无线传感器网络中的移动式连通研究综述

无线传感器网络由部署在特定区域的大量无线传感器节点通过自组织方式形成。广泛应用于军事、医疗、救灾、工业等多个领域。在WSN中，节点可能因为能量耗尽、硬件故障以及恶意攻击等原因而失效，进而导致网络分割，降低网络连通性，从而影响网络性能和生存期。因此，如何通过连通控制减轻这种情况的发生是当前的一大挑战。传统的典型方法通过调节节点的通信范围来构建理想的拓扑结构，然而其因节点通信范围限制无法彻底解决问题。近几年的研究热点是引入移动性节点，例如通过移动性节点可以进行数据收集、目标跟踪和目标检测。另外，通过利用移动节点的机动性来进行连通控制具有更高的灵活性，例如可以调度移动节点取代故障节点以保持网络连通。本节对利用移动性节点进行连通控制的方法进行充分调研，通过对其分类和比较，归纳了移动式连通控制方法的特点，分析了其性能和适用范围，总结了存在的主要问题，并指出了未来的研究方向。

（一）移动式连通控制问题及度量指标

连通控制是WSN研究的核心问题之一，其对延长网络生存期、提高网络协议效率等都有积极意义。连通控制需要在保证网络连通的前提下延长网络生存期。传统保持网络连通的方法是在区域部署大量节点，提高平均节点度。随着移动WSN研究的不断深入，对连通控制方法的研究有了新的方向，即引入移动性节点来应对连通要求。当部分区域连通度降低时，移动性节点移动到相应位置以修复或提高连通度。移动性节点的引入增加了故障修复的灵活性，缩短了故障修复时间，为其他功能提供了可靠保障。例如当网络分割时，移动节点可以通过移动作为中继节点连接分割的网络进行修复。因此移动式连通控制就是利用节点移动性保障网络连通性以延长网络生存期。

（二）主要度量指标

移动式连通控制的度量指标主要有以下几种。

（1）故障修复速度，故障修复速度是WSN服务性能的主要度量标准之一。当节点发生故障时，如何及时修复故障是保证网络性能的条件之一。只有及时地修复节点故障，才能改善网络生存期。

（2）网络连通性，在实际应用中，传感网的规模一般较庞大，节点感知到的数据信息需要通过多跳转发到汇聚节点，因此必须保证网络连通性才能使数据转发过程顺利进行。网络连通性的强弱可以通过连通等级进行评判，如果网络中任意两个节点都有K条不相交的通信链路，那么说明这个网络是K连通的，K值越大代表网络的连通性越强，就越能应对网络故障。

（3）节点移动距离，节点需要移动的距离。节点的移动需要消耗能量与时间，因此在满足需求的前提下最小化节点的移动距离可以在一定程度上加快故障恢复速度，延长网络生存期。

（4）均衡网络能耗，节点的能量非常有限，而数据通信及节点的移动等都需要消耗能量，另外不同节点的能耗不均，因此均衡网络中各个节点的能耗以尽量延长网络生命期是其一个重要指标。根据实际WSN所需要满足的应用需求，从以上选择相应的指标进行评判。

（三）存在的问题及挑战

目前移动式连通控制技术主要存在如下问题及挑战。(www.xing528.com)

（1）如何确定合适的移动节点数量，WSN的规模通常都比较大，节点数量较多。利用移动性节点可以解决网络的连通性问题，但是过多的移动性节点又会增加网络的成本，因此如何根据实际的应用场合来确定合适的移动节点数量来进行连通控制是一个重要挑战。

（2）提高网络中节点定位精度，利用移动节点来解决连通控制问题需要定位故障点及移动节点位置，这样才能使移动节点移动到故障处以解决连通问题。然而，由于WSN的实际应用环境十分复杂，节点定位会受到各种环境因素的干扰，导致定位不准确，因此如何规避环境的干扰来提高节点定位的精度是一个重要问题。

（3）移动节点的能量消耗，实际上，移动节点并非毫无限制。虽然一般情况下移动节点的能量较多，但是其能量仍是有限的，移动节点进行通信、移动以及计算等都需要消耗能量，因此如何降低移动节点的能耗也是移动式连通控制方法当前存在的问题之一。

（四）移动式连通控制方法的分类

依据不同的分类标准，移动式连通控制有多种分类方法，例如根据连通控制的目的不同可以分为针对网络覆盖和针对网络连通两种分类方法等，典型的分类方法有如下几类。

（1）基于移动节点比例的分类。根据组成网络的节点中移动节点所占的比例不同，可分为全移动节点和部分移动节点两种方法。全移动节点方法中，网络中的节点全部是移动节点，灵活性高，成本也相对较高；部分移动节点方法是指在网络中只需要较少的移动节点与固定节点配合以实现连通控制，成本较低，同时灵活性也低。

（2）基于算法类型的分类。根据算法类型的不同可分为中心式和分布式两种方法。中心式连通控制方法是指通过单个节点生成修复方案和协调节点重定位的连通控制方法，不适用于规模较大的网络；分布式连通控制方法是指在网络中的节点均会参与连通控制过程，不再只依靠于某一个节点，这样大大减少了节点的计算量，使故障修复更加迅速，适用于大规模网络。

（3）基于网络连通强度的分类。根据网络连通度的不同，可分为1-连通和k-连通网络中的方法，1-连通网络中的方法保证任意两个节点之间至少有一条链路，成本低，连通性弱。k-连通网络中的方法要保证任意两个节点间至少有K条不相交的链路，K通常为2，K取值越大，连通性越好，但是算法复杂度较高。

（4）基于故障数量的分类。根据网络中故障数量的不同，可分为单故障和多故障两种方法。单故障是指网络中只有单个节点发生故障。多故障指网络中多个节点并发故障而造成的网络分割。