biāo)優(yōu)先次序不同。因此，本文接下來只介紹拓?fù)渚S護主要考慮的設(shè)計目標(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)點數(shù)、基于傳感覆蓋以及網(wǎng)絡(luò)連通以及可擴展的網(wǎng)絡(luò)生命周期。

　　拓?fù)渚S護是延長網(wǎng)絡(luò)生命周期十分有效的技術(shù)，如拓?fù)渚S護協(xié)議SPAN和CCP 通過關(guān)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(wǎng)絡(luò)的生命周期。然而，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是一個十分復(fù)雜的問題，它一直是拓?fù)渚S護研究的主要目標(biāo)。

　?。?）覆蓋和連通

　　覆蓋和連通是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護的基本問題，拓?fù)渚S護在對原有的優(yōu)化拓?fù)溥M行恢復(fù)、切換或重構(gòu)的過程中，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?fù)渚S護的整體任務(wù)。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(wǎng)絡(luò)。此外，無線傳感器的實際應(yīng)用中存在各種類型的惡意行為和攻擊［13］，因此，安全也是拓?fù)渚S護的一個重要目標(biāo)。

　?。?）能量效率和收斂時間

　　與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其它功能一樣，拓?fù)渚S護算法必須是能量有效的。也就是說拓?fù)渚S護算法應(yīng)該具有低的計算復(fù)雜度和低的報文開銷。此外，在拓?fù)渚S護過程中，當(dāng)前的拓?fù)鋵⒈灰粋€新的拓?fù)淙〈虼嗽谛峦負(fù)浔患せ钪g有一個轉(zhuǎn)換時間，該時間應(yīng)該盡可能小。

　?。?）能量均衡和可擴展性

　　拓?fù)渚S護技術(shù)應(yīng)該盡量在網(wǎng)絡(luò)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(biāo)區(qū)域的傳感器節(jié)點可能成百上千甚至上萬。拓?fù)渚S護協(xié)議或算法應(yīng)該能在不同數(shù)量級節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中運行。

　　2 拓?fù)渚S護模型

　　目前，并沒有文獻對拓?fù)渚S護模型進行描述。為了更好的理解拓?fù)渚S護的運行過程及其特點，本文設(shè)計了一個通用的拓?fù)渚S護模型，如圖2 所示。從圖中可見，拓?fù)渚S護是一個周期的過程，每個周期中從網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前拓?fù)溟_始，經(jīng)過拓?fù)渚S護過程生成一個優(yōu)化的拓?fù)?，周期運行，直到網(wǎng)絡(luò)死亡。

　　從上圖可見，每個拓?fù)渚S護周期，經(jīng)由觸發(fā)器和決策器。

　　其中觸發(fā)器主要根據(jù)設(shè)計的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)如時間、能量或節(jié)點故障等來觸發(fā)拓?fù)渚S護過程。決策器用來選擇拓?fù)渚S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(fù)責(zé)周期地觸發(fā)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護過程，其對拓?fù)渚S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?fù)渚S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(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。常見的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)有：

　　時間：網(wǎng)絡(luò)運行一段時間后觸發(fā)拓?fù)渚S護，該時間的大小通常是固定且預(yù)先定義，通常由一個定時器來完成。

　　SPAN基于時間來觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點的更新過程，從而實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚S護。

　　能量：鑒于無線傳感器設(shè)備的能量限制，當(dāng)節(jié)點的能量級別低于某個閾值時觸發(fā)拓?fù)渚S護是很有必要的。LPH算法中，當(dāng)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(nèi)拓?fù)渚S護過程。CLTC算法中，當(dāng)簇頭節(jié)點的能量降到門限值M 時，觸發(fā)簇內(nèi)拓?fù)渚S護過程。而Poly算法中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的整體能量降低10%時觸發(fā)拓?fù)渚S護過程。

　　節(jié)點故障：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中一個或一些節(jié)點故障時，觸發(fā)拓?fù)渚S護。如SMSS算法中，當(dāng)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?fù)錁?gòu)建算法來維護網(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，觸發(fā)局部拓?fù)渚S護過程。

　　網(wǎng)絡(luò)密度：采用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點度或者一些重要節(jié)點的節(jié)點度來觸發(fā)拓?fù)渚S護過程。AFECA提出的自適應(yīng)精度節(jié)能算法使用鄰居密度來觸發(fā)拓?fù)渚S護過程。

　　此外，這些觸發(fā)條件也可任意組合用來觸發(fā)拓?fù)渚S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(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(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是拓?fù)渚S護的核心。拓?fù)渚S護策略可以分為兩種，一種是基于角色輪換的拓?fù)渚S護策略，也就是說通過對網(wǎng)絡(luò)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(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護策略，其實質(zhì)是運行拓?fù)錁?gòu)建階段的算法或?qū)ｉT的拓?fù)渚S護算法與協(xié)議來維護網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　在基于角色輪換的拓?fù)渚S護策略中，首先要明確網(wǎng)絡(luò)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?fù)渚S護協(xié)議或算法特點和設(shè)計密切相關(guān)，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(dāng)前為角色1，當(dāng)某個事件發(fā)生，則節(jié)點進行相應(yīng)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?fù)渲貥?gòu)的拓?fù)渚S護策略中，主要是重新調(diào)用拓?fù)錁?gòu)建階段的算法或?qū)ｉT的拓?fù)渚S護算法。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護過程，拓?fù)渚S護策略則應(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網(wǎng)絡(luò)生命周期。

　　此外，決策器還可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運行情況在不同的階段采用不同的維護策略來維護當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無論是基于角色轉(zhuǎn)換還是基于拓?fù)渲貥?gòu)的拓?fù)渚S護技術(shù)，決策器還負(fù)責(zé)對生命周期的監(jiān)測。也就是說，在網(wǎng)絡(luò)的生命周期內(nèi)，決策器根據(jù)維護策略周期性地對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行維護，而一旦網(wǎng)絡(luò)的生命周期結(jié)束，決策器停止維護過程，并宣告網(wǎng)絡(luò)死亡。