控制 研究:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谋O(jiān)控與維護(hù)

摘要：以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)，提出了一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的監(jiān)控和維護(hù)方法。創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了基于葉子節(jié)點(diǎn)的通訊模式，該模式運(yùn)用協(xié)議棧自有運(yùn)行流程來獲取節(jié)點(diǎn)的加入或丟失信息、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谋O(jiān)控，并通過設(shè)計(jì)一種基于關(guān)聯(lián)表的鏈表式存儲結(jié)構(gòu)來進(jìn)行動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)。經(jīng)過在實(shí)際辦公環(huán)境監(jiān)控平臺上驗(yàn)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(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；監(jiān)控與維護(hù)

0 引言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事、工農(nóng)業(yè)、城市管理、環(huán)境監(jiān)控等各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，作為系統(tǒng)基礎(chǔ)組成部分的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為研究的一個(gè)重要方面。目前，國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)以及拓?fù)涞谋O(jiān)控和管理方面開展了大量的相關(guān)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(jī)上搭建仿真模型來驗(yàn)證算法效果的研究，大多缺乏能夠應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)的可行性案例。安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)的趙濤[1]，根據(jù)在聚合節(jié)點(diǎn)（sink）收集到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)報(bào)文接收或丟失的情況，通過發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有葉子節(jié)點(diǎn)到sink 節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸路徑，來推測網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)洹Ｔ摲椒ㄓ?jì)算比較復(fù)雜，120節(jié)點(diǎn)規(guī)模網(wǎng)絡(luò)在主頻為2.8 GHz的CPU主機(jī)上運(yùn)行尚需9秒的時(shí)間，同時(shí)會受到節(jié)點(diǎn)資源、計(jì)算速度、實(shí)施條件等限制，因此，這種方法很難在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法[2]，該方法采用發(fā)送網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)命令的方式，并通過返回結(jié)果來確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此法雖然能夠在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)施，但需要定期向網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)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(chǔ)，采用葉子節(jié)點(diǎn)通訊方式，并利用協(xié)議自身的運(yùn)行流程，提出了一種輕量數(shù)據(jù)消耗、真正面向應(yīng)用的拓?fù)浔O(jiān)控方案，同時(shí)通過設(shè)計(jì)一種基于關(guān)聯(lián)表的鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌木S護(hù)，因而在解決網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與維護(hù)方面更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 Z-stack協(xié)議棧原理簡介

作為ZigBee聯(lián)盟的一個(gè)重要的組織成員，2007年，TI公司宣布推出業(yè)界領(lǐng)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(jié)構(gòu)及信息傳遞流程

ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖可見，ZigBee協(xié)議采用分層體系結(jié)構(gòu)[3]，由物理層(PHY)、介質(zhì)接入控制子層（MAC層）、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)組成。其中，應(yīng)用層框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)及由制造商制定的應(yīng)用對象。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，信息或數(shù)據(jù)的傳遞將依照上述層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。上層發(fā)送的數(shù)據(jù)或指令按照應(yīng)用層―網(wǎng)絡(luò)層―MAC層―物理層的順序，從上至下依次進(jìn)行處理；底層返回的數(shù)據(jù)則按照物理層―MAC層―網(wǎng)絡(luò)層―應(yīng)用層的順序，從下至上處理后返回給上層用戶。每個(gè)層次負(fù)責(zé)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(yīng)的動(dòng)作響應(yīng)；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(diǎn)加入與失步流程

為了維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，ZigBee協(xié)議棧還提供了一些必須的消息響應(yīng)流程，其中包括節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)和失步響應(yīng)的流程。

節(jié)點(diǎn)加入流程[3]如圖2所示。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會啟動(dòng)加入流程。子節(jié)點(diǎn)的加入請求通過其NWK層、MAC層、PHY層傳遞給父節(jié)點(diǎn)；父節(jié)點(diǎn)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(yīng)用層，最后通過ZDO_JoinIndicationCB()函數(shù)的調(diào)用，得到子節(jié)點(diǎn)加入的消息。

圖2 節(jié)點(diǎn)加入流程

節(jié)點(diǎn)失步流程[3]是指終端節(jié)點(diǎn)丟失其父節(jié)點(diǎn)的同步信號時(shí)，向上層報(bào)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(diǎn)每隔一段時(shí)間就會開啟與父節(jié)點(diǎn)的同步，當(dāng)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒有接收到父節(jié)點(diǎn)的同步信號時(shí)，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(dá)到應(yīng)用層。

1.3 關(guān)聯(lián)表

TI的Z-stack協(xié)議棧在全功能節(jié)點(diǎn)中可以維護(hù)associated

_devices_t結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)表，關(guān)聯(lián)表中保存有與本節(jié)點(diǎn)直接關(guān)聯(lián)（父子節(jié)點(diǎn)）的相關(guān)信息，包括關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的短地址、設(shè)備類型、連接狀態(tài)等，基本上可以滿足網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)監(jiān)控和維護(hù)的信息需求。

TI的ZigBee協(xié)議棧雖然可為用戶開發(fā)提供強(qiáng)大支持，但是在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和維護(hù)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(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，但是無法發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)非主動(dòng)性的丟失或退出，因而不具備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)控的功能；另一方面，協(xié)議在每個(gè)全功能節(jié)點(diǎn)中都維護(hù)了與之關(guān)聯(lián)設(shè)備的關(guān)聯(lián)表，但是并沒有維護(hù)整體網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)信息，因而無法掌控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜?。鑒于協(xié)議棧在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔δ苌系牟蛔愫腿毕?，本文以協(xié)議基本流程為基礎(chǔ)，提出一種實(shí)現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔O(jiān)控和維護(hù)的方法，該方法可以滿足一般系統(tǒng)對于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的監(jiān)控和維護(hù)需求。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)監(jiān)控

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)監(jiān)控的主要目的是實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和在結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)及時(shí)獲取變化情況，其中最主要的是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入和退出事件的捕捉。節(jié)點(diǎn)加入事件的獲取相對容易，可以通過加入節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)等方式來獲??；而節(jié)點(diǎn)丟失事件獲取要復(fù)雜得多?，F(xiàn)階段，對節(jié)點(diǎn)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(shí)，其實(shí)時(shí)性與查詢周期的長短直接相關(guān)：查詢周期設(shè)置較長，拓?fù)渥兓从硶r(shí)間增長，實(shí)時(shí)性變差；而查詢周期設(shè)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(diǎn)。協(xié)議棧中數(shù)據(jù)或消息的傳遞是一個(gè)復(fù)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(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行所必須的數(shù)據(jù)通訊外，還應(yīng)盡量減少人為添加（應(yīng)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(diǎn)加入、失步等流程來實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的獲取。

本文設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)關(guān)――葉子節(jié)點(diǎn)通訊的節(jié)點(diǎn)丟失情況獲取方法，該方法可以利用協(xié)議棧自身的運(yùn)行流程，以較少的數(shù)據(jù)通訊量和簡單的操作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的丟失情況獲取。

2.1節(jié)點(diǎn)加入事件的獲取

通常情況下，節(jié)點(diǎn)加入事件多采用加入節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)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(guān)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(diǎn)加入流程可知，如果有子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，加入的指示信息都會通過ZDO_JoinIndicationCB()函數(shù)的調(diào)用報(bào)告給父節(jié)點(diǎn)。即該函數(shù)的調(diào)用證明有子節(jié)點(diǎn)的加入事件。因此，本文通過在此函數(shù)中添加向應(yīng)用程序報(bào)告的功能，即可通知用戶子節(jié)點(diǎn)加入事件的發(fā)生。

2.2節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)失步情況的報(bào)告。該函數(shù)具有節(jié)點(diǎn)丟失的指示功能，并能夠指示丟失節(jié)點(diǎn)與本節(jié)點(diǎn)的父子關(guān)系和短地址等。但在實(shí)際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該函數(shù)的調(diào)用是有條件限制的，具體實(shí)施條件如下：

父節(jié)點(diǎn)丟失：從失步報(bào)告流程可知，終端節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)輪詢發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點(diǎn)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(diǎn)不支持與父節(jié)點(diǎn)的輪詢機(jī)制，因而不能產(chǎn)生父節(jié)點(diǎn)丟失情況的報(bào)告。

子節(jié)點(diǎn)丟失：對于包括終端節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的所有類型節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)丟失，在未加相應(yīng)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(shí)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(diǎn)的丟失情況，因此，如果要得到除終端父節(jié)點(diǎn)外網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)丟失事件的獲取。

2.3 葉子節(jié)點(diǎn)通訊觸發(fā)方法

通常采用的基于查詢的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)機(jī)制都需要在所有節(jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，圖中的葉子通訊需要進(jìn)行14條數(shù)據(jù)的查詢和14條數(shù)據(jù)的應(yīng)答才能夠完成一次節(jié)點(diǎn)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(fù)雜度，本文設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)關(guān)――葉子節(jié)點(diǎn)通訊的節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵跀?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(dòng)檢測接收方應(yīng)答幀。這樣，如果節(jié)點(diǎn)丟失，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)無法接收到有效應(yīng)答，進(jìn)而引發(fā)節(jié)點(diǎn)失步指示函數(shù)的觸發(fā)。

具體觸發(fā)時(shí)，如果節(jié)點(diǎn)之間有數(shù)據(jù)通訊，發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)則能夠發(fā)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，數(shù)據(jù)傳遞路徑上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都會發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)由下而上）或者子節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)由上而下）的丟失，進(jìn)而調(diào)用void ZDO_SyncIndicationCB( byte type, uint16 shortAddr )函數(shù)。如圖4所示，如果網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)到終端節(jié)點(diǎn)1，則在網(wǎng)關(guān)到終端節(jié)點(diǎn)1數(shù)據(jù)路徑上的所有節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)、路由1、路由2、終端1）都能夠發(fā)現(xiàn)其子節(jié)點(diǎn)的丟失；終端節(jié)點(diǎn)1發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，則路徑1上的所有節(jié)點(diǎn)都能發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點(diǎn)的丟失。

該方法通過建立數(shù)據(jù)通路上起始節(jié)點(diǎn)和末端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通訊來實(shí)現(xiàn)整條路徑上節(jié)點(diǎn)丟失情況的獲取。其具體操作過程分為兩個(gè)部分：其一是父節(jié)點(diǎn)丟失情況的獲取。由前面提到的實(shí)施條件可知，終端節(jié)點(diǎn)無需任何人為操作就能夠發(fā)現(xiàn)其父節(jié)點(diǎn)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(diǎn)做出處理。而由路由葉子節(jié)點(diǎn)（如圖4中路由節(jié)點(diǎn)2、4）向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，則可實(shí)現(xiàn)整條路徑上所有節(jié)點(diǎn)丟失情況的獲取。其二是子節(jié)點(diǎn)丟失情況的獲取。子節(jié)點(diǎn)丟失的獲取可以通過網(wǎng)關(guān)向葉子節(jié)點(diǎn)（圖4中所有終端節(jié)點(diǎn)和路由4）發(fā)送數(shù)據(jù)的方法來覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，從而使全部節(jié)點(diǎn)都能夠發(fā)現(xiàn)其子節(jié)點(diǎn)的丟失情況。

人為加入上述兩部分?jǐn)?shù)據(jù)通訊后，只要整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)丟失，該丟失節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)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(yīng)用報(bào)告的功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與維護(hù)

Z-stack協(xié)議棧在全功能節(jié)點(diǎn)中只維護(hù)與本節(jié)點(diǎn)直接關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)信息的關(guān)聯(lián)表，沒有整體網(wǎng)絡(luò)信息的存儲功能。為了解決Z-stack關(guān)于網(wǎng)絡(luò)全貌信息缺失的缺陷，結(jié)合本文提出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)監(jiān)控方法，設(shè)計(jì)一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)維護(hù)的方法，在占用少量資源的情況下獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，并將信息整合到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中統(tǒng)一維護(hù)和管理，從而建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓芾磙k法，實(shí)現(xiàn)具有自組織、自適應(yīng)能力的智能網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制。

3.1管理模式

網(wǎng)絡(luò)信息管理可采用搜集模式和監(jiān)控模式相結(jié)合的方式。搜集模式通過發(fā)送指令搜集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，賦予用戶即時(shí)獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力；監(jiān)控模式通過監(jiān)控從網(wǎng)絡(luò)組建起歷史網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒏拢瑥亩蠟楫?dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

搜集模式在實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先由網(wǎng)關(guān)設(shè)備廣播一個(gè)命令來搜集設(shè)備信息；然后，收到廣播信息的路由節(jié)點(diǎn)再按照一定的數(shù)據(jù)格式，由網(wǎng)關(guān)返回子節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)信息；當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的返回信息后，再將其組合為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備信息。

監(jiān)控模式則是從網(wǎng)絡(luò)形成起，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)就開始監(jiān)控所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)；當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)檢測到其子節(jié)點(diǎn)加入或者退出的時(shí)候，向網(wǎng)關(guān)上報(bào)該子節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化信息，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)檢測到子節(jié)點(diǎn)加入或者退出則不用上報(bào)，直接在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部處理；當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到路由節(jié)點(diǎn)上報(bào)的狀態(tài)信息后，就會刪除或者增加該路由子節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)信息，同時(shí)更新整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯鎯Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)管理的中心，負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的添加、刪除和更新，因此，必須在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)存儲整體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。受網(wǎng)關(guān)資源的限制，本文采用分級動(dòng)態(tài)鏈表的形式保存網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ员阋暂^少的資源占用實(shí)現(xiàn)拓?fù)湫畔⒌膭?dòng)態(tài)存儲。本設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯鎯Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5中，AssocListHead是裝載路由節(jié)點(diǎn)頭信息的數(shù)組，包含有該路由節(jié)點(diǎn)的長地址、短地址、父節(jié)點(diǎn)短地址和擁有的子節(jié)點(diǎn)數(shù)以及指向其子節(jié)點(diǎn)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(diǎn)信息，包括子節(jié)點(diǎn)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(gè)子節(jié)點(diǎn)，就會在assoc_list鏈表中添加一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)離開時(shí)，又會將相對應(yīng)的鏈表刪除。這樣，網(wǎng)關(guān)就可以方便地對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浜拖嚓P(guān)信息進(jìn)行查找、更新、維護(hù)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)方案

網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的實(shí)施要建立網(wǎng)絡(luò)中所有類型節(jié)點(diǎn)間的區(qū)分與協(xié)作機(jī)制。區(qū)分是根據(jù)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)間建立連動(dòng)響應(yīng)機(jī)制，相互配合，并實(shí)現(xiàn)信息的匯聚和統(tǒng)一管理。具體的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)分為事件響應(yīng)和信息維護(hù)兩部分。

3.3.1 拓?fù)渥兓录捻憫?yīng)

拓?fù)渥兓饕侵腹?jié)點(diǎn)加入事件和節(jié)點(diǎn)退出事件。當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入事件是指節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其父節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將該子節(jié)點(diǎn)加入信息上報(bào)網(wǎng)關(guān)；節(jié)點(diǎn)退出事件則是指獲取到的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)丟失信息的處理。處理可分為兩種情況：一種是當(dāng)傳遞來的type = 1時(shí)，即丟失節(jié)點(diǎn)為本節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)時(shí)，開啟網(wǎng)絡(luò)加入流程，使節(jié)點(diǎn)可以重新加入網(wǎng)絡(luò)，并恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行；第二種情況是type = 0時(shí)，即本節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)其中一子節(jié)點(diǎn)丟失。本方法對于長時(shí)間無法連接的子節(jié)點(diǎn)，將啟動(dòng)移除（LEAVE）流程，將該子節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中刪除，同時(shí)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)報(bào)告子節(jié)點(diǎn)退出的消息。

需要注意的是：當(dāng)子節(jié)點(diǎn)丟失時(shí)，有的時(shí)候是真正丟失了（長時(shí)間或永久無法連接），但更多的時(shí)候只是暫時(shí)地失去聯(lián)系，隨著子節(jié)點(diǎn)的重新加入申請，又可以加入網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)正常的運(yùn)行狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要將暫時(shí)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(shí)判斷的方式，即當(dāng)檢測到失步現(xiàn)象發(fā)生后，先定時(shí)一段時(shí)間，再做判斷：如果定時(shí)一段時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)仍舊失去聯(lián)系，則判定是真的丟失了節(jié)點(diǎn)，此時(shí)可通過NLME_LeaveReq移除子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)上報(bào)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)丟失的消息；否則認(rèn)為只是暫時(shí)的節(jié)點(diǎn)失步。節(jié)點(diǎn)退出情況的處理流程如圖6所示。

3.3.2 拓?fù)湫畔⒌木S護(hù)

由網(wǎng)絡(luò)各個(gè)路由上報(bào)的節(jié)點(diǎn)加入或退出的信息最終將在網(wǎng)關(guān)匯集，網(wǎng)關(guān)按照上報(bào)的節(jié)點(diǎn)加入、退出信息對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯鎯﹃P(guān)聯(lián)表進(jìn)行添加、刪除、更新，以維護(hù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)。其具體方法是先判斷接收信息的種類，然后對節(jié)點(diǎn)加入信息和節(jié)點(diǎn)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(luò)中的點(diǎn)，如果是已經(jīng)存在的，則更新存儲的節(jié)點(diǎn)信息；如果是一個(gè)全新的點(diǎn)，則為該節(jié)點(diǎn)分配存儲空間，并在對應(yīng)的父節(jié)點(diǎn)下增添子節(jié)點(diǎn)分支。對于退出信息，同樣核查是否是存在于網(wǎng)絡(luò)中的點(diǎn)，如果該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)不存在了，則報(bào)錯(cuò)處理；如果是存在的點(diǎn)，則將該節(jié)點(diǎn)信息刪除，并解除與其父節(jié)點(diǎn)的父子聯(lián)系。

網(wǎng)關(guān)在接收到由父節(jié)點(diǎn)上報(bào)的節(jié)點(diǎn)加入消息時(shí)，還需要對加入子節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行判斷：如果是終端節(jié)點(diǎn)，則在其父節(jié)點(diǎn)的鏈表中更新或加入該子節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息；如果加入節(jié)點(diǎn)是路由節(jié)點(diǎn)，除了在該路由節(jié)點(diǎn)父節(jié)點(diǎn)的鏈表中加入該子節(jié)點(diǎn)信息外，還要添加該子路由關(guān)聯(lián)頭信息。圖7所示是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)管理的示意圖。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可在基于CC2430搭建的WSN開發(fā)平臺上進(jìn)行，該平臺共使用5個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、5個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、1個(gè)網(wǎng)關(guān)和PC調(diào)試機(jī)。所有傳感器節(jié)點(diǎn)自組織成無線網(wǎng)絡(luò)，并將感知信息和拓?fù)湫畔R報(bào)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)通過串口相連，操作人員可以通過上位機(jī)的調(diào)試軟件對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖8所示是其上位機(jī)監(jiān)控程序界面。該試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)布局示意圖如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)隨機(jī)選取監(jiān)控過程中兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)監(jiān)控過程示意圖如圖10所示。其中兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)過程中上報(bào)的拓?fù)渥兓畔⑷绫?所列。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，一方面，父節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)上報(bào)其子節(jié)點(diǎn)加入和丟失的網(wǎng)絡(luò)變化情況；另一方面，子節(jié)點(diǎn)也能夠及時(shí)檢測出其父節(jié)點(diǎn)的丟失，并選擇其他父節(jié)點(diǎn)重新申請加入網(wǎng)絡(luò)?？梢姡鞠到y(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)的自組織、自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與維護(hù)功能。

5 結(jié) 語

本文提出了一種通過終端與父節(jié)點(diǎn)間的失步信號來捕捉與基于葉子節(jié)點(diǎn)人為觸發(fā)失步函數(shù)調(diào)用的方法，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)丟失情況的獲取。其中，通過終端與父節(jié)點(diǎn)間失步信號來捕捉節(jié)點(diǎn)丟失信息的方法無需人為干預(yù)，能夠通過協(xié)議自動(dòng)實(shí)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(diǎn)的失步函數(shù)觸發(fā)機(jī)制，只通過葉子節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸，就能夠完成整個(gè)線路上節(jié)點(diǎn)丟失情況的獲取，在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常由終端上報(bào)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于終端自動(dòng)完成數(shù)據(jù)線路上父節(jié)點(diǎn)丟失情況的發(fā)現(xiàn)，使該方法的實(shí)施更加簡單。這兩種方法的結(jié)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)的功能，因而

具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文提出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)方法具備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖越M織、自適應(yīng)功能，可滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對于網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能要求。同時(shí)具備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的存儲功能，能以較少的系統(tǒng)資源保存整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，十分方便網(wǎng)絡(luò)的管理和控制。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯烤C述

摘要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中，拓?fù)淇刂萍夹g(shù)是核心技術(shù)之一，本文首先描述了現(xiàn)有拓?fù)淇刂扑惴ǖ姆诸?，其次分析了幾種典型的算法并總結(jié)了其優(yōu)缺點(diǎn)，最后簡述了現(xiàn)有拓?fù)淇刂萍夹g(shù)中存在的問題以及未來研究的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；拓?fù)淇刂?；發(fā)展趨勢

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（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(yīng)用前景廣闊，是目前比較活躍的一個(gè)領(lǐng)域。

WSN是一種由大量微傳感器節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，其向?qū)W者們提供了大量的研究課題，拓?fù)淇刂剖亲罨締栴}之一。拓?fù)淇刂凭褪且芯咳绾涡纬梢粋€(gè)良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為數(shù)據(jù)融合、路由協(xié)議以及目標(biāo)定位等其他技術(shù)提供支撐。

WSN節(jié)點(diǎn)通常大規(guī)模部署并且具有隨機(jī)性、自組織性，網(wǎng)絡(luò)組織方式通常多種多樣，節(jié)點(diǎn)能量非常有限，因此，在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，一定要有一個(gè)良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

目前主流的拓?fù)淇刂扑惴煞譃椋汗?jié)點(diǎn)功率控制型和層次型拓?fù)淇刂菩汀?

功率控制就是通過變化節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率來調(diào)整節(jié)點(diǎn)無線信號的覆蓋區(qū)域大小，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最終目的是提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性。

層次型拓?fù)淇刂浦饕捎玫氖欠执貦C(jī)制，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成若干區(qū)域形成多個(gè)簇，選出骨干節(jié)點(diǎn)構(gòu)成骨干網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而普通節(jié)點(diǎn)可擇機(jī)關(guān)閉不必要的模塊，以避免不必要的能量消耗。

2 典型的拓?fù)淇刂扑惴?

2.1節(jié)點(diǎn)功率拓?fù)淇刂扑惴?

LMA和LMN算法是基于節(jié)點(diǎn)度的算法，通過不斷的改變節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率來使得其度數(shù)處在一個(gè)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(diǎn)之間的連通性，最終使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有連通性。兩種算法的相同點(diǎn)是分步驟、周期性地調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，不同點(diǎn)是它們有著不同的節(jié)點(diǎn)度數(shù)計(jì)算方法。

這兩種算法利用較少的局部信息就可確定節(jié)點(diǎn)功率的調(diào)節(jié)方式，而且對時(shí)鐘同步、傳感器節(jié)點(diǎn)要求均不高，但是在節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)判斷上存在不足，所形成的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅增大了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，而且使網(wǎng)絡(luò)開銷增大了。

DRNG和DLMST算法是基于鄰近圖的拓?fù)淇刂扑惴?，所有?jié)點(diǎn)調(diào)整發(fā)射功率至最大化形成一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，再根據(jù)設(shè)定的鄰居判別規(guī)則得出該圖的鄰近圖，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居中最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的距離來設(shè)定發(fā)射功率。

這兩種算法均以節(jié)點(diǎn)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(yuǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)所需的發(fā)射功率為標(biāo)準(zhǔn)，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(luò)拓?fù)涞碾p向連通。但是這兩個(gè)算法需要精確的定位信息。

2.2 層次型拓?fù)淇刂扑惴?

LEACH是最早的也是較典型的基于均勻分簇的拓?fù)淇刂扑惴?，簇首通過分布式選舉隨機(jī)生成，剩余節(jié)點(diǎn)作為簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，簇首節(jié)點(diǎn)融合簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的信息，以單跳方式發(fā)送至Sink節(jié)點(diǎn)。簇首節(jié)點(diǎn)和簇結(jié)構(gòu)均周期性更新。

相對于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，LEACH使用簇結(jié)構(gòu)，能有效提高節(jié)點(diǎn)能量利用率和網(wǎng)絡(luò)壽命。但簇首節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的選擇未考慮節(jié)點(diǎn)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?fù)淇刂扑惴?，首先將網(wǎng)絡(luò)劃分為固定數(shù)目的虛擬分區(qū)，節(jié)點(diǎn)將自身地理位置信息與虛擬網(wǎng)格中某個(gè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)映射起來并計(jì)算自身所屬的分區(qū)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)選出一個(gè)節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)間段內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)來監(jiān)測所在區(qū)域內(nèi)的信息并報(bào)告數(shù)據(jù)給Sink節(jié)點(diǎn)。

GAF使得形成的簇結(jié)構(gòu)更均勻，但是在選擇簇首時(shí)沒考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，劃分單元格時(shí)，若節(jié)點(diǎn)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(luò)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(yù)先設(shè)定）在網(wǎng)絡(luò)中選出一些節(jié)點(diǎn)作為候選簇首節(jié)點(diǎn)。簇首由候選簇首節(jié)點(diǎn)競爭產(chǎn)生，其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的距離決定。

EEUC將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成規(guī)模各異的簇，簇的規(guī)模與離Sink節(jié)點(diǎn)的距離成反比，這樣有效降低了簇首通信代價(jià)，避免了“熱區(qū)”問題，延長了網(wǎng)絡(luò)周期。但EEUC單純的考慮距離而沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量以及密度因素，而且沒有考慮簇首節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)的位置，可能造成網(wǎng)絡(luò)能耗不均衡過早死亡的現(xiàn)象。

結(jié)語

本文介紹了WSN拓?fù)淇刂频姆诸惡蛶追N經(jīng)典的拓?fù)淇刂扑惴ǎ治隽怂惴ǖ膬?yōu)缺點(diǎn)。目前的大多數(shù)研究模型都比較理想化，沒有全面考慮實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，還有很多問題亟需進(jìn)一步研究。未來拓?fù)淇刂蒲芯康陌l(fā)展趨勢應(yīng)為：結(jié)合多種機(jī)制且更接近實(shí)際情況，網(wǎng)絡(luò)的各種性能應(yīng)被綜合考慮進(jìn)來，拓?fù)淇刂频淖赃m應(yīng)性和魯棒性應(yīng)有所提高。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯?火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溲芯?

摘要：

針對森林火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，建立了基于隨機(jī)幾何圖的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，連邊權(quán)重為體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)通訊能耗的相異權(quán)。該模型不僅描述了節(jié)點(diǎn)間相互連接關(guān)系，還能體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間距離及通訊半徑對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，研究中利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，在此模型基礎(chǔ)上提出了拓?fù)鋬?yōu)化算法。該算法在網(wǎng)絡(luò)連通的前提下，通過約束節(jié)點(diǎn)單跳可達(dá)鄰居數(shù)簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，拓?fù)淠Ｐ团c實(shí)際網(wǎng)絡(luò)特性相符，拓?fù)鋬?yōu)化算法能有效降低連邊密度，有利于簡化復(fù)雜的路由計(jì)算，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

關(guān)鍵詞：

森林火災(zāi)監(jiān)控；WSN；拓?fù)淠Ｐ?；拓?fù)鋬?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(dǎo)致森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，森林火災(zāi)是破壞森林資源安全、威脅人類生存環(huán)境最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一。如何準(zhǔn)確、高效地預(yù)防和發(fā)現(xiàn)火情已成為亟待解決的問題。森林地勢復(fù)雜，很多區(qū)域人員難以到達(dá)，不易進(jìn)行人工和有線監(jiān)測。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)應(yīng)用于森林火災(zāi)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(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過人工埋置或飛行器播撒的方式隨機(jī)部署，實(shí)時(shí)感知覆蓋區(qū)域內(nèi)的溫度、煙霧濃度等火災(zāi)信息，通過自組織網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星等途徑發(fā)送到控制中心，實(shí)現(xiàn)對森林火災(zāi)的無線監(jiān)測。與其他通信網(wǎng)絡(luò)相比，森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)部署密集、網(wǎng)絡(luò)冗余度高、節(jié)點(diǎn)自身資源受限等特點(diǎn)。對于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言設(shè)計(jì)良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尤為重要，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫窃O(shè)計(jì)和組建網(wǎng)絡(luò)的第一步，也是實(shí)現(xiàn)各種協(xié)議的基礎(chǔ)。因此，如何建立更加符合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)特性的拓?fù)淠Ｐ褪茄芯康那疤?。此外，由于傳感器?jié)點(diǎn)部署具有很大的隨機(jī)性，節(jié)點(diǎn)的位置不可預(yù)測，初始的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜茈y滿足要求，需要進(jìn)行優(yōu)化控制。筆者主要針對森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，并在此模型基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化，為網(wǎng)絡(luò)性能的提高奠定基礎(chǔ)。

1WSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1．1傳感器節(jié)點(diǎn)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(qiáng)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(jī)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(diǎn)直接通信，節(jié)點(diǎn)間距離d必須滿足d≤ΨPtPr，（）th，其中Ψ＝GtGrλ4［］π2，d稱為節(jié)點(diǎn)通信半徑。在布爾型全向感知模型中設(shè)節(jié)點(diǎn)i在二維平面上的坐標(biāo)為xi＝（xi，yi），節(jié)點(diǎn)感知半徑為ri，節(jié)點(diǎn)對于在坐標(biāo)xj＝（xj，yj）處任意節(jié)點(diǎn)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(diǎn)度分布

設(shè)有n個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布于區(qū)域A內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度ρ＝n／SA，SA表示區(qū)域A的面積。網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)恰好位于區(qū)域B（其中BA）的概率為P＝SBSA，隨機(jī)變量X表示恰好有m個(gè)節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域B中的事件，則該隨機(jī)變量服從二項(xiàng)分布，由P＝ρSBn可得式（3）由式（4）可知，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)n很大時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)度分布近似為泊松分布。

2WSN拓?fù)浣?

2．1加權(quán)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?

為了解決隨機(jī)圖對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣４嬖诘牟蛔?，研究中采用隨機(jī)幾何圖構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?。設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑與感知半徑相等，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用隨機(jī)幾何圖描述，其中n為節(jié)點(diǎn)數(shù)，r為通信半徑。V＝｛v1，v2，v3Λ，vN］表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)集合，dij表示節(jié)點(diǎn)vi和vj間的距離，E＝｛e1，e2，e3Λ，ew］V×V表示邊的集合。節(jié)點(diǎn)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。考慮節(jié)點(diǎn)間距離對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠绊?，需要在網(wǎng)絡(luò)連邊上賦予權(quán)重。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)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(quán)重賦予連邊eij，d2ij的大小可體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所消耗的能量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)拓?fù)淠Ｐ途涂捎孟鄳?yīng)的加權(quán)鄰接矩陣A＝［aij］表示。其中，aij＝f（xij）?g（dij），f（xij）為節(jié)點(diǎn)感知概率，g（dij）＝d2ij。節(jié)點(diǎn)間距離越近權(quán)重越小，距離越遠(yuǎn)權(quán)重越大，當(dāng)兩點(diǎn)間無直接連接時(shí)權(quán)重為∞。

2．2實(shí)驗(yàn)仿真

在100m×100m的區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署200個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通信半徑為13m。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均同質(zhì)，具有相同的物理性質(zhì)和通信半徑，節(jié)點(diǎn)采用布爾型全向感知模型。圖1為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？紤]到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型為加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，因此主要分析節(jié)點(diǎn)度分布和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分布，如圖2和圖3所示。研究結(jié)果表明，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度分布比較均勻，大量節(jié)點(diǎn)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(diǎn)所占比例不足5％，近似泊松分布，與理論推導(dǎo)的結(jié)論相符。圖3顯示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分布比較均勻，大量節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)強(qiáng)度集中于平均值附近，少量點(diǎn)的強(qiáng)度偏離均值。為了揭示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性，將傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ徒y(tǒng)計(jì)特性與隨機(jī)網(wǎng)、小世界網(wǎng)和近鄰耦合網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了對比，表1給出了同等規(guī)模下不同

2．3結(jié)果討論

（1）所建立的拓?fù)淠Ｐ椭泄?jié)點(diǎn)度分布均勻，近似為泊松分布，與理論計(jì)算結(jié)果相符。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度有界，這與節(jié)點(diǎn)感知范圍有限所導(dǎo)致的局部通信特性相一致。（2）通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)度不滿足s（k）≈＜w＞k的關(guān)系（＜w＞為網(wǎng)絡(luò)邊權(quán)平均值）而滿足s（k）≈Akβ的關(guān)系。其中β≈0．45、A≈32，表明網(wǎng)絡(luò)邊權(quán)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)，與網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建中邊權(quán)的賦予方式相符。（3）與其他三類網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較大的聚類系數(shù)，即網(wǎng)絡(luò)具有明顯的聚類效應(yīng)，局部節(jié)點(diǎn)間的連接比較緊密，這符合傳感器網(wǎng)絡(luò)的本地化通信特點(diǎn)。

3拓?fù)淇刂?

3．1拓?fù)鋬?yōu)化算法

森林火災(zāi)監(jiān)測中需要大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，為了保證網(wǎng)絡(luò)的連通及對被測區(qū)域的全覆蓋，網(wǎng)絡(luò)建立初期形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較大的冗余。這樣既不利于節(jié)點(diǎn)能耗的降低，又會增加節(jié)點(diǎn)間通信干擾。因此，研究中提出了基于約束節(jié)點(diǎn)連邊數(shù)的稀疏網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化算法。算法中主要針對“度”大的節(jié)點(diǎn)邊數(shù)進(jìn)行約束，選定節(jié)點(diǎn)后刪除與該節(jié)點(diǎn)相連的哪些邊是算法的關(guān)鍵，這就要求對節(jié)點(diǎn)在信息傳遞過程中的重要度進(jìn)行評估。通常用度描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(luò)，考慮某一節(jié)點(diǎn)對其他節(jié)點(diǎn)的影響力更為重要。而“介數(shù)”衡量的就是點(diǎn)對其他節(jié)點(diǎn)的影響程度。節(jié)點(diǎn)i介數(shù)L（i）是網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)對之間通過該節(jié)點(diǎn)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(luò)中的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)i的所有最短路徑數(shù)。顯然，在討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流通時(shí)，介數(shù)比節(jié)點(diǎn)度能夠更好地評價(jià)節(jié)點(diǎn)的重要程度。因此，研究中將介數(shù)作為衡量節(jié)點(diǎn)重要度的指標(biāo)，以此來確定所要?jiǎng)h除的連邊。具體算法如下：（1）隨機(jī)部署節(jié)點(diǎn)，設(shè)置通信半徑保證網(wǎng)絡(luò)連通，初步形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；?）選取節(jié)點(diǎn)i進(jìn)行連邊約束，節(jié)點(diǎn)被選中的概率與其節(jié)點(diǎn)度d成正比；（3）確定與被選節(jié)點(diǎn)i相連的所有鄰居節(jié)點(diǎn)集合V＝｛vj｜aij≠0］，在集合V內(nèi)選取ρd個(gè)節(jié)點(diǎn)，在集合V內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)i的度）；（4）確定節(jié)點(diǎn)i及其鄰居節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(fù)上述過程。

3．2算法仿真

實(shí)驗(yàn)中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置如下：節(jié)點(diǎn)數(shù)為200，分布區(qū)域面積10000m2，節(jié)點(diǎn)通信半徑為14m。圖4為初始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑘D5為對節(jié)點(diǎn)度進(jìn)行約束后得到的稀疏網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?為拓?fù)鋬?yōu)化前后網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)測度的對比?？梢钥闯觯W(wǎng)絡(luò)連邊密度降低了41．5％，節(jié)點(diǎn)平均度減少了41．5％，而網(wǎng)絡(luò)的平均最短路徑只增加了14．8％。優(yōu)化后的拓?fù)浼群喕司W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又保證了網(wǎng)絡(luò)的連通，將有利于路由的簡化和網(wǎng)絡(luò)生存周期的延長。

4結(jié)論

為了滿足森林火災(zāi)監(jiān)控的需求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用。森林火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)部署隨機(jī)、結(jié)構(gòu)冗余度高、節(jié)點(diǎn)自身資源受限等特點(diǎn)。結(jié)合這些特點(diǎn)，筆者建立了基于隨機(jī)幾何圖的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?。該模型不僅可以描述傳感器節(jié)點(diǎn)間相互連接關(guān)系，還可以體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間距離及通訊半徑對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響。此外，在此模型基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化，以度和介數(shù)作為節(jié)點(diǎn)重要程度的衡量指標(biāo)，提出了稀疏網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化算法，通過該算法對網(wǎng)絡(luò)的冗余鏈路進(jìn)行適當(dāng)?shù)貏h減，降低了網(wǎng)絡(luò)連邊密度，在保證網(wǎng)絡(luò)連通的情況下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡化，有利于簡化復(fù)雜的路由計(jì)算，降低節(jié)點(diǎn)間通信干擾，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。

作者：任月清齊利曉楊國慶單位：天津城建大學(xué)