無線傳感器網絡

拓撲控制拓撲控制技術概述什么是拓撲拓撲學(topology)是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持不變的一些性質的學科。它只考慮物體間的位置關系而不考慮它們的形狀和大小。WSN的拓撲控制WSN中的拓撲不僅考慮節點的位置，還包括了節點的狀態以及節點間的鏈路WSN拓撲控制(TopologyControl)

：節點活動狀態的管理和調度；節點發射功率和調度計劃的控制；節點通信覆蓋范圍和節點連通性的控制WSN拓撲控制的研究方向：功率控制；節點活動狀態調度拓撲控制技術概述通信半徑感知半徑節點密度覆蓋范圍連通度發射功率拓撲控制技術概述路由層拓撲管理/控制MAC層向上提供信息向上提供信息觸發算法運行觸發算法運行拓撲控制技術概述拓撲控制的最終目的高效利用網絡能量，減少節點間干擾，延長網絡壽命網絡部署減少能量消耗優化網絡部署目標功率控制活動調度節點活動管理聚簇管理輔助路由協議目標目標目標網絡部署網絡部署使每個節點充分發揮作用，保證數據準確獲取和收集決定網絡的覆蓋范圍和連通性節點可靠性模型主要思想：節點的可靠性是節點在網絡中處于活動狀態的概率；對于給定的能耗預算，可以估計滿足系統可靠性的最小節點可靠性。連通性與覆蓋范圍無直接關系節點數量：節點增多，維持連通性和覆蓋范圍所花費的總能耗下降節點忙閑比和冗余度對部署也有影響：密度上升，忙閑比可下調。超過某一閾值后，增加節點冗余度對于降低忙閑比無效果功率控制功率控制對節點發射功率進行靜態設置或動態調整在保證網絡連通性基礎上，調整鄰居節點數，降低節點能耗，延長網絡壽命維持必要的連通性在此前提下降低節點傳輸功率目標盡可能短的路徑網絡中平均一跳的實際傳輸距離縮短目標支持分布式操作有好的擴展性以便支持大規模網絡目標基于節點度的方法功率控制什么是節點度節點度是指距離節點一跳范圍內的鄰居節點數目。基于節點度的功率控制方法旨在通過尋找節點的最佳發射功率，在不影響網絡連通性的前提下，減少能量消耗，延長網絡壽命。基于節點度的方法功率控制本地平均算法(LMA)初始狀態下，各節點發射功率相同，定期廣播自己的生命周期消息(LifeMsg)節點收到其他節點的LifeMsg后，發送確認消息LifeAckMsg進行應答；發送節點可以根據收到的LifeAckMsg數量判斷自己的鄰居節點數量nr

節點根據自己的鄰居節點數量判斷是否需要改變發射功率：若鄰居節點數nr

大于最大值nmax

，則降低發射功率；若鄰居節點數nr

小于最小值nmin

，則提高發射功率；若nr

介于nmin

和nmax

之間，則不調整發射功率基于節點度的方法功率控制本地鄰居平均算法(LMN)初始狀態下，各節點發射功率相同，定期廣播自己的生命周期消息(LifeMsg)節點將自己的實際鄰居數放在LifeAckMsg中發送出去，發送LifeMsg消息的節點收到所有鄰居的LifeAckMsg回復，計算出鄰居節點的平均值作為自己的平均鄰居節點數節點根據自己的鄰居節點數量判斷是否需要改變發射功率基于鄰近圖的方法功率控制鄰近圖方法思想基本思想：設所有節點都使用最大發射功率發射時形成的拓撲圖G(即UDG)，按照一定的鄰居判別條件q求出該圖的鄰近圖(即特殊生成子圖)G‘，最后G’中的每個節點以自己所鄰近的最遠通信節點來確定發射功率。主要算法包括RNG、MST、LMST等LMST算法：每個節點構建各自的局部最小生成樹，將這些局部最小生成樹合并為一張新圖。LMST優勢：與UDG相比降低了能耗，包含的鏈路更少，降低了網絡中的干擾，提升了效能。基于鄰近圖的方法功率控制其他方法功率控制CONREAP方法思想基本思想：采用了基于機會的方法并考慮了無線通信范圍內的“過渡區域”；處于過渡區域的節點既不是完全連通的也不是完全斷開的，這些節點可能成功接收一部分數據，下次發送的數據可能無法正確接收。算法引入網絡的可達性參數，當參數高于某一閾值時，網絡的能耗最小。過渡區域：某些區域內的節點雖在圓心節點的通信半徑內，但由于信號衰減等原因，造成通信質量不佳，此區域及過渡區域。目的：減少重復路由造成的節點能量快速衰減。活動調度活動調度通過控制節點活動和睡眠狀態的切換來滿足節能等需求“狀態切換”指在維持連通度前提下，關閉冗余節點，留下部分可以滿足網絡需求的節點工作節點的關閉或休眠只針對節點的無線收發模塊，節點處于這兩種狀態時，其傳感器等其他部件還可以工作所處位置一般位于MAC層和網絡層之間，與路由協議關系密切地理自適應保真算法(GAF)

依據節點地理位置信息選擇骨干節點，節點必須知道自己的地理位置。GAF算法在每個網格內維持一個骨干節點，保證網絡連通性，讓其他節點進入睡眠狀態減少能耗發現狀態：節點與鄰居交換“鄰居發現消息”，包括節點ID、網格ID、預估節點活動時間和節點狀態活動狀態：節點參與路由活動，處理網格內通信活動，每一網格內只有一個節點處于活動狀態睡眠狀態：除活動節點外，其他節點均關閉無線傳輸模塊狀態切換：若收到更高級別“鄰居發現消息(預估活動時間)”，則節點進入睡眠狀態，工作任務轉移，活動調度基于連通度的方法活動調度基于連通度的方法GAF算法實際是一種基于地理位置信息的分簇算法，每個網格內的節點自動成簇，活動節點即為簇頭優勢根據單元格的大小，可以最大限度使大部分節點睡眠，節省能耗劣勢成簇條件苛刻載荷分配不均衡，匯聚節點附近的單元格能耗消耗大自適應自配置傳感器網絡拓撲(ASCENT)

通過節點的本地“測量”來進行活動調度，保障網絡連通性。ASCENT算法使用分布式調度機制，保留骨干節點，其余節點睡眠探測狀態(Test)：節點與鄰居交換“控制信息”，計算周圍主動活動鄰居數主動活動狀態：可收發、路由數據被動活動狀態：不關閉無線通信，不參與通信，偵聽當前流量，搜集網絡狀態和鄰居數據丟失率睡眠切換：除活動節點外，其他節點均關閉無線傳輸模塊活動調度基于連通度的方法活動調度基于連通度的方法ASCENT節點狀態轉換方式：節點發現丟包嚴重，即向源節點方向發送求助消息節點探測到鄰居丟包嚴重或收到求助消息時，則進入主動活動狀態，參與網絡通信活動調度基于連通度的方法ASCENT算法基本思想是節點自適應決定自己的狀態，對節點的計算要求相對較高優勢節點可以自適應地根據本地狀態改變自身狀態，從而動態改變網絡拓撲形態劣勢節點在自適應狀態轉換過程中計算、能耗開銷均高于GAF算法；節點偵測也有通信開銷活動調度基于網絡容量的方法SPAN算法也采用了分布式骨干節點選舉機制SPAN算法中節點與鄰居定期交換控制信息(即HELLO消息)HELLO消息內容：節點狀態(是否為骨干節點)、連接到的骨干節點列表、節點的鄰居每個節點通過HELLO消息都知道自己周圍的骨干節點，能在需要時決定自己是否成為骨干節點；消息內容也供路由協議使用，以便在骨干節點中選擇中繼節點活動調度基于網絡容量的方法SPAN算法中普通節點可以轉換為骨干節點，骨干節點也可以轉換為普通節點。成為骨干節點：如果節點發現有超過兩個鄰居節點不能通信，則有資格成為骨干節點；為防止過多節點成為骨干節點，SPAN算法有退避機制，由節點效用和剩余能量決定骨干節點停職：骨干節點檢查鄰居節點狀態，如每個鄰居都可通過其他的骨干節點進行通信，則該骨干節點停止當前職責，成為普通節點活動調度SPAN算法在保證了網絡連通性的同時也保證了一定的網絡容量優勢延長了網絡壽命提高了網絡的健壯度，如鏈路故障，有其他鏈路替代劣勢增加了消息傳輸的跳數和時延增加了控制消息的交換以及通信開銷基于網絡容量的方法活動調度STEM協議稀疏拓撲與能量管理(STEM)協議屬于非層次型的節點喚醒調度算法。STEM協議中網絡無需始終維持連通性，通常情況下節點處于監視狀態，在事件發生后，網絡產生突發流量，快速喚醒整個網絡，恢復連通性，傳輸數據。STEM協議采用雙無線收發機模式：一個收發機用于調度和信道偵聽；另一個用于實際數據通信。兩個收發機采用不同信道，彼此互不干擾活動調度STEM協議WSN網絡無實際數據通信節點關閉第二無線收發機以節省能量定期打開第一收發機偵聽網絡發生觸發事件節點第一收發機偵聽到網絡傳輸信號喚醒第二收發機，傳輸數據活動調度STEM協議STEM協議可以與GAF等算法相結合，利用各自優勢，進一步調整網絡能量消耗優勢節省能量，延長了網絡壽命適用于低速、基于事件的網絡應用場景劣勢節點花費大量時間進行偵聽不適用于監控型網絡，節能效果不明顯聚簇管理使用分簇形式的優勢擴展性好限制了一般節點到匯聚節點的傳輸跳數，支持大規模網絡高效能簇頭保持活動狀態，其他節點可睡眠；簇頭可動態選舉均衡能耗減少碰撞幾率節點簇內管理，數據簇內傳輸獲取更多局部信息通過和簇頭節點交換信息混合能效分布式(HEED)分簇算法在分簇時考慮了節點剩余能量與簇內通信成本，將節點劃分為多個一跳的簇。HEED產生背景：HEED是在LEACH算法簇頭分布不均勻這一問題基礎上而作出對LEACH協議分簇算法的改進，它以簇內平均可達能量(AMRP)作為衡量簇內通信成本的標準。HEED算法的實質：在LEACH算法基礎上，重點修改了選舉簇頭的算法。在全網時間同步的基礎上,將節點根據當前剩余能量占初始能量的比例p劃分為若干“等級”，等級較高的節點率先公布自己為簇頭，而等級較低的節點在收到簇頭廣播后加入這個簇。如果節點的剩余能量降為初始能量的1%就被除去競選簇頭的資格。聚簇管理HEED算法聚簇管理HEED算法主要改進在簇頭選擇中考慮了節點的剩余能量,并以主從關系引入多個約束條件。實結果