无线传感器网络作为物联网推广的重要载体和未来延伸Internet覆盖范围的关键技术,在军事、环境、医疗和交通等诸多领域都潜在着巨大的应用价值,是分布式计算和无线通讯领域研究的热点之一。鉴于其能量受限和部署在恶劣环境中造成的网络节点及链路失效频繁的特点,最大限度的延长网络生命期和如何应对失效行为对网络的影响,提高网络的容错性成为网络优化设计的目标。拓扑控制作为无线传感器网络的关键技术,它一方面具有节能效果,能够延长网络可用时间;另一方面能够应对失效行为的出现,提高网络的容错性,为上层应用提供可靠的底层拓扑结构。因此,研究高效的节能与容错拓扑控制算法对于无线传感器网络具有一定的理论和实际意义。本课题针对无线传感器网络的拓扑结构优化问题进行研究,设计实用有效的节能与容错拓扑控制算法,为无线传感器网络的实际应用提供理论指导,推动无线传感器网络的理论研究发展。本文具体研究工作如下。针对同构无线传感器网络中最小连通支配集并非最小能耗拓扑的问题。定义由节点剩余能量,邻居个数和通信代价构建的能量代价函数综合反映支配节点的能量效率以及对降低网络整体能耗的贡献,进而以其作为拓扑权值,提出一种基于能量代价的最小权和连通支配集拓扑控制算法(ECMCDS)。算法选取局部最小权值节点担负支配任务,搭建整体权和最小的支配集,最小化网络整体能耗。研究异构无线传感器网络最小能耗拓扑的构建问题。考虑传感器节点的通信能力异构特性,综合通信链路质量、节点传输范围与剩余能量,构建起一种度量异构节点能量有效性的区域能量消耗率函数。利用该函数判断通信区域的能耗速率并确定支配节点的选择,设计了一种基于区域能量消耗率的最小连通支配的分布式拓扑控制算法(AECR-CDS)。针对无线传感器网络分簇构建中存在能量有效性与负载均衡不能合理兼顾的问题,提出一种基于博弈的能量均衡分簇拓扑控制算法(GTEBC)。算法构建出一个新的博弈模型,利用簇头和簇成员节点的通信代价构造博弈模型的效用函数反映网络能量有效性和负载均衡,并运用博弈的方法构建拓扑,实现对分簇拓扑构建时网络能量有效性和负载均衡的同时优化。针对k连通图在构建网络容错拓扑中存在能效过低、容错能力受限的问题,提出一种基于备用机制的容错拓扑控制算法(FTCB)。算法综合节点可靠度和节点间关联程度构建故障容忍度指标评价节点容错性高低,并利用故障容忍度作为支配节点选取的标准搭建网络连通支配集,同时以备用骨干思想建立备用骨干集,提高网络拓扑对节点自身和外界干扰两种因素造成失效的容忍能力。研究满足可靠服务需求下如何构建能量优化的网络容错拓扑问题。从节点失效机理分析入手,建立节点失效概率估计模型,并对其研究得出,存在最优节点度能够在确保节点可靠需求的同时最大化其生存时间,进而提出一种分布式容错拓扑控制算法(DRTCA)。算法通过调整节点有效邻居数达到或最大限度接近其最优节点度,建立起一种支持网络可靠需求的高效容错拓扑结构,为平面网络的容错拓扑控制研究提供了一种新方法。