无线传感器网络高度集成了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信等现代信息技术,在国防安全、环境监测、抢险救灾、健康医疗等领域都具有广阔的发展前景。由于无线传感器网络中传感器节点自身携带能量受限、应用环境恶劣,使得传感器节点很容易因为电量耗尽或环境破坏而失效,使网络失去连通性,严重影响网络应用,甚至对人类生命安全带来严重威胁。提高无线传感器网络的故障容忍能力、保证网络的连通性、延长网络生命周期成为无线传感器网络管理中亟待解决的问题。容错拓扑控制和连通性恢复是保障无线传感器网络正常可靠运行的重要手段。容错拓扑控制通过设置有效的拓扑控制机制,形成具有某种性质的容错拓扑结构,可以保证无线传感器网络具有一定的抗毁能力。连通性恢复能够恢复网络分区之间的连通性,保证无线传感器网络正常运行。现有的容错拓扑控制和连通性恢复方法仍有许多问题需要解决。容错拓扑控制过程中,兼顾故障容忍和能量有效性是研究者面临的一大挑战。现有的基于最小能量路径的容错拓扑控制方法由于没有考虑节点发射功率调整对节点间最小能量路径的影响,造成某些最小能量路径在节点发射功率调整后消失,使得网络故障容忍能力和能量有效性较差。另外,缺乏有效的动态拓扑维护机制,难以满足动态拓扑下对网络故障容忍能力的需求。在异构无线传感器网络容错拓扑构建过程中,现有方法在构建普通节点到达超级节点集的路径时,仅考虑路径中单个链路的长度,而没有对总的路径长度加以限制,使得某些路径长度过大,从而使网络传输能耗和传输时延较大。在混合放置移动和静止中继节点恢复网络连通性的方法中,现有的节点移动模型大都假设节点沿直线移动,缺乏针对障碍环境下节点移动路径规划的研究。在可移动无线传感器网络连通性恢复过程中,现有的关键节点确定算法存在通信能耗过大或者确认“关键节点”不准确的问题,另外关键节点的备用节点选取时仅考虑节点度的大小,使得连通性恢复过程中级联移动节点过多,造成网络移动能耗过大。针对以上问题,本文从容错拓扑控制和连通性恢复两个方面对无线传感器网络展开深入研究,主要的创新性研究包括如下四个方面:(1)针对同构无线传感器网络容错拓扑控制中,节点调整功率后某些节点间最小能量路径消失,且缺乏容错拓扑动态维护机制的问题,提出一种基于最小能量路径的容错拓扑控制方法。首先给出节点对之间最小能量路径的定义,确定最小能量路径的分布范围并给出相应证明。随后在最小能量路径确定阶段,对最小和次小能量路径中中继节点的通信半径的取值做了相应的限制,解决节点功率调整后最小或次小能量路径消失的问题。最后给出容错拓扑维护算法,一旦某个节点失效破坏了拓扑的容错性,则在相应的节点对之间重新构建最小和次小能量路径,确保拓扑的容错能力。仿真实验表明,该方法能够保持较高的故障容忍能力,并能够明显减少网络能耗。(2)针对异构无线传感器网络容错拓扑控制中,普通节点到达超级节点集路径过长的问题,提出一种基于多路径树的容错拓扑控制方法。首先在拓扑构建阶段引入分层的思想,每个节点在通往超级节点集的上层邻居中选取代价最小的k个下一跳节点,构建通往超级节点集的多路径树,解决了普通节点通往超级节点集路径过长而导致的数据传输能耗和传输时延过大的问题。同时对分层算法中上下层节点之间距离过大的问题进行了优化,进一步减少了网络传输能耗。随后每个节点根据其与所在子树中上下行邻居的距离确定容错拓扑中所需的最小通信半径,并根据该通信半径调整自身发射功率,形成容错拓扑。一旦有节点失效或其他因素影响了拓扑的容错性,则发起拓扑重构过程,确保网络的故障容忍和能量有效性。仿真实验表明,该算法能够明显降低网络总能耗且能够使网络保持较高的故障容忍能力。(3)针对网络分区连通性恢复方法中,缺少对障碍环境下移动节点移动路径规划的问题,提出一种基于避障的无线传感器网络分区连通性恢复方法。该方法将分区连通性恢复问题建模为在连通各分区的避障Steiner最小树的各边放置中继节点的问题。首先分析了连通各分区的Steiner最小树的各边与障碍之间的位置关系,给出避障Steiner最小树的构建方法,然后根据可获取的中继节点个数和Steiner最小树边数及Steiner点数的关系,给出Steiner树上各边静止或移动中继节点的放置策略,以最小化移动中继节点的移动距离,减少节点的移动能耗。该算法对节点移动路径存在障碍的情况做了相应处理,更符合无线传感器网络的实际应用场景。仿真实验表明该方法能够有效减少移动节点最大移动距离和总的移动距离。(4)针对可移动无线传感器网络分区连通性恢复方法中,关键节点确定算法能耗较大或非全局关键节点个数较多,分区连通性恢复过程中级联移动节点个数较多的问题,提出一种主动恢复与被动恢复相结合的网络分区连通性恢复方法。主动恢复表现在:网络部署之初即确定网络中的关键节点,并为每个关键节点确定备用节点,备用节点监测关键节点的状态,以备关键节点故障时触发恢复过程;被动恢复表现在:网络中关键节点失效后,备用节点能够及时触发连通性恢复过程,确保网络的正常运行。首先分析了网络中关键节点确定时信息获取与网络能耗的平衡关系,提出能量有效的关键节点确定算法;随后在备用节点选取阶段,通过选取最近的非关键邻居节点或具有非关键邻居的关键节点作为备用节点,将大部分的恢复路径限制在二跳之内,降低了连通性恢复过程中出现长路径的几率,减少参与级联移动的节点个数,减少节点总的移动距离。一旦网络中某个关键节点失效,其备用节点触发连通性恢复过程。在连通性恢复阶段考虑出现环或多个节点参与级联移动,最后一个节点距离失效节点小于某个阈值等一些特殊情况,进一步减少参与移动的节点个数,减少总的移动能耗。仿真实验表明,该方法能够有效减少移动节点数目和节点移动总距离。