无线传感器网络拓扑结构

　　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来看，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，可自组织网络接人连接，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。无线传感器网络的网状式结构，类似Mesh网络结构，网状分布连接和管理。如果按照节点功能及结构层次来看，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。无线传感器节点经多跳转发，通过基站或汇聚节点或网关接人网络，在网络的任务管理节点对感应信息进行管理、分类和处理，再把感应信息送给应用用户使用。研究和开发有效、实用的无线传感器网络结构，为构建高性能的无线传感器网络十分重要，因为网络的拓扑结构严重制约无线传感器网络通信协议（如MAC协议和路由协议）设计的复杂度和性能的发挥。下面根据节点功能及结构层次分别加以介绍。

　　（1）平面网络结构

　　平面网络结构是无线传感器网络中简单的一种拓扑结构，如图1所示，所有节点为对等结构，具有完全一致的功能特性，也就是说每个节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议。这种网络拓扑结构简单，易维护，具有较好的健壮性，事实上就是一种Ad Hoc网络结构形式。由于没有中心管理节点，故采用自组织协同算法形成网络，其组网算法比较复杂。

　　图1 无线传感器平面网络结构

　　（2）分级网络结构（也称层次网络结构）

　　分级网络结构是无线传感器网络中平面网络结构的一种扩展拓扑结构，如图2所示，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。通常网络可能存在一个或多个骨干节点，骨干节点之间或一般传感器节点之间采用的是平面网络结构。具有汇聚功能的骨干节点和一般传感器节点之间采用的是分级网络结构。所有骨干节点为对等结构，骨干节点和一般传感器节点有不同的功能特性，也就是说每个骨干节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全等功能协议，而一般传感器节点可能没有路由、管理及汇聚处理等功能。这种分级网络通常以簇的形式存在，按功能分为簇首（具有汇聚功能的骨干节点：cluster－head）和成员节点（一般传感器节点：members）。这种网络拓扑结构扩展性好，便于集中管理，可以降低系统建设成本，提高网络覆盖率和可靠性，但是集中管理开销大，硬件成本高，一般传感器节点之间可能不能够直接通信。

　　图2 无线传感器网络分级网络结构

　　（3）混合网络结构

　　混合网络结构是无线传感器网络中平面网络结构和分级网络结构的一种混合拓扑结构，如图3所示。

　　图3 无线传感器网络混合网络结构

　　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，而网络骨干节点和一般传感器节点之间采用分级网络结构。这种网络拓扑结构和分级网络结构不同的是一般传感器节点之间可以直接通信，可不需要通过汇聚骨干节点来转发数据。这种结构同分级网络结构相比较，支持的功能更加强大，但所需硬件成本更高。

　　（4）Mesh网络结构

　　Mesh网络结构是一种新型的无线传感器网络结构，较前面的传统无线网络

　　拓扑结构具有一些结构和技术上的不同。从结构来看，Mesh网络是规则分布的网络，不同于完全连接的网络结构，如图4所示。通常只允许和节点近的邻居通信，如图5所示。网络内部的节点一般都是相同的，因此Mesh网络也称为对等网。

　　图4 完全连接的网络结构

　　图5 无线传感器网络Mesh网络结构

　　Mesh网络是构建大规模无线传感器网络的一个很好的结构模型，特别是那些分布在－个地理区域的传感器网络，如人员或车辆安全监控系统。尽管这里反映通信拓扑的是规则结构，然而节点实际的地理分布不必是规则的Mesh结构形态。

　　由于通常Mesh网络结构节点之间存在多条路由路径，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，但某个节点可被指定为簇首节点，而且可执行额外的功能。一旦簇首节点失效，另外一个节点可以立刻补充并接管原簇首那些额外执行的功能。

　　不同的网络结构对路由和MAC的性能影响较大，例如，一个n×m的二维Mesh网络结构的无线传感器网络拥有nm条连接链路，每个源节点到目的节点都有多条连接路径。对于完全连接的分布式网络的路由表随着节点数增加而成指数增加，且路由设计复杂度是个NP－hard问题。通过限制允许通信的邻居节点数目和通信路径，可以获得一个具有多项式复杂度的再生流拓扑结构，基于这种结构的流线型协议本质上就是分级的网络结构。如图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理和决策。

　　图6 采用分级网络结构技术的Mesh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。数据和控制信号是通过无线通信的方式在网络上传输的，节点可以方便地通过电池来供电。

　　②节点按照Mesh拓扑结构部署：一种典型的无线Mesh网络拓扑，网内每个节点至少可以和一个其他节点通信，这种方式可以实现比传统的集线式或星型拓扑更好的网络连接性。除此之外，Mesh网络结构还具有以下特征：自我形成，即当节点打开电源时，可以自动加入网络；自愈功能，当节点离开网络时，其余节点可以自动重新路由它们的消息或信号到网络外部的节点，以确保存在一条更加可靠的通信路径。

　　③支持多跳路由：来自一个节点的数据在其到达一个主机网关或控制器之前，可以通过多个其余节点转发。在不牺牲当前信道容量的情况下，扩展无线传感器网络的覆盖范围是无线传感器网络设计和部署的一个重要目标之一。通过Mesh方式的网络连接，只需短距离的通信链路，经受较少的干扰，因而可以为网络提供较高的吞吐率及较高的频谱复用效率。

　　④功耗限制和移动性取决于节点类型及应用的特点：通常基站或汇聚节点移动性较低，感应节点可能移动性较高。基站通常不受电源限制，而感应节点通常由电池供电。

　　⑤存在多种网络接人方式：可以通过星型、Mesh等节点方式和其他网络集成。

　　在无线传感器网络实际应用中，通常根据应用需求来灵活地选择合适的网络拓扑结构。

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