第3章WSN拓扑结构、覆盖技术
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无线传感器网络(WSN)
二、软件结构
无线传感器网络中间件和平台软件构成无线传 感器网络业务应用的公共基础，提供了高度的 灵活性、模块性和可移植性。无线传感器网络 中间件和平台软件在无线传感器网络软件系统 架构中的位置如图5.2 所示。
二、软件结构
图5.2 无线传感器网络软件体系结构
二、软件结构
无线传感器网络应用支撑层、无线传感器网络 基础设施和基于无线传感器网络应用业务层的 一部分共性功能以及管理、信息安全等部分组 成了无线传感器网络中间件和平台软件。 无线传感器网络中间件和平台软件采用层次化 、模块化的体系结构，使其更加适应无线传感 器网络应用系统的要求，并用自身的复杂换取 应用开发的简单。
学习任务
5.1 无线传感器网络概述 5.2 无线传感器网络的系统结构 5.3 无线传感器网络的应用 5.4 无线传感器网络的研究方向
5.1 无线传感器网络概述
一、WSN对物联网的支撑作用 无线传感器网络技术是传统传感技术和 网络通讯技术的融合，通过将无线网络 节点附加采集各种物理量的传感器而成 为兼有感知能力和通讯能力的智能节点, 是物联网的核心支撑技术之一。 是物联网网络感知层和传输网络层的主 要实现技术。
图5.6 无线传感器网络Mesh网络结构
④ Mesh网络结构
特点： 网络对于单点或单个链路故障具有较 强的容错能力和鲁棒性。Mesh网络结构最 大的优点就是尽管所有节点都是对等的地 位，且具有相同的计算和通信传输功能。
五、协议结构
通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络 层、传输层和应用层五层，而网络管理面则可 以划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务 管理面。如图5.8(a)所示。
图5.4 无线传感器分级网络结构
② 分级网络结构
无线传感器网络中的网络拓扑结构分析与仿真
无线传感器网络中的网络拓扑结构分析与仿真无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是由大量分布式无线传感器节点组成的自组织网络。
这些传感器节点可以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基站节点。
在WSN中，网络拓扑结构的设计和优化对于网络的性能具有重要影响。
本文将对WSN中的网络拓扑结构进行分析与仿真，并探讨其在不同应用场景下的优劣势。
一、星型拓扑结构星型拓扑结构是最简单直观的一种网络结构，所有传感器节点都直接连接到一个中心节点。
这种结构具有较低的延迟和能耗，易于部署和维护。
然而，由于所有数据都需要通过中心节点传输，当网络规模较大时，中心节点可能成为瓶颈，导致网络拥塞和性能下降。
为了解决星型拓扑结构的缺点，研究人员提出了一种改进的星型拓扑结构，称为多中心星型拓扑结构。
在多中心星型拓扑结构中，网络被划分为多个区域，每个区域都有一个中心节点。
传感器节点只与所在区域的中心节点直接通信，而中心节点之间通过无线链路进行通信。
这种结构能够提高网络的可扩展性和容错性，但会增加网络的能耗和部署复杂度。
二、树型拓扑结构树型拓扑结构是一种层次化的结构，其中一个节点作为根节点，其他节点通过无线链路连接到根节点或其他节点。
树型拓扑结构具有较低的能耗和延迟，能够有效减少数据传输的冗余。
此外，树型结构还具有较好的容错性，当某个节点故障时，只会影响到其子节点，而不会对整个网络产生影响。
然而，树型拓扑结构也存在一些问题。
首先，当根节点故障时，整个网络将无法正常工作。
其次，树型结构对网络规模有一定限制，当网络规模较大时，树的深度会增加，导致延迟增加和能耗增加。
此外，树型结构中的某些节点可能会成为瓶颈，限制了数据的传输速率。
三、网状拓扑结构网状拓扑结构是一种多跳通信的结构，其中每个节点都可以与其他节点直接通信。
这种结构具有较好的容错性和可扩展性，能够适应复杂环境和大规模网络的需求。
WSN拓扑控制与覆盖技术
3.1.3 混合网络结构
如图3-3是混合网络结构： 特点是： 1，网络骨干节点之间及一般传感器节点之间都采用平面网络结构； 2，网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结构。
3.1.4
Mesh网络结构
从结构来看，Mesh网络是规则分布的网络。其特点是： (1)通常只允许和节点最近的邻居通信， 般都是相同 如图2-5所示，网络内部的节点一
第3章WSN 拓扑控制与覆盖技术
◆掌握WSN拓扑结构的分类 ◆了解WSN拓扑控制 ◆了解WSN功率控制 ◆掌握层次性拓扑结构控制方法 ◆了解启发机制 ◆了解覆盖理论基础 ◆了解传感器网络的覆盖控制
3.1
网络拓扑结构
无线传感器网络的网络拓扑结构是组织无线传感器节点的组网技术， 有多种形态和组网方式。 按照其组网形态和方式分，有集中式、分布式和混合式。 无线传感器网络的集中式结构类似移动通信的蜂窝结构，集中管 理； 无线传感器网络的分布式结构，类似Ad Hoc网络结构，可自组织 网络接入连接，分布管理； 无线传感器网络的混合式结构包括集中式和分布式结构的组合。 按照节点功能及结构层次分，无线传感器网络通常可分为平面网 络结构、分级网络结构、混合网络结构，以及Mesh网络结构
3.5启发机制
(2)Mesh网络也称为对等网。 (3)Mesh网络结构最大的优点：是尽管所有节点都是对等的地位，且具有相同的 计算和通信传输功能。
3.1.4
Mesh网络结构
从技术上来看，基于Mesh网络结构的无线传感器具有以下特点。 (1)由无线节点构成网络：这种类型的网络节点是由一个传感器或执行器构成且
连接到一个双向无线收发器上；
(2)节点按照Mesh拓扑结构部署，网内每个节点至少可以和一个其它节点通信； (3)支持多跳路由： (4)功耗限制和移动性取决于节点类型及应用的特点。 (5)存在多种网络接入方式，可以通过星型、 Mesh等节点方式和其它网络集成。
第4次课WSN覆盖技术..
3.5启发机制
• 在传感器网络的拓扑控制算法中，除了传统的功率控制和层次型拓扑控制两个方面 之外，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。 1. STEM算法 STEM(sparse Topology and Energy Management)算法是一种低占空比的节点唤醒机制。 该算法采用双信道，即监听信道和数据通信信道。具体地讲，STEM算法又分为 STEM-B(STEM-BEACON)算法和STEM-T(STEM-TONE)算法。 在STEM-B算法中，当一个节点想给另外一个节点发送数据时，它作为主动节点先 发送一串唤醒包。目标节点在收到唤醒包后，发送应答信号并自动进入数据接收状 态。主动节点接收到应答信号后，进入数据发送阶段。 在STEM-T算法中，节点周期性地进入侦听阶段，探测是否有邻居节点要发送数据； 当一个节点想与某个邻居节点进行通信时，它就发送一连串的唤醒包，发送唤醒包 的时间长度必须大于侦听的时间间隔，可以确保邻居节点能够收到唤醒包，紧接着 节点就直接发送数据包。所以STEM-T比STEM-B更简单实用。 STEM算法适用于类似环境监测或者突发事件监测等应用，经实验证明，节点唤醒 速度可以满足应用的需要。但是在STEM算法中，节点的睡眠周期、部署密度以及 网络的传输延迟之间有着密切的关系，要针对具体的应用要求进行调整。
3.6 覆盖
3.6.1覆盖理论基础
覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，因为传感器节 点可能任意分布在配置区域，它反映了一个无线传感器网络某区域被监测和
跟踪的状况。
在现有的研究成果当中，很多都是致力于解决传感器网络的部署和监 测及覆盖与连接的关系等方面问题。另外，也有一些研究致力于特定的应用 需求，但其核心思想都是与覆盖问题有关的。
无线传感器网络(WSN)综述
历史以及发展现状（续）
之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。
WSN的体系结构
传感器网络结构
数据采集、处理、通信能力
WSN的体系结构（续）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ传感器节点结构
MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质
传感器网络由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面八个部分组成。
清除发送阶段
WSN的协议（续）
路由协议 和传统的路由协议相比，无线传感器的路由协议有以下特点： 能量优先 基于局部拓扑信息 以数据为中心 应用相关
WSN的协议（续）
基于查询的路由协议。
路由协议分类
能量感知路由协议。
地理位置的路由协议。
可靠的路由协议。
关键技术
网络拓扑控制
01
网络协议
02
网络安全
无线传感器网络（WSN）综述
单击添加副标题
2010/5/6
主要内容：
CONTENTS
WSN概述
历史以及发展现状
WSN的体系结构
01
WSN的特征
WSN的应用
WSN的协议
02
03
04
05
06
WSN概述
无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。
WSN的应用（续）
WSN的应用（续）
智能家居
家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起。为人提供人性化的家居环境。 例：Avaak 提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。（如图 ）
之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。
WSN的体系结构
传感器网络结构
数据采集、处理、通信能力
WSN的体系结构（续）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ传感器节点结构
MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质
传感器网络由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面八个部分组成。
清除发送阶段
WSN的协议（续）
路由协议 和传统的路由协议相比，无线传感器的路由协议有以下特点： 能量优先 基于局部拓扑信息 以数据为中心 应用相关
WSN的协议（续）
基于查询的路由协议。
路由协议分类
能量感知路由协议。
地理位置的路由协议。
可靠的路由协议。
关键技术
网络拓扑控制
01
网络协议
02
网络安全
无线传感器网络（WSN）综述
单击添加副标题
2010/5/6
主要内容：
CONTENTS
WSN概述
历史以及发展现状
WSN的体系结构
01
WSN的特征
WSN的应用
WSN的协议
02
03
04
05
06
WSN概述
无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。
WSN的应用（续）
WSN的应用（续）
智能家居
家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起。为人提供人性化的家居环境。 例：Avaak 提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。（如图 ）
第4次课WSN覆盖技术剖析
所谓的非确定性是指，可用一定数量的运算去解决多项式时间内可解决的问题。NP 问题通俗来说是其解的正确性能够被“很容易检查”的问题，这里“很容易检查”指 的是存在一个多项式检查算法。相应的，若NP中所有问题到某一个问题是图灵可盖理论基础
另外一个与无线传感器网络覆盖相关的几何问题是圆覆盖问题，即在 一个平面上最多需要排列多少个相同大小的圆，才使其能够完全覆盖 整个平面。换个角度说，也就是给定了圆的数目，如何使得圆的半径 最小。A．Heppes和J．B．M．Melissen实现了矩形平面的圆最优 覆盖问题，分为最多用5个圆和7个圆来完成覆盖两种情况。如图2-8所 示给出了一个7个圆最优覆盖的一个例子。
第4次课 WSN 覆盖技术
◆了解启发机制 ◆了解覆盖理论基础 ◆了解传感器网络的覆盖控制
2. GAT算法
• GAT算法是一种依据节点的地理位置进行分簇，并对簇内的节点选择 性的进行休眠的路由算法。其核心思想是：在各数据源到数据目的地 之问存在有效通路的前提下，尽量减少参与数据传输的节点数，从而 减少用于数据包侦听和接收的能量开销。它将无线传感器网络划分成 若干个单元格(簇)，各单元格内任意一个节点都可以被选为代表，代 替本单元格内所有其他节点完成数据包向相邻单元格的转发。被选中 的节点成为本单元格的簇头节点；其他节点都进行休眠，不发送、接 收和侦听数据包。 • GAT算法通常分为虚拟单元格的划分和虚拟单元格中簇头节点的选择 两个阶段。 • (1)虚拟单元格的划分。 • (2)虚拟单元格中的簇头节点的选择。（P75详解）
3600
3.6.1覆盖理论基础
问题优化要实现的目标就是所需相机的数目应该最小化，在这个问 题当中，艺术馆通常建模成一个二维平面的简单多边形。一个简单的解
决办法就是将多边形分成不重叠的三角形，每个三角形里面放置一个相
另外一个与无线传感器网络覆盖相关的几何问题是圆覆盖问题，即在 一个平面上最多需要排列多少个相同大小的圆，才使其能够完全覆盖 整个平面。换个角度说，也就是给定了圆的数目，如何使得圆的半径 最小。A．Heppes和J．B．M．Melissen实现了矩形平面的圆最优 覆盖问题，分为最多用5个圆和7个圆来完成覆盖两种情况。如图2-8所 示给出了一个7个圆最优覆盖的一个例子。
第4次课 WSN 覆盖技术
◆了解启发机制 ◆了解覆盖理论基础 ◆了解传感器网络的覆盖控制
2. GAT算法
• GAT算法是一种依据节点的地理位置进行分簇，并对簇内的节点选择 性的进行休眠的路由算法。其核心思想是：在各数据源到数据目的地 之问存在有效通路的前提下，尽量减少参与数据传输的节点数，从而 减少用于数据包侦听和接收的能量开销。它将无线传感器网络划分成 若干个单元格(簇)，各单元格内任意一个节点都可以被选为代表，代 替本单元格内所有其他节点完成数据包向相邻单元格的转发。被选中 的节点成为本单元格的簇头节点；其他节点都进行休眠，不发送、接 收和侦听数据包。 • GAT算法通常分为虚拟单元格的划分和虚拟单元格中簇头节点的选择 两个阶段。 • (1)虚拟单元格的划分。 • (2)虚拟单元格中的簇头节点的选择。（P75详解）
3600
3.6.1覆盖理论基础
问题优化要实现的目标就是所需相机的数目应该最小化，在这个问 题当中，艺术馆通常建模成一个二维平面的简单多边形。一个简单的解
决办法就是将多边形分成不重叠的三角形，每个三角形里面放置一个相
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
掌握无线传感器网络的组网和数据处理
掌握无线传感器网络的组网和数据处理无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由大量分布在空间中的传感器节点组成的网络系统，广泛应用于环境监测、农业、物流、智能交通等领域。
要想充分发挥无线传感器网络的作用，掌握组网和数据处理是至关重要的。
本文将详细介绍无线传感器网络的组网和数据处理的步骤和技术。
一、无线传感器网络的组网步骤：1. 确定网络拓扑结构：根据实际应用需求和场景特点，确定无线传感器网络的拓扑结构，如星型、网状、树状等。
其中，星型结构适用于中心控制的应用，网状结构适用于分散式控制的应用，而树状结构适用于级联传输的应用。
2. 节点选择与部署：根据实际应用需求，选择合适的传感器节点，并合理地部署在监测区域内。
节点的部署需要考虑到节点之间的通信距离、覆盖范围、电源供应等因素，以保证整个网络的覆盖效果和可靠性。
3. 网络连接与设置：通过适当的网络连接方式（如无线、有线等），将传感器节点连接到网络主节点或网关节点上。
在网络设置方面，需要为传感器节点分配合适的网络地址，并配置节点之间的通信协议，确保数据的可靠传输。
4. 网络通信协议的选择与配置：根据实际应用需求和拓扑结构，选择适用的网络通信协议，如IEEE 802.15.4、ZigBee等。
然后，根据协议的要求进行节点的配置，包括节点的数据传输速率、射频功率、射频通道等参数的设置。
5. 网络性能测试与调优：在完成网络搭建后，需要进行性能测试与调优，包括信号强度测试、传输距离测试、网络拓扑可靠性测试等。
通过测试结果，及时调整节点的位置、参数设置等，以提高网络的性能和可靠性。
二、无线传感器网络的数据处理步骤：1. 传感器数据采集：无线传感器网络通过传感器节点实时采集环境中的各种数据，如温度、湿度、光照等。
传感器节点将采集到的数据转化为数字信号，并通过网络传输到数据处理节点。
2. 数据预处理：在接收到传感器数据后，首先进行数据预处理，包括数据去噪、数据插补、数据滤波等操作。
无线传感器网络中的拓扑控制技术综述
无线传感器网络中的拓扑控制技术综述无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是一种由大量分布式传感器节点组成的自组织网络，用于环境监测、数据采集和信息传输等任务。
在传感器节点中，拓扑结构的设计与控制技术是实现高效的数据传输和优化网络性能的重要方面。
本文将对无线传感器网络中的拓扑控制技术进行综述，包括拓扑结构的构建、维护和优化等方面的研究进展和方法。
一、拓扑结构的构建在无线传感器网络中，拓扑结构的构建是指将传感器节点连接起来形成一定的网络结构。
常用的拓扑结构包括星型、树型和网状结构。
星型结构是最简单的拓扑结构，所有的传感器节点都连接到一个中心节点。
树型结构是由多个星型结构组成的层次结构，中心节点连接到更多的子节点，形成树状拓扑结构。
网状结构是一种复杂的拓扑结构，传感器节点之间通过多跳的方式相互连接，形成一个相对自由的网络结构。
在构建拓扑结构时，一项重要的任务是选择合适的节点位置和连接方式。
节点位置的选择可以通过一些拓扑发现算法来实现，例如最大覆盖和最小重叠等算法。
连接方式的选择可以通过优化算法来实现，例如最短路径和最小生成树等算法。
此外，还可以利用地理信息系统（Geographical Information System, GIS）来辅助拓扑结构的构建，以提高网络的稳定性和传输效率。
二、拓扑结构的维护在无线传感器网络中，拓扑结构的维护是指在网络运行过程中对拓扑结构进行调整和修复，以应对节点故障、网络拓扑变化和通信质量等问题。
拓扑结构的维护包括节点位置的更新、链路状态的监测和动态路由的更新等方面。
对于节点位置的更新，可以通过节点定位算法和节点移动检测算法来实现。
节点定位算法利用传感器节点的距离、角度或信号强度等信息来确定节点的位置。
节点移动检测算法通过监测节点之间的距离变化和信号强度变化来检测节点的移动，并及时更新节点位置信息。
链路状态的监测是指对网络中的链路质量进行动态监测和评估。
《传感网技术及应用》最新课程标准
了解蓝牙(Bluetooth)；了解WIFI技术；了解 UWB容；了解红外线数据传输技术（IrDA）；了解各种短距离无线通信技术特点。
7. 无线传感网络接入技术：理解接入WSN的方式；掌握无以太网接入WSN；理解无线局域接入WSN
理解移动通信网接入WSN；理解WSN接入体系结构；理解传感器网络接入Internet方法；理解WSN接入网关设计；I理解Internet WSN数据包转换；理解WSN Internet数据包转换；理解数据包转换表生；理解服务提供网络中间；理解网关接入外部基础设施网络的实现。
1、通过应用案例的设计，培养学生的自主学习能力。
2、通过代码编写与调试，培养学生的兴趣与严谨的学习态度。
3、通过项目协作，培养学生的合作意识与沟通能力。
课程目标：
主要介绍无线传感器网络的基本概念、无线传感器网络开发环境、无线传感器网络拓扑控制与覆盖技术、无线传感器网络通信与组网技术、无线传感器网络支撑技术、无线传感器网络协议的技术标准、无线传感器网络安全技术，无线传感器网络接入技术、无线传感器网络的应用、无线传感器网络与物联网等。
8.无线传感网络应用：掌握路面参数监测传感器选择；了解道路车流量监测的传感器；掌握交通参数监测技术；了解交通参数监测的实施方案。
9. 无线传感网络与物联网：了解物联网关键技术；了解RFID的定义；了解 RFID技术；了解RFID和WSN整合；了解RFID标签与传感器的整合；了解RFID标签与传感节点的整合；了解RFID和传感器的整合；了解RFID标签与传感节点的整合；了解物联网环境下的WSN。
了解无线传感器网络应用 了解传感器网络的研究历史。
2. 无线传感网络技术开发环境：掌握WSN平台硬件设计；理解WSN的操作系统；了解现代WSN典型实验平台；掌握ZigBee硬件平台。
7. 无线传感网络接入技术：理解接入WSN的方式；掌握无以太网接入WSN；理解无线局域接入WSN
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1、通过应用案例的设计，培养学生的自主学习能力。
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2. 无线传感网络技术开发环境：掌握WSN平台硬件设计；理解WSN的操作系统；了解现代WSN典型实验平台；掌握ZigBee硬件平台。
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。
3.6.1覆盖理论基础
确定性配臵和非确定性的配臵(随机配臵)
1.一些应用中可以选择传感器配臵场地，如定点部署和配臵，这种方式称为确
定性配臵； 2. 而另外一些应用(如敌方区域或非常恶劣等人员不能到达的环境)，只能通 过随机部署(如空投撒播方式)足够多的传感器节点到监视区域，希望空投 后未遭破坏的传感器足以监视目标区域，这种方式称为非确定性的配臵或 随机配臵。如果可以选取部署场地，可采用确定性的传感器配臵方法；否 则，该配臵就是随机配臵。
3.5启发机制
在传感器网络的拓扑控制算法中，除了传统的功率控制和层次型拓扑控制两个方面 之外，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。 1. STEM算法 STEM(sparse Topology and Energy Management)算法是一种低占空比的节点唤 醒机制。该算法采用双信道，即监听信道和数据通信信道。具体地讲，STEM算法 又分为STEM-B(STEM-BEACON)算法和STEM-T(STEM-TONE)算法。 在STEM-B算法中，当一个节点想给另外一个节点发送数据时，它作为主动节点先 发送一串唤醒包。目标节点在收到唤醒包后，发送应答信号并自动进入数据接收状 态。主动节点接收到应答信号后，进入数据发送阶段。 在STEM-T算法中，节点周期性地进入侦听阶段，探测是否有邻居节点要发送数据 ；当一个节点想与某个邻居节点进行通信时，它就发送一连串的唤醒包，发送唤醒 包的时间长度必须大于侦听的时间间隔，可以确保邻居节点能够收到唤醒包，紧接 着节点就直接发送数据包。所以STEM-T比STEM-B更简单实用。 STEM算法适用于类似环境监测或者突发事件监测等应用，经实验证明，节点唤醒 速度可以满足应用的需要。但是在STEM算法中，节点的睡眠周期、部署密度以及 网络的传输延迟之间有着密切的关系，要针对具体的应用要求进行调整。
3.6.1覆盖理论基础
无线传感器网络覆盖相关的两个计算几何问题,(三角形、圆)。 第一个就是艺术馆问题(Art Gallery Problem)。设想艺术馆的业主 想在馆内放臵照相机，以便能够预防小偷盗窃。关于实现这个想法存在两 个问题需要回答：首先就是到底需要多少台相机；其次，这些相机应当放 臵在哪些地方才能保证馆内每个点至少被一台相机监视到。假定相机可以 有 360 的视角而且可以极大速度旋转，相机可以监视任何位臵，视线不 受影响。
一条道路连接它们。
3.6.2覆盖感知模型
与覆盖问题直接相关的是传感器节点的感知模型。目前，无线传感器 网络主要有两种基本感知模型。 1．布尔感知模型 2．概率感知模型
2. ASCENT算法
运行ASCENT算法的网络包括触发、建立和稳定三个主要阶段。触发阶段如图312(a)所示，在汇聚节点与数据源节点不能正常通信时，汇聚节点向它的邻居节点 发出求助信息；建立阶段如图3-12(b)所示，当节点收到邻居节点的求助消息时， 通过一定的算法决定自己是否成为活动节点，如果成为活动节点，就向邻居节点 发送通告消息，同时这个消息是邻居节点判断自身是否成为活动节点的因素之一 ；稳定阶段如图3-12(c)所示，数据源节点和汇聚节点间的通信恢复正常，网络中 活动节点个数保持稳定，从而达到稳定状态
k-1个传感器故障或失效。
凸区域:就是凸的区域。凸从几何上看就是图形是往外凸的，没有凹进去的地方。代数上是这样定义的：集合中任取两个点a
，b，有t*a+(1－t)*b仍属于这个集合，其中0<t<1。这个表达式的意思就是连接两个点a b的直线段还在集合中。这是凸的意 思。区域就是连通的开集，也可以等价的说是道路连通的开集。所谓道路连通也很好理解，就是集合中的任意两个点有
3.2.2拓扑控制的意义
研究具有十分重要的意义，主要表现在以下五个方面： (1)网络寿命， (2)减少节点通信负载，提高通信效率， (3)辅助路由协议， (4)数据融合策略选择， (5)节点冗余
3.2.3拓扑控制设计目标
拓扑控制中一般要考虑的设计目标有如下几个方面。 1.覆盖 2.连通 3.网络生命期 4.吞吐能力 5.干扰和竞争 6.网络延迟 7.拓扑性质
图3-8用7个圆实现最优覆盖的样例
3.6.1覆盖理论基础
无线传感器网络的覆盖问题在本质上和上面的几何计算问题是一 致的：需要知道是否某个特定的区域被充分覆盖和完全处于监视之下。 就成本而言，配臵的传感器节点的数量是非常重要的。在典型的无线传 感器网络应用当中，放臵或配臵一些传感器节点来监视一个区域或点集
第3章WSN 拓扑控制与覆盖技术
掌握WSN拓扑结构的分类 •了解WSN拓扑控制 •了解WSN功率控制 •掌握层次性拓扑结构控制方法 •了解启发机制 •了解覆盖理论基础 •了解传感器网络的覆盖控制
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3.1 网络拓扑结构
无线传感器网络的网络拓扑结构是组织无线传感器节点的组网技 术，有多种形态和组网方式。 按照其组网形态和方式分，有集中式、分布式和混合式。无线传 感器网络的集中式结构类似移动通信的蜂窝结构，集中管理；无线传 感器网络的分布式结构，类似Ad Hoc网络结构，可自组织网络接入连 接，分布管理；无线传感器网络的混合式结构包括集中式和分布式结 构的组合。 按照节点功能及结构层次分，无线传感器网络通常可分为平面网 络结构、分级网络结构、混合网络结构，以及Mesh网络结构
n 表示多边形所包
含的三角形的数目。这也是最糟糕情况下的最佳结果。
3.6.1覆盖理论基础
如图3-7所示是将一个简单多边形用三角测量法拆分的例子，放臵两个 监视相机足以覆盖整个艺术馆。尽管这个问题在二维平面可以得到最优解， 然而扩展到三维空间，这个问题就变成了NP-hard问题了。
相机1
相机2
图3-7多边形的三角测量法及监视相机的位臵配臵 NP-hard问题: NP是指非确定性多项式（non-deterministic polynomial，缩写NP）。所
3.1.3 混合网络结构
如图3-3是混合网络结构： 特点是： 1，网络骨干节点之间及一般传感器节点之间都采用平面网络结构； 2，网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结构。
3.1.4
Mesh网络结构
从结构来看，Mesh网络是规则分布的网络。 如图3-4所示，通常只允许和节点最近的邻居通信； 如图3-5所示，网络内部的节点一般都是相同，因此Mesh网络也称为对等网。
0
3.6.1覆盖理论基础
问题优化要实现的目标就是所需相机的数目应该最小化，在这个问 题当中，艺术馆通常建模成一个二维平面的简单多边形。一个简单的解
决办法就是将多边形分成不重叠的三角形，每个三角形里面放臵一个相
机。通过三角测量法将多边形分成若干个三角形，这样可以实现任何一
个多边形都可被
n/3
个相机所监视到，这里
3.6.1覆盖理论基础
在上面两种配臵情况下，都希望部署的传感器集合能够彼此通信，
或者直接或者间接通过多跳方式通信。 因此，除了要覆盖感应的区域或点集外，通常需要配臵的传感器集 合能够形成一个互联的网络。就连接特性而言，需要知道传感器的通信半 径，其连接覆盖的充分必要条件，满足定理1。
定理1：当传感器的密度(即单位区域的传感器数目)为有限时，是覆
3.1.4 Mesh网络结构
Mesh网络结构最大的优点：是尽管所有节点都是对等的地位，且具有
相同的计算和通信传输功能。
如图3-6所示，采用分级网络结构技术可使Mesh网络路由设计要简单得多，由
于一些数据处理可以在每个分级的层次里面完成，因而比较适合于无线传感
器网络的分布式信号处埋和决策。
3.1.4
3.2拓扑控制
3.2.1概述
拓扑控制技术是无线传感器网络中的基本问题。动态 变化的拓扑结构是无线传感器网络最大特点之一，因此拓 扑控制策略在无线传感器网络中有着重要的意义，它为路 由协议、MAC协议、数据融合、时间同步和目标定位等很 多方面奠定了基础。 MAC层可以提供给拓扑控制算法邻居发现等消息，如 图3-7所示。
3.6 覆盖
3.6.1覆盖理论基础
覆盖问题是无线传感器网络配臵首先面临的基本问题，因为传感器节点 可能任意分布在配臵区域，它反映了一个无线传感器网络某区域被监测和跟 踪的状况。 在现有的研究成果当中，很多都是致力于解决传感器网络的部署和监测 及覆盖与连接的关系等方面问题。另外，也有一些研究致力于特定的应用需 求，但其核心思想都是与覆盖问题有关的。
3.3功率控制
传感器网络中节点发射功率的控制也称功率分配问题。 1.基于节点度的功率控制 2.基于方向的功率控制 3.基于邻近图的功率控制 4. XTC算法
3.4 层次性拓扑结构控制方法
层次型拓扑结构具有很多优点，例如，由簇头节点担负数据融合 的任务，减少了数据通信量；分簇式的拓扑结构有利于分布式算 法的应用，适合大规模部署的网络；由于大部分节点在相当长的 时间内关闭通信模块，所以显著地延长整个网络的生存时间等。 1. LEACH算法
3.1.1平面网络结构
如图3-1所示，平面网络结构是无线传感器网 络中最简单的一种拓扑结构，具有如下特点：
（1）所有节点为对等结构；
（2）这种网络拓扑结构简单， 易维护，具有较好的健壮性， （3）由于没有中心管理节点
3.1.2 分级网络结构
如图3-2是分级网络结构(也叫层次网络结构)： 特点：网络分为上层和下层两个部分，上层为中心骨干节点，下层为 一般传感器节点。
谓的非确定性是指，可用一定数量的运算去解决多项式时间内可解决的问题。NP 问 题通俗来说是其解的正确性能够被“很容易检查”的问题，这里“很容易检查”指的 是存在一个多项式检查算法。相应的，若NP中所有问题到某一个问题是图灵可归约 的，则该问题为NP困难问题