摘 要： 拓撲維護對無線傳感器網(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)用拓撲構(gòu)建或維護算法來修復(fù)、重構(gòu)當(dāng)前的拓撲結(jié)構(gòu)以提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期,。首先對拓撲維護進行了定義,，描述了拓撲維護的設(shè)計目標(biāo)，并設(shè)計了一個拓撲維護通用模型,。然后闡述了拓撲維護技術(shù)的研究進展,，并對其中有代表性的算法進行了比較分析。最后指出了目前拓撲維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)度到拓撲控制,。目的是盡可能多的節(jié)省能量,，最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期。

　　拓撲控制作為無線傳感器網(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)的拓撲來節(jié)省能量。而且,，拓撲控制形成的良好網(wǎng)絡(luò)拓撲能夠提高路由協(xié)議和MAC 協(xié)議的效率,。然而，拓撲控制通常被視為一個單一過程，它并未包括對網(wǎng)絡(luò)拓撲的維護,，這影響拓撲控制算法的分類,。目前的分類都局限于如何構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，而忽略拓撲控制中的拓撲維護,。

　　雖然對拓撲維護進行了簡單定義,，并根據(jù)目標(biāo)優(yōu)化拓撲構(gòu)建的時間將拓撲維護技術(shù)分為靜態(tài)、動態(tài)和混合拓撲維護,。但文中并未對拓撲維護進行系統(tǒng)闡述,，而對拓撲維護的定義又不嚴謹,，對拓撲維護技術(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)和混合拓撲維護算法或協(xié)議。因此,，為了更深入的對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓撲維護技術(shù)進行研究,，本文從拓撲維護定義及模型，拓撲維護設(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)展方向等方面對拓撲維護進行了闡述,。第1 節(jié)描述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲維護基礎(chǔ)，主要給出了拓撲維護全新的定義,，并指出拓撲維護設(shè)計目標(biāo),。第2 節(jié)設(shè)計了一個拓撲維護通用模型，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)拓撲維護研究工作,，并進行了比較分析。第4 節(jié)分析了當(dāng)前研究中的不足,，并指出拓撲維護技術(shù)的發(fā)展方向,。最后對全文進行了總結(jié)。

　　1 拓撲維護基礎(chǔ)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制由兩部分組成,，即拓撲構(gòu)建和拓撲維護,。一旦建立起最初的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化拓撲，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哪芰浚虼穗S著時間的推移,，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓撲不再處于最優(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 拓撲維護定義

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制可以看作一個重復(fù)的過程,，如圖1 所示,。首先，對所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都有一個拓撲初始化階段。在該階段,，每個節(jié)點用其最大發(fā)射功率發(fā)射來建立初始拓撲,。在初始化階段后，通過運行不同的算法或協(xié)議來對初始拓撲進行優(yōu)化,，并最終構(gòu)建一個優(yōu)化拓撲,，該階段稱之為拓撲構(gòu)建。一旦拓撲構(gòu)建階段建立起優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲,，拓撲維護階段必須開始工作,。

　　在拓撲維護階段，實時監(jiān)測當(dāng)前拓撲狀態(tài),，并在適當(dāng)?shù)臅r候觸發(fā)拓撲恢復(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),，拓撲維護周期運行,，直到網(wǎng)絡(luò)死亡。目前,，對拓撲維護進行定義的文獻很少,，文獻［8］對拓撲維護進行了簡單定義，指出“拓撲維護是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前工作的拓撲結(jié)構(gòu)不是最優(yōu)化的拓撲結(jié)構(gòu)時,，及時通過修復(fù),、切換或重構(gòu)新的網(wǎng)絡(luò)拓撲，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”,。

　　該定義沒有指出拓撲維護運行的時間、所采取的維護方式,，特別是定義中提到使拓撲達到或接近最優(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，本文對拓撲維護進行了比較嚴謹?shù)亩x,，即拓撲維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撲構(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)拓撲，均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗,，使新的拓撲成為當(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)

　　拓撲維護和其它傳感器網(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)的拓撲維護設(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撲維護主要考慮的設(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,。

　　拓撲維護是延長網(wǎng)絡(luò)生命周期十分有效的技術(shù),，如拓撲維護協(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，它一直是拓撲維護研究的主要目標(biāo),。

　?。?）覆蓋和連通

　　覆蓋和連通是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲維護的基本問題，拓撲維護在對原有的優(yōu)化拓撲進行恢復(fù),、切換或重構(gòu)的過程中,，必須保持原有拓撲的覆蓋或連通。

　?。?）安全和故障容忍

　　拓撲維護過程中,，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撲維護的整體任務(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，安全也是拓撲維護的一個重要目標(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，拓撲維護算法必須是能量有效的,。也就是說拓撲維護算法應(yīng)該具有低的計算復(fù)雜度和低的報文開銷,。此外,，在拓撲維護過程中，當(dāng)前的拓撲將被一個新的拓撲取代,，因此在新拓撲被激活之間有一個轉(zhuǎn)換時間,，該時間應(yīng)該盡可能小。

　?。?）能量均衡和可擴展性

　　拓撲維護技術(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,。拓撲維護協(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 拓撲維護模型

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

　　從上圖可見,，每個拓撲維護周期，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)拓撲維護過程。決策器用來選擇拓撲維護策略,。

　　接下來對該模型進行詳細描述,。

　　（1）觸發(fā)器

　　觸發(fā)器負責(zé)周期地觸發(fā)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓撲的維護過程,，其對拓撲維護的性能具有重要的影響,。因為如果提前觸發(fā)，則由于頻繁運行拓撲維護協(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)拓撲維護,，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)的拓撲維護,。

　　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)拓撲維護是很有必要的,。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)拓撲維護過程,。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)拓撲維護過程,。而Poly算法中,，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的整體能量降低10%時觸發(fā)拓撲維護過程。

　　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)拓撲維護,。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撲構(gòu)建算法來維護網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)局部拓撲維護過程。

　　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)拓撲維護過程,。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)拓撲維護過程,。

　　此外,，這些觸發(fā)條件也可任意組合用來觸發(fā)拓撲維護過程,，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,。

　　（2）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)拓撲結(jié)構(gòu),，它是拓撲維護的核心,。拓撲維護策略可以分為兩種，一種是基于角色輪換的拓撲維護策略,，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,。另一種是基于拓撲重構(gòu)的拓撲維護策略,，其實質(zhì)是運行拓撲構(gòu)建階段的算法或?qū)ｉT的拓撲維護算法與協(xié)議來維護網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),。

　　在基于角色輪換的拓撲維護策略中，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)點的角色遷移與拓撲維護協(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.

　　而基于拓撲重構(gòu)的拓撲維護策略中,，主要是重新調(diào)用拓撲構(gòu)建階段的算法或?qū)ｉT的拓撲維護算法,。因此，調(diào)用算法的頻率是關(guān)鍵,。一旦觸發(fā)器觸發(fā)拓撲維護過程,，拓撲維護策略則應(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)拓撲結(jié)構(gòu),。無論是基于角色轉(zhuǎn)換還是基于拓撲重構(gòu)的拓撲維護技術(shù),，決策器還負責(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)拓撲結(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。

　　3 拓撲維護研究現(xiàn)狀

　　目前專門的拓撲維護技術(shù)研究還比較少,，但相關(guān)研究結(jié)果表明優(yōu)化的拓撲維護能有效地節(jié)省能量并延長網(wǎng)絡(luò)生命周期,，同時保持網(wǎng)絡(luò)的基本屬性覆蓋或連通。本節(jié)中,，根據(jù)拓撲維護決策器所選維護策略將現(xiàn)有的拓撲維護技術(shù)分為基于角色輪換,、基于拓撲重構(gòu)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(zhuǎn)換的拓撲維護技術(shù),，通過輪換節(jié)點的角色來對拓撲進行維護,。節(jié)點的角色可以從多方面描述，如睡眠/工作,、簇頭/非簇頭,、協(xié)調(diào)器/非協(xié)調(diào)器等,，且節(jié)點的角色可以相互轉(zhuǎn)換。目前研究中,，輪換的節(jié)點角色主要有兩種,，一種是簇頭/非簇頭。它通過輪換簇內(nèi)簇頭節(jié)點來均衡簇內(nèi)能量消耗,，優(yōu)化局部網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),。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(wǎng)絡(luò)中節(jié)點等概率擔(dān)任簇頭,，有效地節(jié)省節(jié)點能量。

　　另一種節(jié)點角色輪換為睡眠/工作,，它通過調(diào)度那些未參與通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進入睡眠狀態(tài)來節(jié)約能量,，實現(xiàn)延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。如SPAN通過維護組成骨干基礎(chǔ)架構(gòu)的節(jié)點來保持網(wǎng)絡(luò)的連通和轉(zhuǎn)發(fā)能力,。MESH-CDS中,，最大獨立集中節(jié)點故障時，通過轉(zhuǎn)換節(jié)點角色來修復(fù)最大獨立集并維護一個連通的骨干網(wǎng)絡(luò),。此外,，CCP通過對節(jié)點角色的輪換維護網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換的拓撲維護協(xié)議,。其基本思想主要是通過保持一個足夠大的工作節(jié)點子集來維護網(wǎng)絡(luò)k-覆蓋,。

　　在該算法中，每個節(jié)點扮演兩個角色,，即睡眠節(jié)點或工作節(jié)點,。每個節(jié)點利用ks-覆蓋規(guī)則和接收其鄰居節(jié)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?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)配置到指定的覆蓋度與連通度,，并通過角色輪換來維護網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和連通,，其可靈活地應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。但是,，CCP 需要較為精確的位置信息，并且當(dāng)發(fā)射半徑小于感知半徑的2倍時,，不能保證網(wǎng)絡(luò)的連通性,。

　　由上可見，基于角色輪換的技術(shù)通過調(diào)度那些未參與通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進入睡眠狀態(tài)或選擇剩余能量多的節(jié)點擔(dān)任簇頭來維護網(wǎng)絡(luò)連通和覆蓋,。睡眠節(jié)點或非簇頭節(jié)點消耗的能量很小,，且它們比工作節(jié)點或簇頭節(jié)點的數(shù)量大得多，所以網(wǎng)絡(luò)的能量消耗性能十分優(yōu)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(fù)雜度低,。然而,，基于角色輪換的拓撲維護技術(shù)僅從局部對網(wǎng)絡(luò)進行維護，不能從網(wǎng)絡(luò)的整體出發(fā),，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)拓撲非最優(yōu)甚至不連通,。

　　3.2 基于拓撲重構(gòu)的拓撲維護

　　基于拓撲構(gòu)建的拓撲維護技術(shù)通常周期性調(diào)用拓撲構(gòu)建過程或?qū)Ｓ玫木S護算法來重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的拓撲。如DKM協(xié)議,，當(dāng)節(jié)點密度| SNS | k 時運行拓撲維護過程,，有效地恢復(fù)和維護網(wǎng)絡(luò)的k -連通。SMSS算法中,，當(dāng)節(jié)點u 發(fā)現(xiàn)某個節(jié)點m 失效時,，它將檢查m 是否為它確定的鄰節(jié)點，如果是,，重新運行拓撲控制算法來維護網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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)拓撲維護過程,，并最終構(gòu)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(gòu)的技術(shù),。其思想是僅利用直接的鄰居節(jié)點來響應(yīng)拓撲維護過程，且節(jié)點將大部分能量花在用來估量網(wǎng)絡(luò)連通和尋找最小能量拓撲,，而不是用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),。

　　EETMS 算法首先提出了一個判斷網(wǎng)絡(luò)連通的標(biāo)準(zhǔn)。在一個二維的歐幾里得空間里,，網(wǎng)絡(luò)拓撲用一個圖G（V,， E） 表示，其中V 為節(jié)點集,，節(jié)點個數(shù)為n .E 為所有邊e（i,， j）的集合，其中e（i,， j） 表示節(jié)點i 和j 彼此互為鄰居,。則網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建一個連通的拓撲,。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運行中發(fā)現(xiàn)故障節(jié)點u ,，觸發(fā)拓撲維護過程。此時故障節(jié)點u 的鄰居集為u ,，節(jié)點數(shù)u m .EETMS能夠維護網(wǎng)絡(luò)的連通,，并確保鏈路長度之和最小。但算法中需要構(gòu)建故障節(jié)點的鄰接矩陣,，并根據(jù)該矩陣來計算網(wǎng)絡(luò)的連通,。在高密度網(wǎng)絡(luò)中，需要大量的存儲空間和高的計算復(fù)雜度,。此外,，算法中并沒有描述故障節(jié)點檢測機制，無法知道拓撲維護算法的觸發(fā)頻率,。

　　總之,，基于拓撲重構(gòu)的拓撲維護技術(shù)可能需要多次動態(tài)運行拓撲構(gòu)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(gòu)建過程在它每次運行時通常選擇最優(yōu)或接近最優(yōu)拓撲，從而導(dǎo)致生成比基于角色轉(zhuǎn)換拓撲維護技術(shù)更好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),。

　　3.3 混合的拓撲維護

　　混合的拓撲維護技術(shù)結(jié)合了基于角色輪換和拓撲重構(gòu)的拓撲維護,。該類拓撲維護技術(shù)周期性地采用節(jié)點角色轉(zhuǎn)換和拓撲重構(gòu)策略。首先,，混合的方法采用角色轉(zhuǎn)換的維護方法對網(wǎng)絡(luò)的局部拓撲進行維護,，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一部分（如一個簇）的優(yōu)化。隨著網(wǎng)絡(luò)的運行,，作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的骨干網(wǎng)絡(luò)能量消耗較快,，造成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的能量消耗不均衡，于是混合技術(shù)采用拓撲重構(gòu)的維護技術(shù)來重構(gòu)整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲,，兩種方法周期性地交替運行,，有效地均衡網(wǎng)絡(luò)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(gòu)的方法來對整個網(wǎng)絡(luò)拓撲進行維護。

　　可見,，混合的拓撲維護技術(shù)可以使用基于節(jié)點角色輪換無法使用的資源,，而且網(wǎng)絡(luò)持續(xù)的時間比基于拓撲重構(gòu)方法要長,，因為輪轉(zhuǎn)過程比一個完整的新構(gòu)建過程消耗的能量少。但是,，混合技術(shù)由于觸發(fā)條件的選擇,，一個性能嚴重下降的拓撲可能持續(xù)很長一段時間，在它到達拓撲重構(gòu)恢復(fù)點前,，這將影響連通和覆蓋的服務(wù)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(jù)設(shè)計目標(biāo)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(shè)計目標(biāo)和設(shè)計要素分開，導(dǎo)致分類可能并沒有精確地反映設(shè)計者的最初意圖,。為了盡量避免該問題,，本文根據(jù)第2 節(jié)設(shè)計的拓撲維護模型對現(xiàn)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(fā)展趨勢

　　從以上可見,，無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)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(fā)展方向,。

　?。?）缺乏實際的拓撲維護實施

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

　?。?）未能量化拓撲維護頻率

　　拓撲維護算法要考慮拓撲重構(gòu)產(chǎn)生的報文開銷和優(yōu)化拓撲的質(zhì)量之間的權(quán)衡,，一般情況下，產(chǎn)生一個高質(zhì)量的優(yōu)化拓撲,，就需要頻繁執(zhí)行拓撲維護協(xié)議,。另一方面，每一次執(zhí)行拓撲維護協(xié)議將導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的報文開銷,。目前,，很少有研究仔細考慮兩者之間的權(quán)衡關(guān)系。

　　（3）安全的拓撲維護

　　目前的大部分拓撲維護協(xié)議通常假設(shè)傳感器部署在一個可信的,、非敵對的環(huán)境中,，并沒有考慮到節(jié)點內(nèi)部或外部攻擊的影響。而無線傳感器的實際應(yīng)用尤其是商業(yè)和軍事應(yīng)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(wǎng)絡(luò)發(fā)起攻擊。因此,，必須采取相應(yīng)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,。

　?。?）跨層的拓撲維護

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期優(yōu)化目標(biāo)涉及從底層硬件到上層應(yīng)用的所有環(huán)節(jié)， 因此僅通過拓撲構(gòu)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(gòu)建與維護）與其它上下層協(xié)議緊密耦合協(xié)同,。因此，拓撲維護的設(shè)計也必須兼顧各層協(xié)議的特點,，以便在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中扮演好承上啟下的重要角色,。

　　5 結(jié)論

　　本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲維護研究現(xiàn)狀進行了綜述，并對當(dāng)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(xiàn)狀來看,，拓撲維護研究主要以基于角色輪換和拓撲重構(gòu)為主，已經(jīng)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(jīng)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(yīng)用所面對的如環(huán)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?qū)嶋H應(yīng)用的安全和跨層的拓撲維護技術(shù)。