无线传感器网络是能量受限的自组织网络,一般部署在人际罕至的偏远地区,节点能量消耗不均衡以及网络中一些关键节点受到攻击而失效时,可能会引发级联失效,严重影响网络性能,成为资源有限网络的规模化应用瓶颈。因此,研究能耗均衡的无线传感器网络拓扑控制具有重要的实际意义。本文所做的的具体研究内容如下:针对无线传感器网络数据在实际传输过程中总是朝着基站方向,节点到基站距离不同导致网络中节点能耗不均衡问题,首先将有向性引入到拓扑构建中,分析节点能耗不均衡现象产生的原因,采用分层思想,按照节点到基站的距离对网络进行分层,建立能量与层级的关系模型。然后与无标度理论结合,利用节点收发能量分别建立节点出入度择优概率,演化生成一个能耗均衡的有向WSNs拓扑结构。在能耗均衡的有向WSNs拓扑基础上,分析有向网络拓扑级联失效过程与无向网络拓扑级联失效的不同之处,综合考虑节点入度,邻居节点入度和节点层三方面,建立节点负载-容量模型。在节点失效后,负载重分配考虑节点层级关系,使额外负载倾向于向内层或同层完好节点分配。然后寻找由节点失效引发级联失效的条件,探究网络参数与鲁棒性之间的变化规律。针对有向WSNs拓扑中,一些关键节点失效容易造成级联失效,严重影响网络性能的问题,在有向网络拓扑级联失效模型的基础上,研究节点失效后在其分配范围内引起的节点能量和负载震荡程度值。然后将得到的级联失效震荡程度值与改进的PageRank算法结合,提出基于级联失效的有向WSNs关键节点判定方法,利用Matlab仿真验证此判定方法的有效性。考虑到仿真实验和网络实际运行存在一定的差距的问题,基于GAINZ实验平台提出了无线传感器网络实测实验具体实验方案以及内部组网规则。在此实验平台上,利用Programmers Notepad编码软件、串口调试工具和WinAVR编译器搭建出理论上研究的网络拓扑结构。最后利用PowerTOSSIM仿真器和SNAMP后台检测软件对搭建出的网络拓扑性能进行分析。