0 引 言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是由任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內大量傳感器節(jié)點以自組織形式構成的網絡，并通過網絡將監(jiān)測數據傳送到接收站進行處理。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節(jié)點被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊，它們通過無線信道相連，自組織地構成網絡系統(tǒng)。傳感器節(jié)點間有良好的協(xié)作能力，通過局部的數據交換來完成全局任務。通過網關、傳感器網絡還可以連接到現(xiàn)有的網絡設施上(如Internet、移動通信網絡等)，從而將采集到的信息傳回給遠程的終端用戶使用。隨著微電子技術、通信技術和計算機技術的飛速發(fā)展，WSN在軍事和民用各個領域都得到廣泛應用，其應用潛力巨大，已成為目前通信領域的研究熱點。

1 無線傳感器網絡的拓撲控制

WSN網絡拓撲控制主要研究的問題是：在保證網絡覆蓋度和聯(lián)通性的前提下，設置或調整節(jié)點的發(fā)射功率，并按照一定的原則選擇合適的節(jié)點成為骨干節(jié)點，參與網絡中數據的處理和傳輸，達到優(yōu)化網絡拓撲結構的目的，其首要的設計目標是通過高效使用能量使網絡生命期最大化。

WSN中拓撲控制可以分為兩個研究方向：功率控制和層次拓撲結構控制。功率控制機制調整網絡中每個節(jié)點的發(fā)射功率，保證網絡連通，在均衡節(jié)點中直接鄰居數目(單跳可達鄰居數目)的同時，降低節(jié)點之間的通信干擾。層次拓撲控制是利用分簇思想，使網絡中的部分節(jié)點處于激活狀態(tài)，成為簇頭節(jié)點。由這些簇頭節(jié)點構建一個連通的網絡來處理和傳輸網絡中的數據，并定期或不定期地重新選擇簇頭節(jié)點，以均衡網絡中節(jié)點的能量消耗。WSN中，節(jié)點的無線通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)下功耗最高，接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)下功耗次之，休眠狀態(tài)下功耗最低。例如，目前用于WSN的主流傳感器Berkeley Motes，其通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)的功耗為60 mW，接收狀態(tài)和空閑狀態(tài)的功耗均為12 mW，休眠狀態(tài)的功耗為0.03 mW，其功耗比達到2 000：400：1，因此降低能耗的關鍵是降低網絡內的通信流量，使更多的節(jié)點在更長時間段處于休眠狀態(tài)。為了大幅度降低無線通信模塊的能量消耗，可以考慮依據一定的機制選擇部分節(jié)點作為骨干節(jié)點，這些節(jié)點的通信模塊處于打開狀態(tài)，而其他非骨干節(jié)點的通信模塊處于關閉。在這種機制下，節(jié)點被分為骨干節(jié)點和非骨干節(jié)點兩類，骨干節(jié)點對非骨干節(jié)點進行管轄。這類算法將網絡分為相連的區(qū)域，稱為分簇算法。

在層次拓撲控制方面，已經提出的算法有Deb的TopDisc(Topology Discory)拓撲發(fā)現(xiàn)算法、Santi的改進GAF(Geographical Adaptive Fidelity)分簇算法、Heinzelman的LEACH(LOW Energy AdaptiveChlstering Hierarchy)算法和Younis的HEED算法等。

在此，以經典的基于最小支配集理論TopDisc算法為研究對象。通過考慮節(jié)點電量的剩余情況，得到Power-balanced TopDisc算法。該算法將節(jié)點剩余能量作為分簇結構的構建依據，對剩余能量較少的節(jié)點賦予一定的約束，使之成為普通節(jié)點，從而均衡網絡電量負載，解決網絡中部分低電量節(jié)點擔任骨干節(jié)點而導致的能耗問題，有效延長網絡生命期。仿真實驗結果證明了該算法的有效性。

2 TopDisc算法

在TopDisc算法中，首先由初始節(jié)點發(fā)出拓撲發(fā)現(xiàn)請求，通過廣播該請求消息來確定網絡中的骨干節(jié)點，并結合這些骨干節(jié)點中鄰居節(jié)點的信息形成網絡拓撲的近似拓撲。在這個近似拓撲形成以后，為了減小算法本身引起的網絡通信量，只有骨干節(jié)點才對初始節(jié)點的拓撲發(fā)現(xiàn)請求作出相應的響應。

為了確定網絡中的骨干節(jié)點，TopDisc算法采用的是貪婪算法。具體分為兩種類型：三色法和四色法。

2.1 三色法

在三色算法中，節(jié)點可以處于三種不同狀態(tài)。在TopDisc算法中，分別用白色、黑色、灰色三種顏色表示：

(1)白色是尚未被發(fā)現(xiàn)的節(jié)點，或者說是沒有接收到任何拓撲發(fā)現(xiàn)請求的節(jié)點;

(2)黑色是骨干節(jié)點(簇頭節(jié)點)，負責響應拓撲發(fā)現(xiàn)請求;

(3)灰色是普通節(jié)點，至少被一個標記為黑色的節(jié)點覆蓋，即黑色節(jié)點的鄰居節(jié)點。

在開始階段，所有節(jié)點都被標記為白色，算法由一個初始節(jié)點發(fā)起，算法結束后所有節(jié)點都將被標記為黑色或者灰色(假設整個網絡拓撲是連通的)。Top-Disc使用兩種啟發(fā)式方法，使得每個新的黑色節(jié)點都盡可能多地覆蓋還沒有被覆蓋到的節(jié)點：一種是節(jié)點顏色標記方法;另一種是節(jié)點轉發(fā)拓撲發(fā)現(xiàn)請求時會故意延時一段時間，延時時間的長度反比于該節(jié)點與發(fā)送拓撲發(fā)現(xiàn)請求到該節(jié)點之間的距離。具體算法過程如下：

(1)初始節(jié)點被標記為黑色，并向網絡廣播拓撲發(fā)現(xiàn)請求;

(2)當白色節(jié)點收到來自黑色節(jié)點的拓撲發(fā)現(xiàn)請求時，將被標記為灰色，并在延時時間tWB后繼續(xù)廣播拓撲發(fā)現(xiàn)請求。tWB反比于它與黑色節(jié)點之間的距離。

(3)當白色節(jié)點收到來自灰色節(jié)點的拓撲發(fā)現(xiàn)請求時，將在等待時間tWG后標記為黑色，但如果在等待期間，又收到來自黑色節(jié)點的拓撲發(fā)現(xiàn)請求時，則優(yōu)先標記為灰色;同樣，等待時間反比于該白色節(jié)點與灰色節(jié)點之間的距離。不管節(jié)點被標記為灰色還是黑色，都將在完成顏色標記之后繼續(xù)廣播拓撲發(fā)現(xiàn)請求;

(4)所有已經被標記為黑色或者灰色的節(jié)點，都將忽略其他節(jié)點的拓撲發(fā)現(xiàn)請求。

為了使每個新的黑色節(jié)點都盡可能多地覆蓋還沒有被覆蓋的節(jié)點，TopDisc采用反比于節(jié)點之間距離的轉發(fā)延時機制。理想情況下，節(jié)點的覆蓋范圍是半徑為無線電發(fā)射半徑的圓。于是，單個節(jié)點所能夠覆蓋的節(jié)點數目正比于其覆蓋面積和局部節(jié)點部署密度。對于一個正在轉發(fā)拓撲發(fā)現(xiàn)請求的節(jié)點，它所能夠覆蓋的新節(jié)點(還沒有被任何節(jié)點覆蓋)則正比于它的覆蓋面積與已經覆蓋的面積之差。