時間：2022-07-26 04:52:34
序論：在您撰寫無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制研究時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導您走向新的創(chuàng)作高度。
摘 要：以ZigBee協(xié)議為基礎，提出了一種新的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構的監(jiān)控和維護方法。創(chuàng)新性地設計了基于葉子節(jié)點的通訊模式，該模式運用協(xié)議棧自有運行流程來獲取節(jié)點的加入或丟失信息、實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲的監(jiān)控，并通過設計一種基于關聯(lián)表的鏈表式存儲結構來進行動態(tài)網(wǎng)絡拓撲的維護。經(jīng)過在實際辦公環(huán)境監(jiān)控平臺上驗證表明，該方法數(shù)據(jù)傳輸量小，資源占用少，操作簡便，具有較強的應用推廣價值。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；拓撲結構；監(jiān)控與維護
0 引 言
隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術在軍事、工農(nóng)業(yè)、城市管理、環(huán)境監(jiān)控等各個領域的快速發(fā)展，作為系統(tǒng)基礎組成部分的網(wǎng)絡拓撲結構成為研究的一個重要方面。目前，國內(nèi)外的科研機構在網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)以及拓撲的監(jiān)控和管理方面開展了大量的相關研究工作，但大多停留在理論和仿真層面，這些通過在高性能的PC機上搭建仿真模型來驗證算法效果的研究，大多缺乏能夠應用到實際系統(tǒng)的可行性案例。安徽財經(jīng)大學的趙濤[1]，根據(jù)在聚合節(jié)點（sink）收集到網(wǎng)絡內(nèi)部節(jié)點報文接收或丟失的情況，通過發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中所有葉子節(jié)點到sink 節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸路徑，來推測網(wǎng)絡的邏輯拓撲。該方法計算比較復雜，120節(jié)點規(guī)模網(wǎng)絡在主頻為2.8 GHz的CPU主機上運行尚需9秒的時間，同時會受到節(jié)點資源、計算速度、實施條件等限制，因此，這種方法很難在實際應用中實現(xiàn)。德州儀器(TI)公司的官方網(wǎng)站也給出了一種獲取網(wǎng)絡拓撲結構的方法[2]，該方法采用發(fā)送網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)命令的方式，并通過返回結果來確定網(wǎng)絡拓撲結構。此法雖然能夠在實際應用中實施，但需要定期向網(wǎng)絡中的所有節(jié)點發(fā)送發(fā)現(xiàn)命令，因而數(shù)據(jù)消耗量巨大。
本文以Z-stack協(xié)議棧為基礎，采用葉子節(jié)點通訊方式，并利用協(xié)議自身的運行流程，提出了一種輕量數(shù)據(jù)消耗、真正面向應用的拓撲監(jiān)控方案，同時通過設計一種基于關聯(lián)表的鏈式存儲結構來實現(xiàn)對網(wǎng)絡拓撲信息的維護，因而在解決網(wǎng)絡監(jiān)控與維護方面更具有實際應用價值。
1 Z-stack協(xié)議棧原理簡介
作為ZigBee聯(lián)盟的一個重要的組織成員，2007年，TI公司宣布推出業(yè)界領先的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack符合ZigBee 2006規(guī)范，能支持多種平臺，其中包括本系統(tǒng)使用的、面向IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案[3]。
1.1 ZigBee協(xié)議棧的體系結構及信息傳遞流程
ZigBee協(xié)議棧的體系結構如圖1所示，由圖可見，ZigBee協(xié)議采用分層體系結構[3]，由物理層(PHY)、介質(zhì)接入控制子層（MAC層）、網(wǎng)絡層(NWK)和應用層(APL)組成。其中，應用層框架包括了應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)及由制造商制定的應用對象。
在ZigBee網(wǎng)絡中，信息或數(shù)據(jù)的傳遞將依照上述層次結構實現(xiàn)。上層發(fā)送的數(shù)據(jù)或指令按照應用層―網(wǎng)絡層―MAC層―物理層的順序，從上至下依次進行處理；底層返回的數(shù)據(jù)則按照物理層―MAC層―網(wǎng)絡層―應用層的順序，從下至上處理后返回給上層用戶。每個層次負責發(fā)送到本層數(shù)據(jù)的分析和判斷，并對于屬于本層次的數(shù)據(jù)或指令做出相應的動作響應；對于不屬于本層的數(shù)據(jù)，則按照規(guī)定格式打包后發(fā)送給上、下一層。
1.2 節(jié)點加入與失步流程
為了維護系統(tǒng)的正常運行，ZigBee協(xié)議棧還提供了一些必須的消息響應流程，其中包括節(jié)點加入網(wǎng)絡和失步響應的流程。
節(jié)點加入流程[3]如圖2所示。當子節(jié)點申請加入網(wǎng)絡時，會啟動加入流程。子節(jié)點的加入請求通過其NWK層、MAC層、PHY層傳遞給父節(jié)點；父節(jié)點收到加入通知消息后，又通過其PHY層、MAC層、NWK層將該情況上傳給應用層，最后通過ZDO_JoinIndicationCB()函數(shù)的調(diào)用，得到子節(jié)點加入的消息。
圖2 節(jié)點加入流程
節(jié)點失步流程[3]是指終端節(jié)點丟失其父節(jié)點的同步信號時，向上層報告的失步情況發(fā)生的流程。其具體流程如圖3所示。
終端節(jié)點每隔一段時間就會開啟與父節(jié)點的同步，當在設定時間內(nèi)沒有接收到父節(jié)點的同步信號時，就會產(chǎn)生失步指示信息，協(xié)議棧將該失步信息層層上傳，最后通過調(diào)用ZDO_SyncIndicationCB()函數(shù)，將信息傳達到應用層。
1.3 關聯(lián)表
TI的Z-stack協(xié)議棧在全功能節(jié)點中可以維護associated
_devices_t結構的關聯(lián)表，關聯(lián)表中保存有與本節(jié)點直接關聯(lián)（父子節(jié)點）的相關信息，包括關聯(lián)節(jié)點的短地址、設備類型、連接狀態(tài)等，基本上可以滿足網(wǎng)絡拓撲結構監(jiān)控和維護的信息需求。
TI的ZigBee協(xié)議棧雖然可為用戶開發(fā)提供強大支持，但是在網(wǎng)絡監(jiān)控和維護上并沒有專用的接口。一方面，該協(xié)議棧只能發(fā)現(xiàn)節(jié)點加入網(wǎng)絡，但是無法發(fā)現(xiàn)節(jié)點非主動性的丟失或退出，因而不具備網(wǎng)絡拓撲監(jiān)控的功能；另一方面，協(xié)議在每個全功能節(jié)點中都維護了與之關聯(lián)設備的關聯(lián)表，但是并沒有維護整體網(wǎng)絡的關聯(lián)信息，因而無法掌控網(wǎng)絡拓撲的全貌。鑒于協(xié)議棧在網(wǎng)絡拓撲功能上的不足和缺陷，本文以協(xié)議基本流程為基礎，提出一種實現(xiàn)整體網(wǎng)絡拓撲監(jiān)控和維護的方法，該方法可以滿足一般系統(tǒng)對于拓撲結構的監(jiān)控和維護需求。
2 網(wǎng)絡拓撲結構監(jiān)控
網(wǎng)絡拓撲結構監(jiān)控的主要目的是實現(xiàn)拓撲結構的建立和在結構發(fā)生變化時及時獲取變化情況，其中最主要的是實現(xiàn)節(jié)點加入和退出事件的捕捉。節(jié)點加入事件的獲取相對容易，可以通過加入節(jié)點主動上報等方式來獲取；而節(jié)點丟失事件獲取要復雜得多?，F(xiàn)階段，對節(jié)點丟失情況的監(jiān)控多采用系統(tǒng)定期查詢的手段[2]。采用查詢方法時，其實時性與查詢周期的長短直接相關：查詢周期設置較長，拓撲變化反映時間增長，實時性變差；而查詢周期設置較短，則傳輸數(shù)據(jù)量增大，占用系統(tǒng)資源，往往很難在二者之間找到平衡點。協(xié)議棧中數(shù)據(jù)或消息的傳遞是一個復雜的過程，為了盡可能地降低系統(tǒng)資源的占用、節(jié)約能耗，除了維護系統(tǒng)正常運行所必須的數(shù)據(jù)通訊外，還應盡量減少人為添加（應用層）的數(shù)據(jù)通訊量。因此，最好的辦法就是利用協(xié)議自身的數(shù)據(jù)傳遞或者節(jié)點加入、失步等流程來實現(xiàn)相關信息的獲取。
本文設計了一種基于網(wǎng)關――葉子節(jié)點通訊的節(jié)點丟失情況獲取方法，該方法可以利用協(xié)議棧自身的運行流程，以較少的數(shù)據(jù)通訊量和簡單的操作，實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有節(jié)點的丟失情況獲取。
2.1節(jié)點加入事件的獲取
通常情況下，節(jié)點加入事件多采用加入節(jié)點主動上報的方法來獲取。該方法操作簡單，但是需要人為地發(fā)送相關加入信息，會增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊量。由圖2所示的節(jié)點加入流程可知，如果有子節(jié)點加入網(wǎng)絡，加入的指示信息都會通過ZDO_JoinIndicationCB()函數(shù)的調(diào)用報告給父節(jié)點。即該函數(shù)的調(diào)用證明有子節(jié)點的加入事件。因此，本文通過在此函數(shù)中添加向應用程序報告的功能，即可通知用戶子節(jié)點加入事件的發(fā)生。
2.2節(jié)點丟失信息的獲取
由圖3所示的流程可知，協(xié)議棧通過調(diào)用void ZDO_SyncIndicationCB( byte type, uint16 shortAddr )函數(shù)可實現(xiàn)失步情況的報告。該函數(shù)具有節(jié)點丟失的指示功能，并能夠指示丟失節(jié)點與本節(jié)點的父子關系和短地址等。但在實際的應用中發(fā)現(xiàn)，該函數(shù)的調(diào)用是有條件限制的，具體實施條件如下：
父節(jié)點丟失：從失步報告流程可知，終端節(jié)點能夠自動輪詢發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點同步信號的丟失，而無需人為添加任何觸發(fā)條件，引發(fā)函數(shù)調(diào)用。但路由節(jié)點不支持與父節(jié)點的輪詢機制，因而不能產(chǎn)生父節(jié)點丟失情況的報告。
子節(jié)點丟失：對于包括終端節(jié)點在內(nèi)的所有類型節(jié)點的子節(jié)點丟失，在未加相應處理的情況下，協(xié)議棧都不會引發(fā)該函數(shù)的調(diào)用。
由實施條件可知，該函數(shù)的丟失指示并不適用于所有類型節(jié)點的丟失情況，因此，如果要得到除終端父節(jié)點外網(wǎng)絡中所有節(jié)點的丟失情況，就需要人為加入其他處理，以觸發(fā)ZDO_SyncIndicationCB()函數(shù)的調(diào)用，從而實現(xiàn)丟失事件的獲取。
2.3 葉子節(jié)點通訊觸發(fā)方法
通常采用的基于查詢的網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)機制都需要在所有節(jié)點間發(fā)送數(shù)據(jù)，因而增大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)開銷。這里以圖4所示的拓撲結構為例，圖中的葉子通訊需要進行14條數(shù)據(jù)的查詢和14條數(shù)據(jù)的應答才能夠完成一次節(jié)點丟失情況的獲取。為了盡可能減少數(shù)據(jù)通訊和操作的復雜度，本文設計了一種基于網(wǎng)關――葉子節(jié)點通訊的節(jié)點丟失情況獲取方法，以便用較少的數(shù)據(jù)通訊量和簡單的操作來實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有節(jié)點的丟失情況獲取。
研究發(fā)現(xiàn)，失步函數(shù)的觸發(fā)可以通過加入數(shù)據(jù)通訊來實現(xiàn)。因為在數(shù)據(jù)發(fā)送的過程中，協(xié)議棧會開啟數(shù)據(jù)發(fā)送流程，數(shù)據(jù)發(fā)送后則會自動檢測接收方應答幀。這樣，如果節(jié)點丟失，則發(fā)送節(jié)點無法接收到有效應答，進而引發(fā)節(jié)點失步指示函數(shù)的觸發(fā)。
具體觸發(fā)時，如果節(jié)點之間有數(shù)據(jù)通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點則能夠發(fā)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)節(jié)點的丟失，從而引發(fā)void ZDO_SyncIndicationCB( byte type, uint16 shortAddr )函數(shù)的調(diào)用。
在同一條數(shù)據(jù)通路上的節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時，數(shù)據(jù)傳遞路徑上的各個節(jié)點都會發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點（數(shù)據(jù)由下而上）或者子節(jié)點（數(shù)據(jù)由上而下）的丟失，進而調(diào)用void ZDO_SyncIndicationCB( byte type, uint16 shortAddr )函數(shù)。如圖4所示，如果網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)到終端節(jié)點1，則在網(wǎng)關到終端節(jié)點1數(shù)據(jù)路徑上的所有節(jié)點（網(wǎng)關、路由1、路由2、終端1）都能夠發(fā)現(xiàn)其子節(jié)點的丟失；終端節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關，則路徑1上的所有節(jié)點都能發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點的丟失。
該方法通過建立數(shù)據(jù)通路上起始節(jié)點和末端節(jié)點的數(shù)據(jù)通訊來實現(xiàn)整條路徑上節(jié)點丟失情況的獲取。其具體操作過程分為兩個部分：其一是父節(jié)點丟失情況的獲取。由前面提到的實施條件可知，終端節(jié)點無需任何人為操作就能夠發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點的丟失，而無需對此部分做特殊處理，因而只需對路由節(jié)點做出處理。而由路由葉子節(jié)點（如圖4中路由節(jié)點2、4）向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)時，則可實現(xiàn)整條路徑上所有節(jié)點丟失情況的獲取。其二是子節(jié)點丟失情況的獲取。子節(jié)點丟失的獲取可以通過網(wǎng)關向葉子節(jié)點（圖4中所有終端節(jié)點和路由4）發(fā)送數(shù)據(jù)的方法來覆蓋整個網(wǎng)絡中的所有節(jié)點，從而使全部節(jié)點都能夠發(fā)現(xiàn)其子節(jié)點的丟失情況。
人為加入上述兩部分數(shù)據(jù)通訊后，只要整個網(wǎng)絡中有節(jié)點丟失，該丟失節(jié)點的父節(jié)點和子節(jié)點都會產(chǎn)生失步函數(shù)void ZDO_SyncIndicationCB( byte type, uint16 shortAddr )的調(diào)用，這樣就可以簡單地在該函數(shù)中添加向上層應用報告的功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡中節(jié)點丟失信息獲取。并且數(shù)據(jù)通訊量由原來的28條減少到6條，從而大大減少了數(shù)據(jù)消耗和由此帶來的系統(tǒng)資源占用。
3 網(wǎng)絡拓撲結構與維護
Z-stack協(xié)議棧在全功能節(jié)點中只維護與本節(jié)點直接關聯(lián)的節(jié)點信息的關聯(lián)表，沒有整體網(wǎng)絡信息的存儲功能。為了解決Z-stack關于網(wǎng)絡全貌信息缺失的缺陷，結合本文提出的網(wǎng)絡拓撲結構監(jiān)控方法，設計一種拓撲結構維護的方法，在占用少量資源的情況下獲取整個網(wǎng)絡的拓撲信息，并將信息整合到網(wǎng)關節(jié)點中統(tǒng)一維護和管理，從而建立網(wǎng)絡拓撲的管理辦法，實現(xiàn)具有自組織、自適應能力的智能網(wǎng)絡管理機制。
3.1管理模式
網(wǎng)絡信息管理可采用搜集模式和監(jiān)控模式相結合的方式。搜集模式通過發(fā)送指令搜集網(wǎng)絡拓撲信息，賦予用戶即時獲取當前網(wǎng)絡結構的能力；監(jiān)控模式通過監(jiān)控從網(wǎng)絡組建起歷史網(wǎng)絡的結構變化，實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲信息更新，從而整合為當前網(wǎng)絡拓撲結構。
搜集模式在實現(xiàn)時，首先由網(wǎng)關設備廣播一個命令來搜集設備信息；然后，收到廣播信息的路由節(jié)點再按照一定的數(shù)據(jù)格式，由網(wǎng)關返回子節(jié)點關聯(lián)信息；當網(wǎng)關收到各個路由節(jié)點的返回信息后，再將其組合為整個網(wǎng)絡中的設備信息。
監(jiān)控模式則是從網(wǎng)絡形成起，網(wǎng)關節(jié)點就開始監(jiān)控所有節(jié)點的狀態(tài)；當路由節(jié)點檢測到其子節(jié)點加入或者退出的時候，向網(wǎng)關上報該子節(jié)點的狀態(tài)變化信息，而網(wǎng)關節(jié)點檢測到子節(jié)點加入或者退出則不用上報，直接在網(wǎng)關內(nèi)部處理；當網(wǎng)關接收到路由節(jié)點上報的狀態(tài)信息后，就會刪除或者增加該路由子節(jié)點的關聯(lián)信息，同時更新整體網(wǎng)絡結構。
3.2 網(wǎng)絡拓撲存儲結構
網(wǎng)關節(jié)點作為整個網(wǎng)絡拓撲結構管理的中心，負責拓撲結構的添加、刪除和更新，因此，必須在網(wǎng)關節(jié)點存儲整體的網(wǎng)絡拓撲結構信息。受網(wǎng)關資源的限制，本文采用分級動態(tài)鏈表的形式保存網(wǎng)絡拓撲信息，以便以較少的資源占用實現(xiàn)拓撲信息的動態(tài)存儲。本設計的網(wǎng)絡拓撲存儲結構如圖5所示。
圖5中，AssocListHead是裝載路由節(jié)點頭信息的數(shù)組，包含有該路由節(jié)點的長地址、短地址、父節(jié)點短地址和擁有的子節(jié)點數(shù)以及指向其子節(jié)點鏈表assoc_list的頭指針；assoc_list鏈表中記載著這一路由下的子節(jié)點信息，包括子節(jié)點的短地址、長地址、類型、連接狀態(tài)等。在該路由下每增加一個子節(jié)點，就會在assoc_list鏈表中添加一個節(jié)點信息，當節(jié)點離開時，又會將相對應的鏈表刪除。這樣，網(wǎng)關就可以方便地對當前網(wǎng)絡中的所有節(jié)點的拓撲和相關信息進行查找、更新、維護。
3.3 網(wǎng)絡維護方案
網(wǎng)絡維護的實施要建立網(wǎng)絡中所有類型節(jié)點間的區(qū)分與協(xié)作機制。區(qū)分是根據(jù)節(jié)點類型的不同、事件類型的不同做出區(qū)別處理；協(xié)作是在所有節(jié)點間建立連動響應機制，相互配合，并實現(xiàn)信息的匯聚和統(tǒng)一管理。具體的網(wǎng)絡維護分為事件響應和信息維護兩部分。
3.3.1 拓撲變化事件的響應
拓撲變化主要是指節(jié)點加入事件和節(jié)點退出事件。當節(jié)點加入事件是指節(jié)點加入網(wǎng)絡時，其父節(jié)點負責將該子節(jié)點加入信息上報網(wǎng)關；節(jié)點退出事件則是指獲取到的網(wǎng)絡節(jié)點丟失信息的處理。處理可分為兩種情況：一種是當傳遞來的type = 1時，即丟失節(jié)點為本節(jié)點的父節(jié)點時，開啟網(wǎng)絡加入流程，使節(jié)點可以重新加入網(wǎng)絡，并恢復網(wǎng)絡的正常運行；第二種情況是type = 0時，即本節(jié)點發(fā)現(xiàn)其中一子節(jié)點丟失。本方法對于長時間無法連接的子節(jié)點，將啟動移除（LEAVE）流程，將該子節(jié)點從網(wǎng)絡中刪除，同時向網(wǎng)關節(jié)點報告子節(jié)點退出的消息。
需要注意的是：當子節(jié)點丟失時，有的時候是真正丟失了（長時間或永久無法連接），但更多的時候只是暫時地失去聯(lián)系，隨著子節(jié)點的重新加入申請，又可以加入網(wǎng)絡，恢復正常的運行狀態(tài)。因此，設計時需要將暫時失步和真正丟失這兩種情況區(qū)分開，再分別做出合理的處理。
本文采用延時判斷的方式，即當檢測到失步現(xiàn)象發(fā)生后，先定時一段時間，再做判斷：如果定時一段時間后，節(jié)點仍舊失去聯(lián)系，則判定是真的丟失了節(jié)點，此時可通過NLME_LeaveReq移除子節(jié)點，同時上報網(wǎng)關節(jié)點丟失的消息；否則認為只是暫時的節(jié)點失步。 節(jié)點退出情況的處理流程如圖6所示。
3.3.2 拓撲信息的維護
由網(wǎng)絡各個路由上報的節(jié)點加入或退出的信息最終將在網(wǎng)關匯集，網(wǎng)關按照上報的節(jié)點加入、退出信息對網(wǎng)絡拓撲存儲關聯(lián)表進行添加、刪除、更新，以維護當前網(wǎng)絡拓撲狀態(tài)。其具體方法是先判斷接收信息的種類，然后對節(jié)點加入信息和節(jié)點退出信息分別處理。對于加入信息，可核查是否是已經(jīng)存在于網(wǎng)絡中的點，如果是已經(jīng)存在的，則更新存儲的節(jié)點信息；如果是一個全新的點，則為該節(jié)點分配存儲空間，并在對應的父節(jié)點下增添子節(jié)點分支。對于退出信息，同樣核查是否是存在于網(wǎng)絡中的點，如果該節(jié)點已經(jīng)不存在了，則報錯處理；如果是存在的點，則將該節(jié)點信息刪除，并解除與其父節(jié)點的父子聯(lián)系。
網(wǎng)關在接收到由父節(jié)點上報的節(jié)點加入消息時，還需要對加入子節(jié)點類型進行判斷：如果是終端節(jié)點，則在其父節(jié)點的鏈表中更新或加入該子節(jié)點的相關信息；如果加入節(jié)點是路由節(jié)點，除了在該路由節(jié)點父節(jié)點的鏈表中加入該子節(jié)點信息外，還要添加該子路由關聯(lián)頭信息。圖7所示是實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲維護管理的示意圖。
4 實驗驗證
本文的實驗驗證可在基于CC2430搭建的WSN開發(fā)平臺上進行，該平臺共使用5個終端節(jié)點、5個路由節(jié)點、1個網(wǎng)關和PC調(diào)試機。所有傳感器節(jié)點自組織成無線網(wǎng)絡，并將感知信息和拓撲信息匯報給網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點與PC機通過串口相連，操作人員可以通過上位機的調(diào)試軟件對網(wǎng)絡狀態(tài)進行實時監(jiān)控。圖8所示是其上位機監(jiān)控程序界面。該試驗網(wǎng)絡的節(jié)點布局示意圖如圖9所示。
實驗時隨機選取監(jiān)控過程中兩個時間點的網(wǎng)絡拓撲結構監(jiān)控過程示意圖如圖10所示。其中兩個時間點在實驗過程中上報的拓撲變化信息如表1所列。
從實驗結果可以看出，一方面，父節(jié)點能夠?qū)崟r上報其子節(jié)點加入和丟失的網(wǎng)絡變化情況；另一方面，子節(jié)點也能夠及時檢測出其父節(jié)點的丟失，并選擇其他父節(jié)點重新申請加入網(wǎng)絡?？梢?，本系統(tǒng)具有網(wǎng)絡的自組織、自適應的動態(tài)網(wǎng)絡監(jiān)控與維護功能。
5 結 語
本文提出了一種通過終端與父節(jié)點間的失步信號來捕捉與基于葉子節(jié)點人為觸發(fā)失步函數(shù)調(diào)用的方法，可以實現(xiàn)整個網(wǎng)絡節(jié)點丟失情況的獲取。其中，通過終端與父節(jié)點間失步信號來捕捉節(jié)點丟失信息的方法無需人為干預，能夠通過協(xié)議自動實現(xiàn)，從而減少了查詢的數(shù)據(jù)量和對其操作帶來的系統(tǒng)資源占用；基于葉子節(jié)點的失步函數(shù)觸發(fā)機制，只通過葉子節(jié)點與網(wǎng)關的數(shù)據(jù)傳輸，就能夠完成整個線路上節(jié)點丟失情況的獲取，在實際應用中，經(jīng)常由終端上報數(shù)據(jù)，相當于終端自動完成數(shù)據(jù)線路上父節(jié)點丟失情況的發(fā)現(xiàn)，使該方法的實施更加簡單。這兩種方法的結合，能夠以較小的數(shù)據(jù)通訊量、簡單的操作和較小的系統(tǒng)資源占用來實現(xiàn)網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)的功能，因而
具有較高的實際應用價值。
本文提出的網(wǎng)絡拓撲維護方法具備網(wǎng)絡拓撲的自組織、自適應功能，可滿足無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)對于網(wǎng)絡組織結構的動態(tài)性能要求。同時具備拓撲結構的存儲功能，能以較少的系統(tǒng)資源保存整個網(wǎng)絡的動態(tài)拓撲結構，十分方便網(wǎng)絡的管理和控制。
摘 要：在無線傳感器網(wǎng)絡研究中，拓撲控制技術是核心技術之一，本文首先描述了現(xiàn)有拓撲控制算法的分類，其次分析了幾種典型的算法并總結了其優(yōu)缺點，最后簡述了現(xiàn)有拓撲控制技術中存在的問題以及未來研究的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；拓撲控制；發(fā)展趨勢
1 引言
無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是集信息采集、傳輸以及處理于一體的智能信息管理系統(tǒng)，應用前景廣闊，是目前比較活躍的一個領域。
WSN是一種由大量微傳感器節(jié)點組成的自組織網(wǎng)絡，其向?qū)W者們提供了大量的研究課題，拓撲控制是最基本問題之一。拓撲控制就是要研究如何形成一個良好的網(wǎng)絡拓撲結構，為數(shù)據(jù)融合、路由協(xié)議以及目標定位等其他技術提供支撐。
WSN節(jié)點通常大規(guī)模部署并且具有隨機性、自組織性，網(wǎng)絡組織方式通常多種多樣，節(jié)點能量非常有限，因此，在設計無線傳感器網(wǎng)絡時，要提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，延長網(wǎng)絡生存周期，一定要有一個良好的網(wǎng)絡拓撲結構。
目前主流的拓撲控制算法可分為：節(jié)點功率控制型和層次型拓撲控制型。
功率控制就是通過變化節(jié)點的發(fā)射功率來調(diào)整節(jié)點無線信號的覆蓋區(qū)域大小，在此基礎上調(diào)節(jié)網(wǎng)絡的拓撲結構，最終目的是提高整個網(wǎng)絡的連通性。
層次型拓撲控制主要采用的是分簇機制，將整個網(wǎng)絡劃分成若干區(qū)域形成多個簇，選出骨干節(jié)點構成骨干網(wǎng)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而普通節(jié)點可擇機關閉不必要的模塊，以避免不必要的能量消耗。
2 典型的拓撲控制算法
2.1節(jié)點功率拓撲控制算法
LMA和LMN算法是基于節(jié)點度的算法，通過不斷的改變節(jié)點的發(fā)射功率來使得其度數(shù)處在一個合適的范圍，根據(jù)已經(jīng)采集到的局部信息來調(diào)整鄰居節(jié)點之間的連通性，最終使整個網(wǎng)絡具有連通性。兩種算法的相同點是分步驟、周期性地調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，不同點是它們有著不同的節(jié)點度數(shù)計算方法。
這兩種算法利用較少的局部信息就可確定節(jié)點功率的調(diào)節(jié)方式，而且對時鐘同步、傳感器節(jié)點要求均不高，但是在節(jié)點鄰居節(jié)點判斷上存在不足，所形成的網(wǎng)狀拓撲結構不僅增大了網(wǎng)絡復雜度，而且使網(wǎng)絡開銷增大了。
DRNG和DLMST算法是基于鄰近圖的拓撲控制算法，所有節(jié)點調(diào)整發(fā)射功率至最大化形成一個拓撲結構圖，再根據(jù)設定的鄰居判別規(guī)則得出該圖的鄰近圖，每個節(jié)點根據(jù)鄰居中最遠節(jié)點的距離來設定發(fā)射功率。
這兩種算法均以節(jié)點發(fā)射功率不一致為背景，基于鄰近圖RNG、最小生成樹LMST理論，用距離最遠的鄰居節(jié)點所需的發(fā)射功率為標準，有效解決了發(fā)射功率不一致的問題，并通過增加刪除操作來保證網(wǎng)絡拓撲的雙向連通。但是這兩個算法需要精確的定位信息。
2.2 層次型拓撲控制算法
LEACH是最早的也是較典型的基于均勻分簇的拓撲控制算法，簇首通過分布式選舉隨機生成，剩余節(jié)點作為簇內(nèi)成員節(jié)點。在網(wǎng)絡運行中，簇首節(jié)點融合簇內(nèi)所有節(jié)點的信息，以單跳方式發(fā)送至Sink節(jié)點。簇首節(jié)點和簇結構均周期性更新。
相對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡，LEACH使用簇結構，能有效提高節(jié)點能量利用率和網(wǎng)絡壽命。但簇首節(jié)點和Sink節(jié)點之間的單跳通信可能因長距離數(shù)據(jù)傳輸而能耗過大；頻繁的簇重增加了額外的通信開銷；簇首節(jié)點的選擇未考慮節(jié)點地理位置、剩余能量等因素。
GAF是一種基于地理位置的分簇拓撲控制算法，首先將網(wǎng)絡劃分為固定數(shù)目的虛擬分區(qū)，節(jié)點將自身地理位置信息與虛擬網(wǎng)格中某個點關聯(lián)映射起來并計算自身所屬的分區(qū)，每個區(qū)域內(nèi)選出一個節(jié)點在某一時間段內(nèi)處于活動狀態(tài)來監(jiān)測所在區(qū)域內(nèi)的信息并報告數(shù)據(jù)給Sink節(jié)點。
GAF使得形成的簇結構更均勻，但是在選擇簇首時沒考慮節(jié)點的剩余能量，劃分單元格時，若節(jié)點間的一跳通信距離較小單元格會比較密集，而一跳通信距離較大分簇又比較稀疏，這樣的分簇反而會降低網(wǎng)絡的效率。
EEUC是一種分布式的、非均勻分簇算法，首先以概率T（由算法預先設定）在網(wǎng)絡中選出一些節(jié)點作為候選簇首節(jié)點。簇首由候選簇首節(jié)點競爭產(chǎn)生，其他節(jié)點在簇首選舉過程中處于休眠狀態(tài)，其中競爭半徑由候選簇首到Sink節(jié)點的距離決定。
EEUC將整個網(wǎng)絡分成規(guī)模各異的簇，簇的規(guī)模與離Sink節(jié)點的距離成反比，這樣有效降低了簇首通信代價，避免了“熱區(qū)”問題，延長了網(wǎng)絡周期。但EEUC單純的考慮距離而沒有考慮節(jié)點的剩余能量以及密度因素，而且沒有考慮簇首節(jié)點在簇內(nèi)的位置，可能造成網(wǎng)絡能耗不均衡過早死亡的現(xiàn)象。
結語
本文介紹了WSN拓撲控制的分類和幾種經(jīng)典的拓撲控制算法，分析了算法的優(yōu)缺點。目前的大多數(shù)研究模型都比較理想化，沒有全面考慮實際應用中存在的問題，還有很多問題亟需進一步研究。未來拓撲控制研究的發(fā)展趨勢應為：結合多種機制且更接近實際情況，網(wǎng)絡的各種性能應被綜合考慮進來，拓撲控制的自適應性和魯棒性應有所提高。
摘要：
針對森林火災監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡特點，建立了基于隨機幾何圖的加權網(wǎng)絡拓撲模型，連邊權重為體現(xiàn)節(jié)點通訊能耗的相異權。該模型不僅描述了節(jié)點間相互連接關系，還能體現(xiàn)節(jié)點間距離及通訊半徑對拓撲結構的影響，研究中利用復雜網(wǎng)絡分析方法對模型進行了驗證。此外，在此模型基礎上提出了拓撲優(yōu)化算法。該算法在網(wǎng)絡連通的前提下，通過約束節(jié)點單跳可達鄰居數(shù)簡化了網(wǎng)絡結構。實驗結果表明，拓撲模型與實際網(wǎng)絡特性相符，拓撲優(yōu)化算法能有效降低連邊密度，有利于簡化復雜的路由計算，延長網(wǎng)絡壽命。
關鍵詞：
森林火災監(jiān)控；WSN；拓撲模型；拓撲優(yōu)化
森林是人類賴以生存及社會發(fā)展最重要和不可缺少的資源。由于自然或人為因素導致森林火災時有發(fā)生，森林火災是破壞森林資源安全、威脅人類生存環(huán)境最為嚴重的災害之一。如何準確、高效地預防和發(fā)現(xiàn)火情已成為亟待解決的問題。森林地勢復雜，很多區(qū)域人員難以到達，不易進行人工和有線監(jiān)測。因此，無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）技術應用于森林火災監(jiān)測具有廣闊的前景。森林面積廣闊，監(jiān)測系統(tǒng)需要大量微型、廉價的傳感器節(jié)點，節(jié)點通過人工埋置或飛行器播撒的方式隨機部署，實時感知覆蓋區(qū)域內(nèi)的溫度、煙霧濃度等火災信息，通過自組織網(wǎng)絡將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)Internet、移動通信網(wǎng)絡或衛(wèi)星等途徑發(fā)送到控制中心，實現(xiàn)對森林火災的無線監(jiān)測。與其他通信網(wǎng)絡相比，森林火災監(jiān)測系統(tǒng)中采用的無線傳感器網(wǎng)絡具有網(wǎng)絡規(guī)模大、節(jié)點部署密集、網(wǎng)絡冗余度高、節(jié)點自身資源受限等特點。對于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡而言設計良好的拓撲結構尤為重要，網(wǎng)絡拓撲是設計和組建網(wǎng)絡的第一步，也是實現(xiàn)各種協(xié)議的基礎。因此，如何建立更加符合實際網(wǎng)絡特性的拓撲模型是研究的前提。此外，由于傳感器節(jié)點部署具有很大的隨機性，節(jié)點的位置不可預測，初始的網(wǎng)絡拓撲很難滿足要求，需要進行優(yōu)化控制。筆者主要針對森林火災監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡的特點，構建網(wǎng)絡拓撲模型，并在此模型基礎上對網(wǎng)絡拓撲進行優(yōu)化，為網(wǎng)絡性能的提高奠定基礎。
1WSN拓撲結構
1．1傳感器節(jié)點通信特性
無線信號在傳播過程中由于受環(huán)境因素的影響，信號強度會隨傳播距離的增加而衰減。依據(jù)自由空間傳播路徑損耗模型，距發(fā)射機為d處的平均接收功率Pr（d）可以表示為式（1）。Pt為發(fā)射天線輻射功率；Gt為發(fā)送天線的方向增益；Gr為接收天線的方向增益；λ為媒介中場的波長。為了保證節(jié)點直接通信，節(jié)點間距離d必須滿足d≤ΨPtPr，（）th，其中Ψ＝GtGrλ4［］π2，d稱為節(jié)點通信半徑。在布爾型全向感知模型中設節(jié)點i在二維平面上的坐標為xi＝（xi，yi），節(jié)點感知半徑為ri，節(jié)點對于在坐標xj＝（xj，yj）處任意節(jié)點j的感知概率可表示為式（2與j的距離。
1．2傳感器節(jié)點度分布
設有n個節(jié)點隨機分布于區(qū)域A內(nèi)，網(wǎng)絡節(jié)點密度ρ＝n／SA，SA表示區(qū)域A的面積。網(wǎng)絡中任意節(jié)點恰好位于區(qū)域B（其中BA）的概率為P＝SBSA，隨機變量X表示恰好有m個節(jié)點位于區(qū)域B中的事件，則該隨機變量服從二項分布，由P＝ρSBn可得式（3）由式（4）可知，當網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)n很大時，傳感器節(jié)點度分布近似為泊松分布。
2WSN拓撲建模
2．1加權網(wǎng)絡拓撲模型
為了解決隨機圖對無線傳感器網(wǎng)絡拓撲建模存在的不足，研究中采用隨機幾何圖構建網(wǎng)絡拓撲模型。設傳感器節(jié)點的通信半徑與感知半徑相等，將無線傳感器網(wǎng)絡用隨機幾何圖描述，其中n為節(jié)點數(shù)，r為通信半徑。V＝｛v1，v2，v3Λ，vN］表示網(wǎng)絡中節(jié)點集合，dij表示節(jié)點vi和vj間的距離，E＝｛e1，e2，e3Λ，ew］V×V表示邊的集合。節(jié)點通信覆蓋范圍是以自身為圓心，r為半徑的圓盤區(qū)域，如式（5）所示?？紤]節(jié)點間距離對網(wǎng)絡拓撲的影響，需要在網(wǎng)絡連邊上賦予權重。對于無線傳感器網(wǎng)絡，節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時總是選取能耗最低的路徑。式（1）可知，自由空間模型下無線通信的能量消耗會隨著通信距離的增加而增長。因此，可以將d2ij作為權重賦予連邊eij，d2ij的大小可體現(xiàn)節(jié)點間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所消耗的能量。無線傳感器網(wǎng)絡的加權拓撲模型就可用相應的加權鄰接矩陣A＝［aij］表示。其中，aij＝f（xij）?g（dij），f（xij）為節(jié)點感知概率，g（dij）＝d2ij。節(jié)點間距離越近權重越小，距離越遠權重越大，當兩點間無直接連接時權重為∞。
2．2實驗仿真
在100m×100m的區(qū)域內(nèi)隨機部署200個傳感器節(jié)點，節(jié)點通信半徑為13m。網(wǎng)絡中所有節(jié)點均同質(zhì)，具有相同的物理性質(zhì)和通信半徑，節(jié)點采用布爾型全向感知模型。圖1為網(wǎng)絡拓撲結構?？紤]到拓撲結構模型為加權網(wǎng)絡，因此主要分析節(jié)點度分布和節(jié)點強度分布，如圖2和圖3所示。研究結果表明，整個網(wǎng)絡節(jié)點度分布比較均勻，大量節(jié)點度集中在7～11之間，以平均度8．5為中心兩邊迅速下降，度值小于7或大于11的節(jié)點所占比例不足5％，近似泊松分布，與理論推導的結論相符。圖3顯示網(wǎng)絡節(jié)點強度分布比較均勻，大量節(jié)點的點強度集中于平均值附近，少量點的強度偏離均值。為了揭示無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構特性，將傳感器網(wǎng)絡拓撲模型統(tǒng)計特性與隨機網(wǎng)、小世界網(wǎng)和近鄰耦合網(wǎng)的統(tǒng)計特性進行了對比，表1給出了同等規(guī)模下不同
2．3結果討論
（1）所建立的拓撲模型中節(jié)點度分布均勻，近似為泊松分布，與理論計算結果相符。網(wǎng)絡節(jié)點度有界，這與節(jié)點感知范圍有限所導致的局部通信特性相一致。（2）通過計算發(fā)現(xiàn)，點強度與節(jié)點度不滿足s（k）≈＜w＞k的關系（＜w＞為網(wǎng)絡邊權平均值）而滿足s（k）≈Akβ的關系。其中β≈0．45、A≈32，表明網(wǎng)絡邊權與拓撲結構有關，與網(wǎng)絡模型構建中邊權的賦予方式相符。（3）與其他三類網(wǎng)絡相比，無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構具有較大的聚類系數(shù)，即網(wǎng)絡具有明顯的聚類效應，局部節(jié)點間的連接比較緊密，這符合傳感器網(wǎng)絡的本地化通信特點。
3拓撲控制
3．1拓撲優(yōu)化算法
森林火災監(jiān)測中需要大量的傳感器節(jié)點，為了保證網(wǎng)絡的連通及對被測區(qū)域的全覆蓋，網(wǎng)絡建立初期形成的拓撲結構具有較大的冗余。這樣既不利于節(jié)點能耗的降低，又會增加節(jié)點間通信干擾。因此，研究中提出了基于約束節(jié)點連邊數(shù)的稀疏網(wǎng)絡拓撲優(yōu)化算法。算法中主要針對“度”大的節(jié)點邊數(shù)進行約束，選定節(jié)點后刪除與該節(jié)點相連的哪些邊是算法的關鍵，這就要求對節(jié)點在信息傳遞過程中的重要度進行評估。通常用度描述網(wǎng)絡節(jié)點的重要程度，但對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡，考慮某一節(jié)點對其他節(jié)點的影響力更為重要。而“介數(shù)”衡量的就是點對其他節(jié)點的影響程度。節(jié)點i介數(shù)L（i）是網(wǎng)絡中所有節(jié)點對之間通過該節(jié)點的最短路徑數(shù)占所有最短路徑數(shù)的比例，即L（i）＝∑s≠t≠iσst（i）σst。其中，s．t是網(wǎng)絡中的節(jié)點對，σst是從s到t的所有最短路徑的總和，σst（i）表示通過節(jié)點i的所有最短路徑數(shù)。顯然，在討論無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流通時，介數(shù)比節(jié)點度能夠更好地評價節(jié)點的重要程度。因此，研究中將介數(shù)作為衡量節(jié)點重要度的指標，以此來確定所要刪除的連邊。具體算法如下：（1）隨機部署節(jié)點，設置通信半徑保證網(wǎng)絡連通，初步形成網(wǎng)絡拓撲；（2）選取節(jié)點i進行連邊約束，節(jié)點被選中的概率與其節(jié)點度d成正比；（3）確定與被選節(jié)點i相連的所有鄰居節(jié)點集合V＝｛vj｜aij≠0］，在集合V內(nèi)選取ρd個節(jié)點，在集合V內(nèi)節(jié)點介數(shù)越小被選中的概率越大（其中ρ為刪邊比例，d為節(jié)點i的度）；（4）確定節(jié)點i及其鄰居節(jié)點j后，判斷二者的連邊是否唯一，如果唯一，放棄該鄰居節(jié)點返回第3步，在集合V中重新選取，如果不唯一刪除連邊eij；（5）返回第2步，重復上述過程。
3．2算法仿真
實驗中網(wǎng)絡參數(shù)設置如下：節(jié)點數(shù)為200，分布區(qū)域面積10000m2，節(jié)點通信半徑為14m。圖4為初始網(wǎng)絡拓撲，圖5為對節(jié)點度進行約束后得到的稀疏網(wǎng)絡拓撲。表2為拓撲優(yōu)化前后網(wǎng)絡結構測度的對比?？梢钥闯?，網(wǎng)絡連邊密度降低了41．5％，節(jié)點平均度減少了41．5％，而網(wǎng)絡的平均最短路徑只增加了14．8％。優(yōu)化后的拓撲既簡化了網(wǎng)絡結構又保證了網(wǎng)絡的連通，將有利于路由的簡化和網(wǎng)絡生存周期的延長。
4結論
為了滿足森林火災監(jiān)控的需求，無線傳感器網(wǎng)絡被廣泛應用。森林火災監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡具有網(wǎng)絡規(guī)模大、節(jié)點部署隨機、結構冗余度高、節(jié)點自身資源受限等特點。結合這些特點，筆者建立了基于隨機幾何圖的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲模型。該模型不僅可以描述傳感器節(jié)點間相互連接關系，還可以體現(xiàn)節(jié)點間距離及通訊半徑對網(wǎng)絡拓撲結構的影響。此外，在此模型基礎上對網(wǎng)絡拓撲進行了優(yōu)化，以度和介數(shù)作為節(jié)點重要程度的衡量指標，提出了稀疏網(wǎng)絡拓撲優(yōu)化算法，通過該算法對網(wǎng)絡的冗余鏈路進行適當?shù)貏h減，降低了網(wǎng)絡連邊密度，在保證網(wǎng)絡連通的情況下實現(xiàn)網(wǎng)絡結構的簡化，有利于簡化復雜的路由計算，降低節(jié)點間通信干擾，延長網(wǎng)絡生存周期。
作者：任月清 齊利曉 楊國慶 單位：天津城建大學
