無線傳感器網絡拓撲結構

無線傳感器網絡的網絡拓撲結構是組織無線傳感器節(jié)點的組網技術，有多種形態(tài)和組網方式。按照其組網形態(tài)和方式來看，有集中式、分布式和混合式。無線傳感器網絡的集中式結構類似移動通信的蜂窩結構，集中管理；無線傳感器網絡的分布式結構，類似Ad Hoc網絡結構，可自組織網絡接人連接，分布管理；無線傳感器網絡的混合式結構包括集中式和分布式結構的組合。無線傳感器網絡的網狀式結構，類似Mesh網絡結構，網狀分布連接和管理。如果按照節(jié)點功能及結構層次來看，無線傳感器網絡通?？煞譃槠矫婢W絡結構、分級網絡結構、混合網絡結構，以及Mesh網絡結構。無線傳感器節(jié)點經多跳轉發(fā)，通過基站或匯聚節(jié)點或網關接人網絡，在網絡的任務管理節(jié)點對感應信息進行管理、分類和處理，再把感應信息送給應用用戶使用。研究和開發(fā)有效、實用的無線傳感器網絡結構，為構建高性能的無線傳感器網絡十分重要，因為網絡的拓撲結構嚴重制約無線傳感器網絡通信協(xié)議（如MAC協(xié)議和路由協(xié)議）設計的復雜度和性能的發(fā)揮。下面根據節(jié)點功能及結構層次分別加以介紹。

（1）平面網絡結構

平面網絡結構是無線傳感器網絡中最簡單的一種拓撲結構，如圖1所示，所有節(jié)點為對等結構，具有完全一致的功能特性，也就是說每個節(jié)點均包含相同的MAC、路由、管理和安全等協(xié)議。這種網絡拓撲結構簡單，易維護，具有較好的健壯性，事實上就是一種Ad Hoc網絡結構形式。由于沒有中心管理節(jié)點，故采用自組織協(xié)同算法形成網絡，其組網算法比較復雜。

圖1 無線傳感器平面網絡結構

（2）分級網絡結構（也稱層次網絡結構）

分級網絡結構是無線傳感器網絡中平面網絡結構的一種擴展拓撲結構，如圖2所示，網絡分為上層和下層兩個部分：上層為中心骨干節(jié)點；下層為一般傳感器節(jié)點。通常網絡可能存在一個或多個骨干節(jié)點，骨干節(jié)點之間或一般傳感器節(jié)點之間采用的是平面網絡結構。具有匯聚功能的骨干節(jié)點和一般傳感器節(jié)點之間采用的是分級網絡結構。所有骨干節(jié)點為對等結構，骨干節(jié)點和一般傳感器節(jié)點有不同的功能特性，也就是說每個骨干節(jié)點均包含相同的MAC、路由、管理和安全等功能協(xié)議，而一般傳感器節(jié)點可能沒有路由、管理及匯聚處理等功能。這種分級網絡通常以簇的形式存在，按功能分為簇首（具有匯聚功能的骨干節(jié)點：cluster－h(huán)ead）和成員節(jié)點（一般傳感器節(jié)點：members）。這種網絡拓撲結構擴展性好，便于集中管理，可以降低系統(tǒng)建設成本，提高網絡覆蓋率和可靠性，但是集中管理開銷大，硬件成本高，一般傳感器節(jié)點之間可能不能夠直接通信。

圖2 無線傳感器網絡分級網絡結構

（3）混合網絡結構

混合網絡結構是無線傳感器網絡中平面網絡結構和分級網絡結構的一種混合拓撲結構，如圖3所示。

圖3 無線傳感器網絡混合網絡結構

網絡骨干節(jié)點之間及一般傳感器節(jié)點之間都采用平面網絡結構，而網絡骨干節(jié)點和一般傳感器節(jié)點之間采用分級網絡結構。這種網絡拓撲結構和分級網絡結構不同的是一般傳感器節(jié)點之間可以直接通信，可不需要通過匯聚骨干節(jié)點來轉發(fā)數據。這種結構同分級網絡結構相比較，支持的功能更加強大，但所需硬件成本更高。

（4）Mesh網絡結構

Mesh網絡結構是一種新型的無線傳感器網絡結構，較前面的傳統(tǒng)無線網絡

拓撲結構具有一些結構和技術上的不同。從結構來看，Mesh網絡是規(guī)則分布的網絡，不同于完全連接的網絡結構，如圖4所示。通常只允許和節(jié)點最近的鄰居通信，如圖5所示。網絡內部的節(jié)點一般都是相同的，因此Mesh網絡也稱為對等網。

圖4 完全連接的網絡結構

圖5 無線傳感器網絡Mesh網絡結構

Mesh網絡是構建大規(guī)模無線傳感器網絡的一個很好的結構模型，特別是那些分布在－個地理區(qū)域的傳感器網絡，如人員或車輛安全監(jiān)控系統(tǒng)。盡管這里反映通信拓撲的是規(guī)則結構，然而節(jié)點實際的地理分布不必是規(guī)則的Mesh結構形態(tài)。

由于通常Mesh網絡結構節(jié)點之間存在多條路由路徑，網絡對于單點或單個鏈路故障具有較強的容錯能力和魯棒性。Mesh網絡結構最大的優(yōu)點就是盡管所有節(jié)點都是對等的地位，且具有相同的計算和通信傳輸功能，但某個節(jié)點可被指定為簇首節(jié)點，而且可執(zhí)行額外的功能。一旦簇首節(jié)點失效，另外一個節(jié)點可以立刻補充并接管原簇首那些額外執(zhí)行的功能。

不同的網絡結構對路由和MAC的性能影響較大，例如，一個n×m的二維Mesh網絡結構的無線傳感器網絡擁有nm條連接鏈路，每個源節(jié)點到目的節(jié)點都有多條連接路徑。對于完全連接的分布式網絡的路由表隨著節(jié)點數增加而成指數增加，且路由設計復雜度是個NP－h(huán)ard問題。通過限制允許通信的鄰居節(jié)點數目和通信路徑，可以獲得一個具有多項式復雜度的再生流拓撲結構，基于這種結構的流線型協(xié)議本質上就是分級的網絡結構。如圖6所示，采用分級網絡結構技術可使Mesh網絡路由設計要簡單得多，由于一些數據處理可以在每個分級的層次里面完成，因而比較適合于無線傳感器網絡的分布式信號處理和決策。

圖6 采用分級網絡結構技術的Mesh結構

從技術上來看，基于Mesh網絡結構的無線傳感器具有以下特點。

①由無線節(jié)點構成網絡：這種類型的網絡節(jié)點是由一個傳感器或執(zhí)行器構成且連接到一個雙向無線收發(fā)器上。數據和控制信號是通過無線通信的方式在網絡上傳輸的，節(jié)點可以方便地通過電池來供電。

②節(jié)點按照Mesh拓撲結構部署：一種典型的無線Mesh網絡拓撲，網內每個節(jié)點至少可以和一個其他節(jié)點通信，這種方式可以實現比傳統(tǒng)的集線式或星型拓撲更好的網絡連接性。除此之外，Mesh網絡結構還具有以下特征：自我形成，即當節(jié)點打開電源時，可以自動加入網絡；自愈功能，當節(jié)點離開網絡時，其余節(jié)點可以自動重新路由它們的消息或信號到網絡外部的節(jié)點，以確保存在一條更加可靠的通信路徑。

③支持多跳路由：來自一個節(jié)點的數據在其到達一個主機網關或控制器之前，可以通過多個其余節(jié)點轉發(fā)。在不犧牲當前信道容量的情況下，擴展無線傳感器網絡的覆蓋范圍是無線傳感器網絡設計和部署的一個重要目標之一。通過Mesh方式的網絡連接，只需短距離的通信鏈路，經受較少的干擾，因而可以為網絡提供較高的吞吐率及較高的頻譜復用效率。

④功耗限制和移動性取決于節(jié)點類型及應用的特點：通?；净騾R聚節(jié)點移動性較低，感應節(jié)點可能移動性較高?；就ǔ２皇茈娫聪拗?，而感應節(jié)點通常由電池供電。

⑤存在多種網絡接人方式：可以通過星型、Mesh等節(jié)點方式和其他網絡集成。

在無線傳感器網絡實際應用中，通常根據應用需求來靈活地選擇合適的網絡拓撲結構。

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