CN110392408A - 基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法与系统，来解决突发事件发生时或网络拓扑结构发生变化后，如何动态调节网络节点的属性和参数的问题，以减轻网络干扰并延长网络生存期。通过设计一个能够反映链路能效和节点能量状态的动态链路权重，并结合现有的拓扑控制算法动态生成不同时刻的最佳网络拓扑，同时基于该网络拓扑为需要进行数据传输的节点分配所需的资源及路由。本发明在保证一定链路中断概率的前提下能充分权衡网络能效和网络生存期，在存在链路干扰的环境下能有效延长网络生存期，具有较强的抗干扰性，并使网络能效得到明显改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法与系统，特别涉及网络拓扑具有动态可变特性的低功率无线传感器网络、无线自组织网络等，提出一种通过集中式动态控制网络拓扑和调整节点角色和参数的方法以减轻网络干扰并延长网络生存期，属于无线通信技术领域。
背景技术
通常，无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)、无线自组织网络(Wireless Ad-Hoc Network,WAHN)中的网络节点能量和资源高度受限，降低节点的能量消耗并延长网络的生存期是这种类型的网络所面临的一个关键性挑战。拓扑控制技术是在保证网络连通性和覆盖度的前提下，通过有效合理地设置或调整节点的发射功率和角色，并根据一定的原则选择合适的节点处理和传输网络中的数据，剔除节点间不必要的无线通信链路，生成一个能量高效的数据转发的优化网络拓扑结构。典型的拓扑控制技术包括：基于最小权重支撑树(Minimum-weight Spanning Tree,MST)的拓扑控制、基于方向角的拓扑控制(Cone-Based Topology Control,CBTC)、基于本地最短路径(Local Shortest-Path,LSP)的拓扑控制、基于最近邻居的拓扑控制、基于最小路径能量的拓扑控制等。上述多数拓扑控制技术是分布式的，且节点的发射功率和速率分配完成之后基本保持不变。然而，节点的剩余能量和节点之间的干扰变化是实时的，随着数据传输的时长和激活节点的个数而发生变化。当节点能量耗尽或节点间的链路干扰增强而迫使通信链路中断时，网络拓扑结构会发生变化。因此，对时变网络拓扑结构进行建模和分析，并寻找一个有效的拓扑控制方法，已经引起了这一领域学者的广泛关注。近年来，随着软件定义网络(Software DefinedNetworking,SDN)的兴起，SDN模式也被逐渐应用到各种类型的无线网络中，包括无线传感器网络，称之为软件定义无线传感器网络(Software-Defined Wireless Sensor Network,SDWSN)。在SDWSN中，基于SDN的解决方案增加了网络管理的灵活性，控制器的集中式控制能更好地克服WSN网络的可扩展性问题，并能通过动态调整网络节点的角色和功率、速率分配优化网络的拓扑结构。
发明内容
发明目的：本发明目的在于提出的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法与系统，从最大化网络能量效率(能效)并尽可能延长网络生存期的角度，考虑邻近链路干扰对数据通信的影响，引入一个能够反映链路能效和节点能量状态的动态链路权重，结合现有拓扑控制算法解决突发事件发生时或网络拓扑结构发生变化后，如何动态调节网络节点的属性和参数的问题，以减轻网络干扰和延长网络生存期。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，包括如下步骤：
当有数据包到达时，传感器节点向控制器请求资源分配及路由；
控制器接收到传感器节点的资源分配及路由请求后，基于动态链路权重生成可以权衡网络能效和网络生存期的最佳网络拓扑结构，并基于该拓扑结构为所请求的传感器节点分配可用路由及资源；所述动态链路权重具有动态特性和有向性，能够反映链路能效和节点能量状态；
传感器节点接收到控制器反馈的可用分配资源及路由后，传输数据并更新节点的激活状态；若节点的激活状态为去激活，则节点在数据传输完毕后退出网络。
进一步地，所述动态链路权重的基本特征具体包括：
链路能效的变化，基于不同时刻分配给该链路发送端节点所需的发射功率，该发射功率同时考虑了链路质量需求保证和链路干扰情况；
节点能量状态的变化，基于不同时刻节点能量级别保持或转移的概率，该概率与节点所选择的链路能效相关；
节点角色的变化，基于节点剩余能量的变化，当节点剩余能量低于给定阈值时，节点功能降级，由支持中继功能转为不支持中继功能。
进一步地，所述节点能量级别依据节点初始能量划分为不同的能量区间，每一区间对应不同的级别，初始能量位于最高级别。
进一步地，所述链路权重的设计基于马尔科夫(Markov)动态的网络分析模型。
进一步地，所述动态链路权重为当前链路能效和链路发送节点和接收节点在执行数据传输动作后能够停留在当前能量级别上的节点状态转移概率的指数加权。
进一步地，所述控制器基于最大或最小有向权重支撑树算法最佳网络拓扑结构，所生成的网络拓扑为一个树型结构，所述支撑树为一个逆向分支，根节点的出弧个数为0，网络中所有其它节点的出弧个数不大于1；网络拓扑结构受当前节点激活状态影响，若节点当前激活状态为激活，则节点当前正在使用的链路保持不变；若节点当前激活状态为去激活，则节点退出网络，相应的其所有相关链路从网络拓扑结构中删除。
进一步地，所述传感器节点涉及的网络节点角色包括中继功能和感知功能；所述传感器节点涉及的网络节点参数包括节点的发射功率和速率以及下一跳路由；网络节点角色及参数具有可调性，每次发送新数据包时所分配的资源及路由基于当前生成的网络拓扑。
进一步地，所述数据包的到达服从泊松分布，且数据包的长度服从指数分布。
本发明所述的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制系统，包括若干传感器节点以及位于基站的控制器；所述传感器节点在有数据包到达时，向控制器请求资源分配及路由；所述控制器接收到传感器节点的资源分配及路由请求后，基于动态链路权重生成可以权衡网络能效和网络生存期的最佳网络拓扑结构，并基于该拓扑结构为所请求的传感器节点分配可用路由及资源；所述动态链路权重具有动态特性和有向性，能够反映链路能效和节点能量状态；所述传感器节点接收到控制器反馈的可用分配资源及路由后，传输数据并更新节点的激活状态；若节点的激活状态为去激活，则节点在数据传输完毕后退出网络。
有益效果：本发明所提出的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，从最大化网络能效并尽可能延长网络生存期的角度出发，考虑邻近节点间的数据传输对链路通信的影响，引入一个能够反映链路能效和节点能量状态的动态链路权重，结合现有拓扑控制算法动态生成不同时刻的最佳网络拓扑，并基于该网络拓扑为需要进行数据传输的节点分配对应的资源及路由。所提方法在保证一定链路中断概率的前提下能充分权衡网络能效和网络生存期，在存在链路干扰的环境下能有效延长网络生存期，具有较强的抗干扰性，并使网络能效得到明显改善。
附图说明
图1为本发明实施例的技术路线图；
图2为本发明实施例的应用分析场景示意图；
图3为本发明实施例的数据包在系统内和系统外达到的示意图；
图4为本发明实施例的基于动态链路权重的时变网络拓扑控制算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明实施例公开的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，如图1所示，其研究内容主要涉及四个部分：①基于数据包到达及传输机制建立一种动态的网络分析模型；②设计一种能够反映链路能效和节点能量状态的链路权重；③基于所设计的链路权重，结合最大有向权重支撑树算法生成网络拓扑；④基于当前的网络拓扑结构分配节点所需资源及路由。具体阐述为：
S101：建立动态的网络分析模型，假设数据包的到达服从泊松(Poisson)分布，且数据包的长度服从指数分布，令数据包在链路中的传输速率固定，则节点能量级别的变化过程和执行动作构成一个马尔科夫(Markov)决策过程，且每次变化与当前处理到达数据包的执行动作相关。
S102：设计一种动态链路权重，该权重能够反映链路能效和节点能量状态的变化。所述链路能效是在单个数据包传输期间，链路传输的比特(bit)数量与所消耗的能量的比值，与链路分配的发射功率与速率相关。所述节点能量状态与节点能量级别相对应，当节点能量级别发生变化时，节点能量状态发生对应的迁移，且是非常返性的。同时，节点能量的变化也会影响到节点的角色，例如当节点剩余能量低于某一给定阈值时，节点由支持中继功能转为不支持中继功能，以减少数据的转发任务。
S103：基于设计的链路权重，结合现有拓扑控制算法生成网络拓扑。所述链路权重具有有向性，即同一链路不同方向的权重值可以不同。所述拓扑控制算法可基于最大有向权重支撑树算法或基于最小有向权重支撑树算法实现。所述网络拓扑结构为一个树型结构，该结构为一个具有根节点的逆向分支，即根节点的出弧个数为0，网络中所有其它节点的出弧个数不大于1。与此同时，网络拓扑的生成也受到节点激活状态的影响，若节点当前激活状态为激活(有数据传输任务)，则节点当前正在使用的链路保持不变；若节点当前激活状态为去激活(节点能量耗尽)，则节点退出网络，相应地，与其所有关联的链路从网络拓扑结构中删除。
S104：基于所生成的网络拓扑结构分配节点的发射功率、速率及路由。当节点传输每一个数据包时，节点所分配的发射功率与当前链路的干扰及链路质量需求相关，干扰越大，所分配的发射功率越大；链路质量需求越高(例如，需要保证较小的链路中断概率)，所分配的发射功率也越大。相应地，当节点的发射功率增大时，链路能效降低。
下面结合具体应用场景对本发明方案设计作进一步的具体分析和描述。
1：软件定义无线传感器网络应用分析场景
图2为本发明实施例的软件定义无线传感器网络(SDWSN)应用分析场景示意图。在本发明中，SDWSN为低功率网络，即网络中的节点为电源功率、计算和存储能力均受到一定限制的网络单元，包括软件定义传感器节点(Software-defined Sensor Node,SSN)，不包括宏基站(Sink节点)。从图中可以看出，控制面与数据面分离。其中，控制器位于Sink节点中，通过传感器开放流(Sensor OpenFlow,SOF)接口协议进行通信，负责网络全局信息的收集和网络拓扑生成及维护；所有控制信息沿着控制路径到达控制器。SSN节点位于数据面，具有可编程性，可重配置；其角色由控制器根据节点的剩余能量进行设置，主要角色包括中继功能(Relay Function,RF)和感知功能(Sensing Function,SF)。当SSN节点的剩余能量低于某一阈值时，SSN节点降为普通传感器节点，仅具有感知功能，此时不能再执行来自其它节点的数据转发任务，但可进行功率调节。
2：建立Markov动态网络分析模型
在本实施例中，称SSN节点间转发的数据包到达为系统内到达，而称从监控区域采集到的数据包到达为系统外到达。图3描述了数据包在系统内和系统外达到的示意图。如图所示，系统外的数据包到达服从均值为λ的Poisson分布，SSN节点接收到数据包后会将其转发给邻近的节点。假设数据包的长度服从参数为μL的指数分布，令每次数据包传输期间节点的速率保持不变，则数据包的传输时长服从参数为μLvn,m的指数分布，其中，vn,m是节点n发送第m个数据包时的传输速率。故系统内的数据包到达服从指数分布。定义节点n的能量状态为节点的剩余能量等级，标记为相应地，节点n的剩余能量等级集合可以表示为 其中，有假设节点n的初始能量为ε0，标记节点在能量级别为l时的初始能量为εL(l)，0≤l≤L，则有εL(L)＝ε0，εL(0)＝0。
基于节点当前的能量级别，给定一个能量阈值则SSN节点角色变化及数据处理如下：
①当时，节点n仅具有SF功能，不再接收和处理新到达的数据包，仅处理和传输缓存队列中剩余的数据包；
②当时，节点n仅具有SF功能，只接收和处理系统外到达的新数据包和缓存队列中剩余的数据包；
③当时，节点n同时具有RF和SF功能，可以同时接收和处理系统外和系统内到达的新数据包。
定义节点状态为节点的剩余能量等级和系统中发生的事件子集，并标记sn为SSN节点n的状态，S为系统状态空间，有
其中，Ns是SSN节点的数量。由定义，节点状态sn表示如下：
其中，是与节点n相关的发生事件子集。事件的触发来自于数据包到达或突发情况等，因此定义事件集合Sev＝{evf,ev0,ev1,ev2,ev3}，有其中
-evf：异常事件，如节点退网，无可用路由等
-ev0：数据空闲
-ev1：数据传输
-ev2：系统内数据包到达
-ev3：系统外数据包到达
由于数据包到达服从指数分布，节点n的状态迁移与当前处理到达数据包的执行动作相关，故每处理和传输完一个数据包时，当前节点的能量级别的变化过程和执行动作一起构成了一个Markov决策过程，且在该过程中状态的转移是非常返性的。当时，系统状态为吸收态，意味着该节点能量即将耗尽，退出网络。当有数据包到达SSN节点n时，有 或{ev3}。此时，SSN节点需要向控制器请求路由及资源分配。控制器接收到路由及资源分配请求后，执行接入控制并返回控制决策结果，SSN节点根据决策结果执行相应的动作。将节点n的执行动作标记为一个三元组集合an，则an是节点状态sn的函数，受到节点角色和能量等级的约束，有：
其中，an三元组中第一个元素RID表示决策结果或分配的路由，若RID＝-1表示禁止转发数据包，SSN节点直接丢弃该数据包；若RID＝0表示缓存数据包，暂不为SSN节点分配网络资源；否则，返回下一跳中继节点的路由标识及所分配的发射功率和传输速率vn。
由此，各节点的执行动作集合构成了系统的执行动作空间有
假设节点n的当前状态为sn，下一待转移状态为zn；对应地，系统的当前状态为s，下一待转移状态为z。计算系统从当前状态转移到下一状态的转移概率，并标记节点n和系统在执行动作an和a下的状态转移概率为qn(zn|sn,an)和q(z|s,a)，其中由于节点之间的状态更新是独立的，故有
其中，当zn＝sn时，有此外，由于节点能量限制，系统状态是非常返性的，即若q(z|s,a)>0，则q(s|z,a)＝0。
进一步地，令节点n的当前状态下一状态当事件在时刻tn,m发生时，节点n执行动作an发送第m个数据包后的状态转移概率qn(zn|sn,an)可以表达如下：
其中，表示节点n在时刻t的能量级别，tn,m表示节点n发送第m个数据包的初始时刻，和vn,m分别为节点n发送第m个数据包时所分配的发射功率和速率。
3：设计能够反映链路能效和节点能量状态的动态链路权重
依据现有技术，定义节点n发送第m个数据包时的链路能效为数据包传输期间链路传输的bit数量与所消耗的能量的比值[bits/Joule]，有
其中，常数Ebc为每bit数据所消耗的电路能量。从定义可知，随vn,m增大而增大，且
若不考虑节点n接收数据的能耗，仅考虑数据发送时所消耗的能量，则标记其能效为有
显然有
令节点n发送第m个数据包时的初始时刻为tn,m，且 则由公式(6)进一步计算节点n执行第m个数据包的传输动作an时的状态转移概率qn(zn|sn,an)。由现有技术中的能量和功率模型，若节点n发送第m个数据包的传输时长为τn,m，则节点n在此期间所消耗的总能量可以表示为
令εn(t)表示节点n在t时刻的剩余能量，则εn(0)为节点n在网络初始时刻的剩余能量，有εn(0)＝ε0。假设t时刻，节点n已经连续传输了m-1个数据包，则有t＝tn,m+τ,τ>0，其中则由公式(9)可得
上式满足εn(t)≥0的约束条件。进而由公式(9)和(10)，公式(6)中的节点状态转移概率qn(zn|sn,an)的表达等价于
进一步地，qn(zn|sn,an)可以计算如下：
①若εn(tn,m)未知，则节点n从能量级别h转移到下一能量级别l的状态转移概率qn(zn|sn,an)可由下式近似给出：
其中m≥2，h≥l，表示对变量取期望。若h>l，δ＝εL(h-1)-εL(l)；若h＝l，δ＝0。
②若εn(tn,m)及其对应的能量级别h均已知，则节点n从当前剩余能量级别h转移到下一能量级别l的状态转移概率qn(zn|sn,an)可进一步由下式给出：
其中，εn(tn,m)∈(εL(h-1),εL(h)]，且h≥l。类似地，若h>l，δ*＝εn(tn,m)-εL(l)；若h＝l，δ*＝0。进一步地，若l＝0，则有εL(l)＝εL(l-1)＝0。若m＝1，tn,m＝0且εn(tn,m)＝εn(0)，则此时状态转移概率qn(zn|sn,an)可由(13)给出。
由此可见，qn(zn|sn,an)与链路能效相关，且反映了节点能量状态的变化。若考虑延长网络的生存期，则当节点n发送第m个数据包时，应尽可能选择停留在当前能量级别概率较大的链路。因此，定义如下的链路选择报酬函数U(i,j)：已知链路(i,j)，并令链路中的发射节点i和接收节点j的下一状态zi和zj分别为当前状态si和sj，则当节点i和节点j执行动作ai和aj时，qi(si|si,ai)和qj(sj|sj,aj)分别表示节点i和节点j停留在当前状态上的概率，有
其中，i,j,k∈VSSN，VSSN为SSN节点集合，表示节点i发送第m个数据包时所选择的链路(i,j)的能效。此外，表示链路中的接收节点j选择邻近链路执行动作aj传输数据时停留在当前能量级别的最大节点状态转移概率，其中所选择的邻近链路(j,k)≠(j,i)。故一个能够反映链路能效和节点能量状态的动态链路权重可以用U(i,j)表示。
进一步地，动态链路权重中的节点能量状态的变化主要由链路选择报酬函数U(i,j)所涉及的链路发送节点i和接收节点j在执行数据传输动作后能够停留在当前能量级别上的节点状态转移概率来体现。其中，U(i,j)是当前链路能效和节点能量状态变化的指数加权。
4：考虑链路质量需求保证和链路干扰影响的功率和速率分配方法
由于接收数据包的长度服从参数为μL的指数分布，故在每次数据包开始传输时采用一种固定的速率分配方式，而节点的发射功率分配则需考虑链路质量需求保证和链路干扰影响。给定链路(i,j)，则链路的中断概率pout可以表示如下
其中，β(i,j)是接收节点j在链路(i,j)中所接收到的信噪比，是其所对应的接收阈值。考虑到链路传输质量，只有当接收信噪比β(i,j)大于或等于阈值时才发送数据，故可以设置一个期望的中断概率pout满足链路质量需求。若同时考虑到链路的干扰情况，标记链路(i,j)的接收信干噪比为则与β(i,j)有如下的对应关系
其中，是链路中的接收噪声功率，I(i,j)是链路中的累积干扰功率。进一步地，结合公式(16)，链路的中断概率pout可以由下式表示
其中，βj是接收节点j的最小接收阈值。因而，链路中断概率pout的接收阈值可以设置为
此外，由公式(17)和(18)以及现有技术中β(i,j)与节点发射功率之间的对应关系，可以计算出给定链路(i,j)所分配的发射功率如下式所示。
其中，λW是信道小尺度衰落分布的一个常数；α是信道路径损耗指数，满足α≥2；dij和d0分别表示链路(i,j)接收节点和发射节点之间的欧式距离和参考距离，并且满足dij≥d0。因而，给定链路质量需求保证的期望pout，发射功率的分配同时考虑了链路干扰I(i,j)的影响。
5：基于动态链路权重的时变网络拓扑控制方法
图4为本发明实施例的基于动态链路权重的时变网络拓扑控制方法流程图。在本实施例中，基于所设计的动态链路权重，考虑到该链路权重为一个有向权重，即同一链路不同方向的权重值可以不同，因此结合现有技术中的最大有向权重支撑树算法生成一个网络链路权重总和最大的最佳网络拓扑，该网络拓扑结构具有如下特征：
(1)所述支撑树为一个逆向分支，即根节点的出弧个数为0，网络中所有其它节点的出弧个数不大于1；
(2)网络拓扑结构受当前节点激活状态影响，具体包括：
(a)若节点当前激活状态为激活(有数据传输任务)，则节点当前正在使用的链路保持不变；
(b)若节点当前激活状态为去激活(节点能量耗尽)，则节点退出网络，相应地，与其所有关联的链路从网络拓扑结构中删除。
如图4所示，基于动态链路权重的时变网络拓扑控制方法主要包括如下几个步骤：
S401：当有数据包到达时，SSN节点向控制器请求资源分配及路由。
S402：基于所设计的动态链路权重，控制器为网络中所有节点计算其邻近链路权重，并结合现有技术中的最大有向权重支撑树算法，生成可以权衡网络能效和网络生存期的最佳网络拓扑结构；进一步地，基于该拓扑结构为所请求的SSN节点分配可用路由及对应的发射功率和速率。
S403：SSN节点接收到可用的分配资源及路由后，传输数据并更新节点的激活状态。若节点的激活状态为去激活，则节点在数据传输完毕后退出网络。
基于相同的技术构思，本发明实施例的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制系统，包括若干传感器节点以及位于基站的控制器；传感器节点在有数据包到达时，向控制器请求资源分配及路由；控制器接收到传感器节点的资源分配及路由请求后，基于动态链路权重生成可以权衡网络能效和网络生存期的最佳网络拓扑结构，并基于该拓扑结构为所请求的传感器节点分配可用路由及资源；动态链路权重具有动态特性和有向性，能够反映链路能效和节点能量状态；传感器节点接收到控制器反馈的可用分配资源及路由后，传输数据并更新节点的激活状态；若节点的激活状态为去激活，则节点在数据传输完毕后退出网络。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
当有数据包到达时，传感器节点向控制器请求资源分配及路由；
控制器接收到传感器节点的资源分配及路由请求后，基于动态链路权重生成可以权衡网络能效和网络生存期的最佳网络拓扑结构，并基于该拓扑结构为所请求的传感器节点分配可用路由及资源；所述动态链路权重具有动态特性和有向性，能够反映链路能效和节点能量状态；
传感器节点接收到控制器反馈的可用分配资源及路由后，传输数据并更新节点的激活状态；若节点的激活状态为去激活，则节点在数据传输完毕后退出网络。
2.根据权利要求1所述的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，其特征在于：所述动态链路权重的基本特征具体包括：
链路能效的变化，基于不同时刻分配给该链路发送端节点所需的发射功率，该发射功率同时考虑了链路质量需求保证和链路干扰情况；
节点能量状态的变化，基于不同时刻节点能量级别保持或转移的概率，该概率与节点所选择的链路能效相关；
节点角色的变化，基于节点剩余能量的变化，当节点剩余能量低于给定阈值时，节点功能降级，由支持中继功能转为不支持中继功能。
3.根据权利要求2所述的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，其特征在于：所述节点能量级别依据节点初始能量划分为不同的能量区间，每一区间对应不同的级别，初始能量位于最高级别。
4.根据权利要求2所述的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，其特征在于：所述链路权重的设计基于马尔科夫(Markov)动态的网络分析模型。
5.根据权利要求2所述的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，其特征在于：所述动态链路权重为当前链路能效和链路发送节点和接收节点在执行数据传输动作后能够停留在当前能量级别上的节点状态转移概率的指数加权。
6.根据权利要求1所述的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，其特征在于：所述控制器基于最大或最小有向权重支撑树算法最佳网络拓扑结构，所生成的网络拓扑为一个树型结构，所述支撑树为一个逆向分支，根节点的出弧个数为0，网络中所有其它节点的出弧个数不大于1；网络拓扑结构受当前节点激活状态影响，若节点当前激活状态为激活，则节点当前正在使用的链路保持不变；若节点当前激活状态为去激活，则节点退出网络，相应的其所有相关链路从网络拓扑结构中删除。
7.根据权利要求1所述的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，其特征在于：所述传感器节点涉及的网络节点角色包括中继功能和感知功能；所述传感器节点涉及的网络节点参数包括节点的发射功率和速率以及下一跳路由；网络节点角色及参数具有可调性，每次发送新数据包时所分配的资源及路由基于当前生成的网络拓扑。
8.根据权利要求1所述的一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制方法，其特征在于：所述数据包的到达服从泊松分布，且数据包的长度服从指数分布。
9.一种基于节点角色和参数可调的时变网络拓扑控制系统，其特征在于：包括若干传感器节点以及位于基站的控制器；所述传感器节点在有数据包到达时，向控制器请求资源分配及路由；所述控制器接收到传感器节点的资源分配及路由请求后，基于动态链路权重生成可以权衡网络能效和网络生存期的最佳网络拓扑结构，并基于该拓扑结构为所请求的传感器节点分配可用路由及资源；所述动态链路权重具有动态特性和有向性，能够反映链路能效和节点能量状态；所述传感器节点接收到控制器反馈的可用分配资源及路由后，传输数据并更新节点的激活状态；若节点的激活状态为去激活，则节点在数据传输完毕后退出网络。
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