无线传感器网络是近年来迅速发展和普遍重视的新型网络技术,它融合了传感器、计算机科学、通信、微电子等多个领域的技术,具有明显的多学科交叉特征。在国防安全、环境监测、精细农业、医疗保健等领域具有广阔的应用前景。无线传感器网络具有不需要固定基础设施,网络自组织、节点携带的能量有限、以数据为中心、通信易受干扰等特点,因此,保证网络的连通性,提高网络能耗效率,延长网络的生命期是无线传感器网络面临的亟待解决的问题。无线传感器网络的拓扑控制不仅是其它协议运行和应用实现的基础,还是保证网络连通性、提高网络能量耗效率和延长网络生命期的关键技术。本文面向无线传感器网络的关键技术——网络拓扑控制涉及的理论和技术,针对节点能量消耗的平衡性对网络生命期的影响,基于拓扑动态优化、图论等方法,从拓扑控制的拓扑构建和拓扑维护两个方面的新视角展开研究。对同构、异构无线传感器网络的拓扑构建和无线传感器网络的静态、动态拓扑维护提出了相应的算法。论文研究方法与思路上力求有所创新,本文的研究主要包括以下几个方面:①无线传感器网络生命期不仅与单个节点的能耗有关,还与整个网络的节点能量消耗的均衡性密切相关,针对通过平衡网络节点能耗实现有效网络拓扑控制的需要,本文引入节点间通讯能量损耗和节点剩余能量等因素,建立通讯链路代价模型,提出了一种基于能量平衡的分布式拓扑控制算法EBDTCA。算法无需节点精确的地理位置信息,分布式地完成各节点的局部优化拓扑,根据网络局部区域内的拓扑信息实现节点功率调整,在此基础上,完成全局拓扑结构的优化。EBDTCA算法是一种轻量级的、分布式的拓扑控制构建算法。仿真表明,相比经典的拓扑控制算法,该算法更有效延长网络的生命期。②在EBDTCA算法的基础上,本文将动态拓扑优化的思想推广到异构的无线传感器网络,针对异构无线传感器网络存在的单向通讯链路,对EBDTCA算法进行了改进,提出了EADTC算法。该算法能够适应由节点初始能量和通讯能力差异引起的异构无线传感器网络,算法能够在保证网络连通性的基础上,构建具有最小代价特性的网络拓扑结构,根据节点剩余能量动态优化网络拓扑。仿真结果表明,该算法能够显著延长网络的生命期。③深入分析拓扑维护的触发条件,提出了进行拓扑维护机制设计应关注的指标。针对静态拓扑维护中的预备方案构建的需要,基于网络节点分布式构建各自的最小代价生成树集的基础上,提出了网络的预备拓扑方案构建算法,实现了基于时间片的静态拓扑维护策略。静态拓扑维护对网络的实时性具有较好的适应性。对静态拓扑维护策略进行了仿真,结果表明基本达到了节点能量的均衡消耗,并对仿真结果中出现的网络生命期缩短,节点剩余能量方差较大的现象进行了分析。④针对动态拓扑维护与静态拓扑维护本质上的区别和现有的节点能量消耗预测模型存在假设与应用的实际情况存在较大差距的情况,结合MAC层协议,提出了节点能量消耗预测算法;以此算法为基础,引入描述网络中节点间能量不匀衡性的参数——节点剩余能量偏差度βV ar (u ),构建动态拓扑维护算法。该动态拓扑控制算法具有很强的适应性。根据无线传感器网络的不同应用的要求,算法通过调整节点剩余能量偏差度βV arLimit值,实现对动态拓扑维护执行的频度进行调控,能很好地适用于网络环境差、存在数据包丢失的应用,具有健壮性的特点。仿真结果表明,使用动态拓扑维护与EBDTCA算法相结合的拓扑控制,能更有效地平衡网络节点的能量消耗,延长网络的生命期。本文将拓扑控制分成拓扑构建和拓扑维护两个部分,研究了同构、异构无线传感器网络的基于能量平衡的拓扑构建算法和静态、动态拓扑维护技术,并从理论上进行了分析,仿真结果表明算法有效。