无线传感器网络拓扑控制
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◆WSN拓扑控制的研究方向：功率控制；节点 活动状态调度
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2
拓扑控制技术概述
通信半径 感知半径 节点密度 覆盖范围
连通度 发射功率
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3
拓扑控制技术概述
路由层
触发算法运行
向上提供信息
拓扑管理/控制
触发算法运行
向上提供信息
MAC层
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4
拓扑控制技术概述
拓扑控制的最终目的
高效利用网络能量，减少节点间干扰，延长网络寿命
h
10
功率控制
基于邻近图的方法
邻近图方法思想
◆基本思想：设所有节点都使用最大发射功率发射时形成的拓扑图 G(即UDG)，按照一定的邻居判别条件q求出该图的邻近图(即特殊生 成子图)G‘，最后G’中的每个节点以自己所邻近的最远通信节点来确 定发射功率。 主要算法包括RNG、MST、LMST等
◆LMST算法：每个节点构建各自的局部最小生成树，将这些局部最 小生成树合并为一张新图。
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8
功率控制
基于节点度的方法
本地平均算法(LMA)
◆初始状态下，各节点发射功率相同，定期广播自己的生命周期 消息(LifeMsg)
◆节点收到其他节点的LifeMsg后，发送确认消息LifeAckMsg进行应 答；发送节点可以根据收到的LifeAckMsg数量判断自己的邻居节点 数量nr
◆节点根据自己的邻居节点数量判断是否需要改变发射功率：若 邻居节点数 nr 大于最大值nmax ，则降低发射功率；若邻居节点数 nr 小于最小值nmin ，则提高发射功率；若nr 介于nmin 和nmax 之间， 则不调整发射功率
◆过渡区域：某些区域内的节点虽在圆心节点的通信半径内，但由 于信号衰减等原因，造成通信质量不佳，此区域及过渡区域。
◆目的：减少重复路由造成的节点能量快速衰减。
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13
活动调度
活动调度
◆通过控制节点活动和睡眠状态的切换来满足节能等需求 ◆“状态切换”指在维持连通度前提下，关闭冗余节点，留 下部分可以满足网络需求的节点工作
ASCENT算法使用分布式调度机制，保留骨干节点，其余节点睡眠 ◆探测状态(Test)：节点与邻居交换“控制信息”，计算周围主动活 动邻居数
◆发现状态：节点与邻居交换“邻居发现消息”，包括节点ID、 网格ID、预估节点活动时间和节点状态
◆活动状态：节点参与路由活动，处理网格内通信活动，每一网 格内只有一个节点处于活动状态
◆睡眠状态：除活动节点外，其他节点均关闭无线传输模块
◆状态切换：若收到更高级别“邻居发现消息(预估活动时间)”，
则节点进入睡眠状态，工作任务转移，
目标
目标
目标
维持必要的 连通性
在此前提下降低 节点传输功率
尽可能短的 路径
网络中平均一跳的 实际传输距离缩短
支持分布式 操作
有好的扩展性以便 支持大规模网络
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7
功率控制
基于节点度的方法
什么是
节点度
节点度是指距离节点一跳范围内的邻居节点数 目。基于节点度的功率控制方法旨在通过寻找 节点的最佳发射功率，在不影响网络连通性的 前提下，减少能量消耗，延长网络寿命。
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9
功率控制
基于节点度的方法
本地邻居平均算法(LMN)
◆初始状态下，各节点发射功率相同，定期广播自己的生命周期消 息(LifeMsg) ◆节点将自己的实际邻居数放在LifeAckMsg中发送出去，发送LifeMsg 消息的节点收到所有邻居的LifeAckMsg回复，计算出邻居节点的平均 值作为自己的平均邻居节点数 ◆节点根据自己的邻居节点数量判断是否需要改变发射功率
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15
活动调度
基于连通度的方法
GAF算法
◆实际是一种基于地理位置信息的分簇算法，每个网格内 的节点自动成簇，活动节点即为簇头
优势
根据单元格的大小，可以最大 限度使大部分节点睡眠，节省 能耗
劣势
成簇条件苛刻
载荷分配不均衡，汇聚节点附 近的单元格能耗消耗大
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16
活动调度
基于连通度的方法
自适应自配置传感器网络拓扑(ASCENT) 通过节点的本地“测量” 来进行活动调度，保障网络连通性。
对于给定的能耗预算，可以估计 ◆节点忙闲比和冗余度对部署也有
满足系统可靠性的最小节点可靠 影响：密度上升，忙闲比可下调。
性。
超过某一阈值后，增加节点冗余度
◆连通性与覆盖范围无直接关系 对于降低忙闲比无效果
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6
功率控制
功率控制
◆对节点发射功率进行静态设置或动态调整 ◆在保证网络连通性基础上，调整邻居节点数，降低节点 能耗，延长网络寿命
网络部署
目标
功率控制
目标
活动调度
目标
聚簇管理
目标
优化网络 部署
减少能量 消耗
节点活动 管理
辅助路由 协议
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5
网络部署
网络部署
◆使每个节点充分发挥作用，保证数据准确获取和收集 ◆决定网络的覆盖范围和连通性
节点可靠性模型
◆主要思想：节点的可靠性是节 ◆节点数量：节点增多，维持连通
点在网络中处于活动状态的概率； 性和覆盖范围所花费的总能耗下降
节点的 关闭或休眠
只针对节点的无线收发模块， 节点处于这两种状态时，其传 感器等其他部件还可以工作
所处位置
一般位于MAC层和网络层之 间，与路由协议关系密切
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14
活动调度
基于连通度的方法
地理自适应保真算法(GAF) 依据节点地理位置信息选择骨干节点， 节点必须知道自己的地理位置。
GAF算法在每个网格内维持一个骨干节点，保证网络连通性，让 其他节点进入睡眠状态减少能耗
◆LMST优势：与UDG相比降低了能耗，包含的链路更少，降低了网 络中的干扰，提升了效能。
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11
功率控制
基于邻近图的方法
h
12
功率控制
其他方法
CONREAP方法思想
◆基本思想：采用了基于机会的方法并考虑了无线通信范围内的 “过渡区域”；处于过渡区域的节点既不是完全连通的也不是完全断 开的，这些节点可能成功接收一部分数据 ，下次发送的数据可能无 法正确接收。算法引入网络的可达性参数，当参数高于某一阈值时， 网络的能耗最小。
无线传感器网络 拓扑控制
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1
拓扑控制技术概述
什么是
拓扑
WSN的拓 扑控制
拓扑学(topology)是研究几何图形或空间在连续 改变形状后还能保持Βιβλιοθήκη Baidu变的一些性质的学科。 它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形 状和大小。
◆WSN中的拓扑不仅考虑节点的位置，还包括 了节点的状态以及节点间的链路
◆WSN拓扑控制(Topology Control) ：节点活动状 态的管理和调度；节点发射功率和调度计划的 控制；节点通信覆盖范围和节点连通性的控制
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拓扑控制技术概述
通信半径 感知半径 节点密度 覆盖范围
连通度 发射功率
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拓扑控制技术概述
路由层
触发算法运行
向上提供信息
拓扑管理/控制
触发算法运行
向上提供信息
MAC层
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拓扑控制技术概述
拓扑控制的最终目的
高效利用网络能量，减少节点间干扰，延长网络寿命
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功率控制
基于邻近图的方法
邻近图方法思想
◆基本思想：设所有节点都使用最大发射功率发射时形成的拓扑图 G(即UDG)，按照一定的邻居判别条件q求出该图的邻近图(即特殊生 成子图)G‘，最后G’中的每个节点以自己所邻近的最远通信节点来确 定发射功率。 主要算法包括RNG、MST、LMST等
◆LMST算法：每个节点构建各自的局部最小生成树，将这些局部最 小生成树合并为一张新图。
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功率控制
基于节点度的方法
本地平均算法(LMA)
◆初始状态下，各节点发射功率相同，定期广播自己的生命周期 消息(LifeMsg)
◆节点收到其他节点的LifeMsg后，发送确认消息LifeAckMsg进行应 答；发送节点可以根据收到的LifeAckMsg数量判断自己的邻居节点 数量nr
◆节点根据自己的邻居节点数量判断是否需要改变发射功率：若 邻居节点数 nr 大于最大值nmax ，则降低发射功率；若邻居节点数 nr 小于最小值nmin ，则提高发射功率；若nr 介于nmin 和nmax 之间， 则不调整发射功率
◆过渡区域：某些区域内的节点虽在圆心节点的通信半径内，但由 于信号衰减等原因，造成通信质量不佳，此区域及过渡区域。
◆目的：减少重复路由造成的节点能量快速衰减。
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活动调度
活动调度
◆通过控制节点活动和睡眠状态的切换来满足节能等需求 ◆“状态切换”指在维持连通度前提下，关闭冗余节点，留 下部分可以满足网络需求的节点工作
ASCENT算法使用分布式调度机制，保留骨干节点，其余节点睡眠 ◆探测状态(Test)：节点与邻居交换“控制信息”，计算周围主动活 动邻居数
◆发现状态：节点与邻居交换“邻居发现消息”，包括节点ID、 网格ID、预估节点活动时间和节点状态
◆活动状态：节点参与路由活动，处理网格内通信活动，每一网 格内只有一个节点处于活动状态
◆睡眠状态：除活动节点外，其他节点均关闭无线传输模块
◆状态切换：若收到更高级别“邻居发现消息(预估活动时间)”，
则节点进入睡眠状态，工作任务转移，
目标
目标
目标
维持必要的 连通性
在此前提下降低 节点传输功率
尽可能短的 路径
网络中平均一跳的 实际传输距离缩短
支持分布式 操作
有好的扩展性以便 支持大规模网络
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功率控制
基于节点度的方法
什么是
节点度
节点度是指距离节点一跳范围内的邻居节点数 目。基于节点度的功率控制方法旨在通过寻找 节点的最佳发射功率，在不影响网络连通性的 前提下，减少能量消耗，延长网络寿命。
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功率控制
基于节点度的方法
本地邻居平均算法(LMN)
◆初始状态下，各节点发射功率相同，定期广播自己的生命周期消 息(LifeMsg) ◆节点将自己的实际邻居数放在LifeAckMsg中发送出去，发送LifeMsg 消息的节点收到所有邻居的LifeAckMsg回复，计算出邻居节点的平均 值作为自己的平均邻居节点数 ◆节点根据自己的邻居节点数量判断是否需要改变发射功率
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活动调度
基于连通度的方法
GAF算法
◆实际是一种基于地理位置信息的分簇算法，每个网格内 的节点自动成簇，活动节点即为簇头
优势
根据单元格的大小，可以最大 限度使大部分节点睡眠，节省 能耗
劣势
成簇条件苛刻
载荷分配不均衡，汇聚节点附 近的单元格能耗消耗大
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活动调度
基于连通度的方法
自适应自配置传感器网络拓扑(ASCENT) 通过节点的本地“测量” 来进行活动调度，保障网络连通性。
对于给定的能耗预算，可以估计 ◆节点忙闲比和冗余度对部署也有
满足系统可靠性的最小节点可靠 影响：密度上升，忙闲比可下调。
性。
超过某一阈值后，增加节点冗余度
◆连通性与覆盖范围无直接关系 对于降低忙闲比无效果
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功率控制
功率控制
◆对节点发射功率进行静态设置或动态调整 ◆在保证网络连通性基础上，调整邻居节点数，降低节点 能耗，延长网络寿命
网络部署
目标
功率控制
目标
活动调度
目标
聚簇管理
目标
优化网络 部署
减少能量 消耗
节点活动 管理
辅助路由 协议
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网络部署
网络部署
◆使每个节点充分发挥作用，保证数据准确获取和收集 ◆决定网络的覆盖范围和连通性
节点可靠性模型
◆主要思想：节点的可靠性是节 ◆节点数量：节点增多，维持连通
点在网络中处于活动状态的概率； 性和覆盖范围所花费的总能耗下降
节点的 关闭或休眠
只针对节点的无线收发模块， 节点处于这两种状态时，其传 感器等其他部件还可以工作
所处位置
一般位于MAC层和网络层之 间，与路由协议关系密切
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活动调度
基于连通度的方法
地理自适应保真算法(GAF) 依据节点地理位置信息选择骨干节点， 节点必须知道自己的地理位置。
GAF算法在每个网格内维持一个骨干节点，保证网络连通性，让 其他节点进入睡眠状态减少能耗
◆LMST优势：与UDG相比降低了能耗，包含的链路更少，降低了网 络中的干扰，提升了效能。
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功率控制
基于邻近图的方法
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功率控制
其他方法
CONREAP方法思想
◆基本思想：采用了基于机会的方法并考虑了无线通信范围内的 “过渡区域”；处于过渡区域的节点既不是完全连通的也不是完全断 开的，这些节点可能成功接收一部分数据 ，下次发送的数据可能无 法正确接收。算法引入网络的可达性参数，当参数高于某一阈值时， 网络的能耗最小。
无线传感器网络 拓扑控制
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拓扑控制技术概述
什么是
拓扑
WSN的拓 扑控制
拓扑学(topology)是研究几何图形或空间在连续 改变形状后还能保持Βιβλιοθήκη Baidu变的一些性质的学科。 它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形 状和大小。
◆WSN中的拓扑不仅考虑节点的位置，还包括 了节点的状态以及节点间的链路
◆WSN拓扑控制(Topology Control) ：节点活动状 态的管理和调度；节点发射功率和调度计划的 控制；节点通信覆盖范围和节点连通性的控制