无线传感器网络层次型拓扑结构控制
无线传感器网络的组网技术详解
无线传感器网络的组网技术详解无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。
这些节点能够感知环境中的各种物理量，并将采集到的数据通过网络传输到目标位置。
无线传感器网络在农业、环境监测、智能交通等领域具有广泛的应用前景。
而组网技术是无线传感器网络中至关重要的一环，它决定着网络的可靠性、稳定性和性能。
一、无线传感器网络的组网模式无线传感器网络的组网模式有两种：平面型组网和立体型组网。
1. 平面型组网平面型组网是指节点在平面上均匀分布的组网模式。
节点之间的通信距离较近，通信路径较短，能够有效降低传输延迟和能量消耗。
平面型组网适用于需要对平面区域进行全面监测的场景，如土壤湿度监测、温度监测等。
2. 立体型组网立体型组网是指节点在三维空间中分布的组网模式。
节点之间的通信距离相对较远，通信路径较长，需要更强的通信能力和能量支持。
立体型组网适用于需要对三维空间进行全面监测的场景，如建筑结构监测、地震预警等。
二、无线传感器网络的组网拓扑结构无线传感器网络的组网拓扑结构有多种，常见的有星型结构、树型结构和网状结构。
1. 星型结构星型结构是指所有节点都直接连接到一个中心节点的组网模式。
中心节点负责数据的汇聚和转发，具有较高的通信能力。
星型结构简单、稳定，适用于小规模的传感器网络。
2. 树型结构树型结构是指节点之间通过父子关系构成的层级结构。
树型结构中每个节点只与其父节点和子节点直接通信，数据通过树形结构传输。
树型结构适用于大规模的传感器网络，能够有效减少通信开销。
3. 网状结构网状结构是指节点之间通过多跳通信形成的网状网络。
每个节点都可以与其他节点直接通信，数据通过多跳传输。
网状结构具有较高的灵活性和容错性，适用于复杂环境下的传感器网络。
三、无线传感器网络的组网协议无线传感器网络的组网协议有多种，常见的有LEACH协议、TEEN协议和PEGASIS协议。
无线传感器网络中的网络拓扑结构
无线传感器网络中的网络拓扑结构无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的，这些节点可以相互通信并协同工作，以收集、处理和传输环境中的信息。
在无线传感器网络中，网络拓扑结构的设计和选择对于网络的性能和可靠性起着至关重要的作用。
一、星型拓扑结构星型拓扑结构是最简单和最常见的网络拓扑结构之一。
在星型拓扑结构中，所有的传感器节点都直接连接到一个中心节点。
中心节点负责收集和处理来自其他节点的数据，并将结果传输到其他节点。
星型拓扑结构具有简单、易于实现和维护的优点，但也存在单点故障的风险，如果中心节点发生故障，整个网络将无法正常运行。
二、树型拓扑结构树型拓扑结构是一种层次结构，其中一个节点作为根节点，其他节点按照层次结构连接到根节点。
树型拓扑结构具有良好的可扩展性和灵活性，可以根据实际需求进行扩展和调整。
此外，树型拓扑结构还具有较好的容错性，即使某些节点发生故障，网络的其他部分仍然可以正常工作。
然而，树型拓扑结构也存在一些缺点，如较长的传输延迟和较高的能耗。
三、网状拓扑结构网状拓扑结构是一种多对多的连接方式，其中每个节点都与其他节点直接相连。
网状拓扑结构具有高度的灵活性和可靠性，即使某些节点发生故障，网络仍然可以通过其他路径进行通信。
此外，网状拓扑结构还具有较低的传输延迟和较好的能耗控制。
然而，网状拓扑结构也存在一些问题，如较高的成本和复杂性。
由于每个节点都需要与其他节点直接通信，所以节点之间的通信距离较短，这限制了网络的覆盖范围。
四、混合拓扑结构混合拓扑结构是将多种拓扑结构组合在一起形成的。
通过灵活地组合不同的拓扑结构，可以充分发挥每种拓扑结构的优点，并弥补其缺点。
例如，可以将星型结构用于数据收集和处理，而将树型或网状结构用于数据传输。
混合拓扑结构可以根据实际需求进行灵活调整，以实现更好的性能和可靠性。
总结：无线传感器网络中的网络拓扑结构选择应根据具体应用需求和网络性能要求来确定。
不同的拓扑结构具有不同的特点和适用场景，需要综合考虑各种因素进行选择。
无线传感器网络关键技术及特点
启发式的节点唤醒和休眠机制。
（2） 时间同步
时间同步是需要协同工作的无线传感器网络系统 的一个关键机制。
不同晶体的振荡频率不完全相同，随着时间的推 移，时间会出现偏差。
特定的应用中，传感器节点需要彼此合作才能完 成任务，需要实现时间同步。
（3） 定位技术
位置信息是传感器节点采集数据中不可缺 少的部分，没有位置信息的监测消息通常 毫无意义。 无线传感器网络定位通常会使用三边测量 法、三角测量法或极大似然估计法确定节 点位置。根据定位过程中是否实际测量节 点间的距离或角度，把无线传感器网络中 的定位分类为基于距离的定位和与距离无 关的定位。
传感器网络关键技术 （1） 拓扑控制
拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。 拓扑控制是指在满足区域覆盖度和网络联通度的条件下， 通过节点发射功率的控制和网络关键节点的选择，删掉不 必要的链路，生成一个高效的网络拓扑结构，以提高整个 网络的工作效率，延长网络的生命周期。 拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由 协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标 定位等方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络 的生存期。
（4） 网络安全
WSN安全问题是信息机密性、数据产生的可靠性、数据融 合的高效性以及数据传输的安全性。 安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新 鲜性、认证广播和安全管理。水印技术 由于节点处理能力、计算能力的限制，安全性与普通网络 有很大区别，也是无线传感器网络安全的主要挑战； 另外，无线传感器网络任务的协作特性和路由的局部特性 使节点之间存在安全耦合，单个节点的安全泄漏必然威胁 网络的安全， 所以在考虑安全算法的时候要尽量减小这 种耦合性。
无线传感器网络
• 根据定位过程中实际测量节点间的距离和角度与否
通过测量节点间点到点的距离 或角度等信息进行位置估计； 基于测距的定位
无须测距技术的定位
无须距离和角度信息，仅根据 网络连通性等信息即可实现。
测距方法
• 基于距离的节点定位算法定位精度相对较高，但由于要实 际测量节点间的距离或角度，所以通常硬件要求也较高。 典型的距离测量技术包含利用 RSSI 测距、利用 TOA 或 TDOA 测距和利用 AOA 测距
• 第五，无线传感器网络具备有很强容错能力 • 第六，由于无线传感器网络节点的体积和所携带 能量有限的限制，这些限制决定了传感器节点只 能具备有限的计算和存储能力还有相对距离较短 的通信能力 • 第七，无线传感器网络节点无中心，无线传感器 网络中的传感器节点无严格的控制中心所有的节 点都是地位平等，加入和离开节点都是随意的没 有严格的限制条件
拓扑控制的研究方向
• WSN中拓扑控制可以分为两个研究方向：功率控制和层次 拓扑结构控制。 • 功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率，保证网络 连通，在均衡节点中直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的 同时，降低节点之间的通信干扰。 • 层次拓扑控制是利用分簇思想，使网络中的部分节点处于 激活状态，成为簇头节点。由这些簇头节点构建一个连通 的网络来处理和传输网络中的数据，并定期或不定期地重 新选择簇头节点，以均衡网络中节点的能量消耗。
传感器节点的限制
• 感知数据流无限
– 传感器网络每个传感器都产生无限 的流式数据，并具有实时性 – 每个传感器仅具有有限的存储器和 计算资源，难以处理巨大的实时数 据流
传感器节点的限制 • 以数据为中心
– 传感器网络不是通常的网络
• 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件
无线传感器网络的关键技术
传感器网络的关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非感常多的关键技术有待发现和研究，下面仅列出部分关键技术。
1、网络拓扑控制对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。
通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。
所以，拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。
传感器网络拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点的选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。
拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。
功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目；已经提出了COMPOW等统一功率分配算法，LINT／LILT和LMN ／LMA等基于节点度数的算法，CBTC、LMST、RNG、DRNG和DLSS等基于邻近图的近似算法。
层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点．由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量；目前提出了TopDisc成簇算法，改进的GAF虚拟地理网格分簇算法，以及LEACH和HEED等自组织成簇算法。
除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，人们也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。
该机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。
这种机制重点在于解决节点在睡眠状态和活动状态之间的转换问题，不能够独立作为一种拓扑结构控制机制，因此需要与其他拓扑控制算法结合使用。
2．网络协议由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。
无线传感器网络的关键技术
传感器网络的关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非感常多的关键技术有待发现和研究，下面仅列出部分关键技术。
1、网络拓扑控制对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。
通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。
所以，拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。
传感器网络拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点的选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。
拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。
功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目；已经提出了COM POW等统一功率分配算法，LINT／LIL T和LM N／LMA等基于节点度数的算法，CBTC、LMST、RNG、DRNG 和DL SS等基于邻近图的近似算法。
层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点．由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量；目前提出了Top Disc成簇算法，改进的GAF虚拟地理网格分簇算法，以及LEACH和HEED等自组织成簇算法。
除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，人们也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。
该机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。
无线传感器网络的技术和应用
无线传感器网络的技术和应用随着人们对信息化技术的越来越高的关注度，无线传感器网络的技术和应用也逐渐得到了广泛的关注。
无线传感器网络指的是一种由多个微型传感器节点组成的网络，这些节点可以搭载各种传感器，如温度传感器、湿度传感器、光线传感器等，通过无线通信方式进行数据的采集和传输。
这种网络可以广泛应用于环境监测、工业自动化、健康医疗等领域。
一、无线传感器网络的技术无线传感器网络的核心技术包括网络拓扑结构、数据采集和传输、能量管理等方面。
1.网络拓扑结构无线传感器网络的拓扑结构可以分为星型拓扑、树型拓扑和网格拓扑。
其中，星型拓扑结构是最简单的，节点直接连接到一个中心节点，数据传输只需要依靠中心节点转发即可。
而树型拓扑和网格拓扑更适用于大规模的节点部署，可以提高网络的可靠性和扩展性。
2.数据采集和传输无线传感器网络中的数据采集和传输是实现全局协同的基础。
传统的传感器网络使用的是区域协同方式，即每个节点只和周围节点通信，不能直接和其他地方节点通信。
而在无线传感器网络中，由于采用了全局协同的方式，节点之间可以直接进行数据的传输，从而大大提高了网络的效率和准确性。
3.能量管理无线传感器网络中的节点数量往往是非常庞大的，同时节点的电源也是一大瓶颈。
因此，如何进行有效的能量管理成为了无线传感器网络技术中的一大难点。
为了延长网络的寿命，需要对节点的能量进行合理的管理，例如采用能量平衡、低功耗通信等方式，从而实现节点能量的最大化利用。
二、无线传感器网络的应用无线传感器网路是一种用于数据采集、监测和控制的重要技术手段。
它可以应用于环境监测、交通、智能水利、智能农业等多个领域。
1.环境监测无线传感器网络可以应用于环境监测中，通过部署一定数量的传感器节点，可以实现对温度、湿度、气体等环境因素的实时监测，从而保证环境的安全和健康。
2.交通无线传感器网络可以应用于交通领域，通过部署一定数量的传感器节点，可以实现对路况、交通流量等数据的实时监测，从而为交通管理提供有力的支持。
无线传感器网络拓扑控制分析
无线 传感 器 网络 生 命周期 的延 长 ，研 究拓扑 控制 有
着重 要意 义 。
线 限制 和成本 问题 ， 由于无 线传 感器 网络 “ 时 随地 随
无 线 ” 的理 念 ，有 限 能 量 的 合 理 利 用 成 为 了 限 制 ＷＳ 的一 个瓶 颈 。 目前 ， Ｎ 针对 ＷＳ 的 各 方 面的 研 Ｎ
的能 量维持 网络拓 扑 。目前 ， 拓扑 控 制算 法 的研 究主要 分 为集 中式和 分 布式 两种 。文章 对
简要介 绍 了无 线传 感 器 网络 中拓 扑控 制研 究的 意 义 ，总结 了无 线传 感 器 网络 的拓 扑 结构
及 现 有的 一 些拓 扑控 制 算 法 ， 最后探 讨 了存在 的 问题 和今 后 的发 展 方 向。
究 都是 围绕这 个 目的 展开 的 。
作 为无 线传 感器 网络 中最 重 要 的技 术之 一 。实
现该 拓扑 控 制技 术 的 网络 结构 有 三种 ： 星状 网 、 网状 网及混合网（ 星状 网 十网状 网 ） 每种 网络 结 构 都 Ⅲ，
有 自身 的优 点 和缺 点 。
２Ｉ 星 状 网络 拓 扑结构 ．
对 网络进 行拓 扑控 制 ，町以实现 对 传感 器 节点 通 信 功 率的控 制 ， 证 网络 的连通 性 ， 时可 以减 少 节点 保 同
间 的通信 干扰 ， 高整 个 网络 的通 信 效率 ； 提 在此 基 础
２２ 网 状 网 络 拓 扑 结 构 ．
网状 拓 扑 结 构 是 多跳 （ ｌ．ｏ ， ｍｕｔｈ ｐ 即一 次 中继 ） ｉ 系统 ， 中所 有无 线 传感 器节 点都 相 同 ， 其 而且 直接 互
拓 扑控 制是研 究 无线传 感 器 网络 的重要基 础 之
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微处理机第期年月无线传感器网络层次型拓扑结构控制安琦西北工业大学电子信息学院西安摘要无线传感器网络拓扑控制是在满足网络覆盖和连通度的前提下通过骨干网节点选择剔除节点之间不必要的无线通信链路生成一个高效的数据转发网络拓扑结构
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处
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机
第 ５期 ２０ ０ ８年 １ Ｏ月
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ＭＩ ＣＲＯＰＲＯＣ Ｓ ＥＳ ＯＲＳ
无 线 传 感 器 网络层 次 型拓 扑 结 构 控 制
安 琦
（ 西北工业大学电子信息学院， 西安 ７０ ７ ） １０２ 摘 要 ： 无线传感器网络拓扑控制是在满足 网络覆盖和连通度的前提 下， 通过骨干网节点选 择， 剔除节点之间不必要的无线通信链路 ， 生成一个高效的数据转发 网络拓扑结构。层次型的拓扑 结构 控制 利用分 簇机 制 ， 一些 节 点作 为 头 节 点 ， 让 由簇 头 节 点形 成 一个 处 理 并 转 发 数据 的骨干
ｅｉ ｎ ｔｓｎ ｅ ｅ ｓ ｗｉｅｅ ｓ ｃ ｍｍｕ ａｉ ｎ ｌｎ ｍｏ ｇ ｔｅ ｎ ｄ ｓ ａ ｒ ａｅ ａ ｆｉｉｎｔｄ ｔ ￡ａ ｓｔ ｎ ｌｍｉ ａｅ ｅ ｄｌｓ ｒ ｌ ｓ ０ ｔ ｔ ｉ ｋ ａ ｎ ｈ ｏ ｅ ， ｎｄ ｃ ｅ ｔｓ ｎ ｅ ｆ ｅ ａａ ｒｎ ｉｉ ０ ｃ ｏ
一
般又称为分簇算法 。骨干 网节点是簇头节点 ， 普
影响很大。良好的拓扑结 构能够提高路 由协议 和 ＭＡ ｃ协 议 的效 率 ， 为数 据 融合 、 间 同步 和 目标 定 时 位等很多方面提供基础 ， 有利 于延长整个网络 的生 存时问。所以， 拓扑控制是无线传感器网络中的一
个基本 问题 。
通节点是簇 内节点 。由于簇头节点需要协调簇内节 点的工作 ， 负责数据 的融合和转发 ， 能量消耗相对较
网， 其他 非骨干 网节 点可 以暂 时关 闭通 信模 块 ， 入休 眠状 态 以节 省 能 量 。研 究 了改进 的 Ｇ Ｆ虚 进 Ａ
拟地 理 网格分 簇算 法和 Ｔｐ ｉ ０Ｄｓ ｃ成簇 算 法。
关键词 ： 无线传感器 网络； 拓扑结构控制 ；Ａ Ｇ Ｆ算法；叩Ｄｓ Ｔ ｉ ｃ算法
中图分类 号 ：Ｐ９ Ｔ３３ 文献 标识 码 ： Ａ 文章编 号 ：Ｏ２— ２９（０８ Ｏ ０ ７ ０ １０ ２７ ２０ ）５— ０ ６— ３
点， 打开其通信模 块 ， 并关 闭非 骨干节 点的通 信模
块， 由骨 干节 点构 建 一 个 连通 网络 来 负 责数 据 的路 由转发 。这 样 既 保 证 了 原 有 覆 盖 范 围 内 的数 据 通
信， 也在很大程度上节省 了节点能量。在这种拓扑 管理机制下 ， 网络中的节点可 以划分为骨干网节点 和普通节点两类 。骨干网节点对周围的普通节点进 行管辖。这类算法将整个 网络划分为相连的区域 ，
ａｇ ｒ ｈ ｒ ｔ ｄ ｅ ｎ ｔｅ ｐ ｐ ｒ ｌｏ ｉ ｍａ ｅ ｓ ｉ ｄ ｉ ｈ ａ ｅ ． ｔ ｕ
Ｋｅ ｙ ｗ０ｒ ： ｉｅｅ ｓ ｓ ｎｓ ｒｎ ｔ Ｔ０ ｏ ｏ ｙ ｓｍｃ ｕ ｅ ｃ ｎ ｒＩ ＧＡＦ Ｉ ０ ｉ ｍ ； ０ ｄｓ Ｗ ｒ １ ｓ ｅ ｏ ｅ ； ｐ ｌｇ ｔ ｔ ｒ ０ ｔｏ ； ａｇ ｒｆ ｐＤｉｋ ａ ｇ ｒｔ ｍ ｈ ｒ ｓ ｌｏ ｉｈ
Ｈｉｒ ｃ ｉａ ｐ ｌｇ ｔｕ ｔ ｒ ｎ ｒ ｌ ｆＷ ｉ Ｉｓ ｎ Ｏ ｔ ｅａｒｈｃ Ｉ ＴＯ ＯＯ ｙ Ｓ ｒｃｕ ｅ ＣＯ ｔＯ ｒ ｅ ｓ Ｓｅ ｓ ｒＮｅ ｓ Ｏ ｅ
Ａ ｉ Ｎ Ｑ
（ｃ ｏ Ｄ Ｅ ｃ ｃｆ Ｓ Ｚ 厂 ￡ Ⅱ 口 而 ＾ 砌ｎⅣ ∞ ０ ，０ ｍ ０ ｅ Ｐ ｃ ０ ｆ ｅ ， ａ １０２， ７ ｏ ７ ）
１ 引 言
在无线传感器网络中， 传感器节点是体积微小 的嵌入式设备 ， 采用能量有限的电池供电， 它的计算 能力和通信能力十分有限。所 以除了要设计能量高
效 的 Ｍ Ｃ协议 、 由协议 以及 应 用 层 协 议 之外 ， Ａ 路 还 要设计 优 化 的 网 络 拓 扑 控 制 机 制 … 。对 于 自组 织 的无线传 感器 网络 而 言 ， 网络 拓 扑 控制 对 网络 性 能