【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 簇首與節(jié)點(diǎn)之間的算法控制，可以降低數(shù)據(jù)的冗余程度，提高網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳遞的效率。LEACH 算法LEACH 算法是最早提出應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇算法，它的核心思想是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)簇，每個(gè)簇的簇頭隨機(jī)產(chǎn)生，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)周期性地每隔一段時(shí)間作為一輪，進(jìn)行簇頭的變更。LEACH 算法通過(guò)簇頭輪換的方式避免了簇頭的能量過(guò)度消耗，通過(guò)數(shù)據(jù)融合的方式減少了通信量，可以有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。LEACH 算法也有顯著的弱點(diǎn)：LEACH 需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能與匯聚節(jié)點(diǎn)通信，因此不適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大的應(yīng)用；選擇產(chǎn)生的簇頭隨機(jī)，有可能出現(xiàn)分布不均勻的極端現(xiàn)象；不適合節(jié)點(diǎn)能量非常不均衡的網(wǎng)絡(luò)。HEED 算法HEED 算法是對(duì) LEACH 算法的改進(jìn)算法，在 LEACH 算法的基礎(chǔ)上引入了對(duì)節(jié)點(diǎn)剩余能量這一參數(shù)的考慮?；诘乩砦恢玫姆执厮惴℅AF 算法是一種按照地理位置分簇的算法。該算法的前提條件是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地理位置都是已知的，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò) GPS或其它定位方法確定各自的位置。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為若干個(gè)單元格，每個(gè)單元格組成一個(gè)簇，每個(gè)簇的節(jié)點(diǎn)輪流當(dāng)選為簇頭。傳感器節(jié)點(diǎn)具有三種狀態(tài)：發(fā)現(xiàn)狀態(tài)、活躍狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)地理位置知道自己所在的簇。該算法適用于節(jié)點(diǎn)分布比較均勻的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)關(guān)閉睡眠節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)功能可以更進(jìn)一步節(jié)省能量。算法的缺點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)分布不均勻或十分稀疏時(shí)，簇的分布也會(huì)不均勻，導(dǎo)致分簇效率降低；而且該算法需要鄰近的節(jié)點(diǎn)保持通信可達(dá)的狀態(tài)，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中未必能夠得到保證；當(dāng)節(jié)點(diǎn)的通信距離比較短時(shí)，每個(gè)簇的單元格會(huì)被劃得很小，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的簇?cái)?shù)量增加，分簇的效用也就不高。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)分簇算法也稱(chēng)聚類(lèi)算法，,簇成員節(jié)點(diǎn)集群類(lèi)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)協(xié)助溝通。聚類(lèi)算法的一個(gè)主要的研究目標(biāo)是如何在一個(gè)有效的管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效均衡節(jié)點(diǎn)能耗,基于動(dòng)態(tài)調(diào)整路徑和參數(shù),以達(dá)到有效地利用能源,延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇結(jié)構(gòu)可以是單級(jí)的，也可以是多級(jí)的，如圖 34 所示。在單級(jí)分簇結(jié)構(gòu)中，匯聚節(jié)點(diǎn)下聯(lián)各個(gè)簇頭，簇頭下聯(lián)各自的簇成員節(jié)點(diǎn)。在多級(jí)分簇結(jié)構(gòu)中，匯聚節(jié)點(diǎn)下聯(lián)各個(gè)第一級(jí)簇頭，第一級(jí)簇頭下聯(lián)各個(gè)第二級(jí)簇頭，……第 N1 級(jí)簇頭下聯(lián)第 N 級(jí)簇頭，其中各級(jí)簇頭還要下聯(lián)屬于該簇的簇成員節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn) 簇頭 普通節(jié)點(diǎn) （a）單級(jí)分簇結(jié)構(gòu) （b）多級(jí)分簇結(jié)構(gòu)圖34 分簇結(jié)構(gòu)(21)在簇的內(nèi)部，也可以采用不同的結(jié)構(gòu)。圖 34 所示的簇結(jié)構(gòu)，其簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)距離簇頭只有一跳的距離，成為簇內(nèi)單跳結(jié)構(gòu)。圖 35 所示的簇結(jié)構(gòu)中，簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)距離簇頭可以大于一跳的距離，形成了簇內(nèi)多跳結(jié)構(gòu)。簇內(nèi)多跳的結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展單個(gè)簇的覆蓋范圍，但是簇內(nèi)的通信將比簇內(nèi)單跳結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。匯聚節(jié)點(diǎn) 簇頭 普通節(jié)點(diǎn)圖25 簇內(nèi)多跳結(jié)構(gòu)(22)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于其網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的分布而呈現(xiàn)多種類(lèi)型。最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域形態(tài)是矩形、圓形或相類(lèi)似的塊狀區(qū)域形狀，如圖 34 所示，匯聚節(jié)點(diǎn)可以位于區(qū)域內(nèi)，也可以位于區(qū)域以外。大部分常見(jiàn)的分簇算法都可以適用于這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在一些特殊的應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域可能會(huì)呈現(xiàn)特殊的一些形狀，網(wǎng)絡(luò)的分簇結(jié)構(gòu)也需要相應(yīng)適配。長(zhǎng)條形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通常適用于果園、蔬菜大棚等應(yīng)用場(chǎng)景。在此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中，如果匯聚節(jié)點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)，或者接近區(qū)域范圍，可以采用鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖36 所示。這類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是距離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的傳感器節(jié)點(diǎn)因承擔(dān)更高的負(fù)載，而容易提前耗盡能量。如需解決這一矛盾，可采用扇形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。匯聚節(jié)點(diǎn) 傳感器節(jié)點(diǎn)圖 36 長(zhǎng)條區(qū)域的鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(23)匯聚節(jié)點(diǎn)位于長(zhǎng)條區(qū)域的邊緣以外較遠(yuǎn)處，在這種情況下可以采用扇形分簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從匯聚節(jié)點(diǎn)向外輻射而形成多個(gè)扇區(qū)，根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的角度不同，而形成扇形的簇結(jié)構(gòu)，如圖 37 所示。匯聚節(jié)點(diǎn) 傳感器節(jié)點(diǎn)圖 37 長(zhǎng)條區(qū)域的扇形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(24)十字形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，常用于果園、管道等應(yīng)用。如果匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域內(nèi)或接近區(qū)域內(nèi)，可放在十字形網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的中央，這時(shí)候網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可按照?qǐng)D34 所示。如果匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域外較遠(yuǎn)處，十字形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以看作兩個(gè) L 形網(wǎng)絡(luò)的疊加，通過(guò)雙匯聚節(jié)點(diǎn)的方式形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?duì)于 L 形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如果匯聚節(jié)點(diǎn)位于區(qū)域外，可通圖 38 所示的方式放置匯聚節(jié)點(diǎn)，這樣能采用較小的能量代價(jià)覆蓋整個(gè)區(qū)域。匯聚節(jié)點(diǎn) 傳感器節(jié)點(diǎn)圖38形區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(25L) MAC協(xié)議媒體訪問(wèn)控制(MAC)層協(xié)議在物理層,主要是通過(guò)分配的節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)中的資源。近年來(lái)學(xué)術(shù)界的研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的MAC層協(xié)議提出了幾個(gè)文件,。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,該應(yīng)用側(cè)重于不同的網(wǎng)絡(luò)性能,從而映射到往往會(huì)有不同的側(cè)重于MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)(1)基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議采用根據(jù)需要占用通道(2)調(diào)度基于MAC協(xié)議的基本思想是:用一個(gè)調(diào)度算法分配通道節(jié)點(diǎn),使之沒(méi)有沖突在一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)給定的通道訪問(wèn)通道。(3)混合MAC協(xié)議通過(guò)使用頻分復(fù)用FDMA、碼分復(fù)用CDMA?；诟?jìng)爭(zhēng)的 MAC 協(xié)議的基本思想是，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主動(dòng)搶占無(wú)線(xiàn)信道；當(dāng)與其通信范圍內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，也會(huì)主動(dòng)搶占無(wú)線(xiàn)信道。MAC 協(xié)議就是建立一種機(jī)制，確保任一時(shí)刻在通信范圍內(nèi)最多只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得無(wú)線(xiàn)信道的使用權(quán)?；诟?jìng)爭(zhēng)的 MAC 協(xié)議能較好滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化，能很好適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，不需要?fù)雜的時(shí)間同步或集中控制調(diào)度算法。但是這類(lèi)協(xié)議的缺點(diǎn)是需要持續(xù)監(jiān)聽(tīng)信道，使得節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)間也有較大的能量消耗。SMAC 協(xié)議是在 IEEE MAC 協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而提出的專(zhuān)為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議。SMAC 采用類(lèi)似于 IEEE MAC 協(xié)議的載波偵聽(tīng)機(jī)制以及 RTS/CTS/DATA/ACK 機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)。此外 SMAC 還采用了休眠機(jī)制、休眠調(diào)度表同步、消息傳遞和物理與虛擬載波偵聽(tīng)等技術(shù)來(lái)降低能耗。它將每一個(gè)時(shí)間幀分為工作階段和休眠階段，在休眠階段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入工作階段后集中發(fā)送數(shù)據(jù)。SMAC 具有有效節(jié)能、擴(kuò)展性和沖突避免等幾大優(yōu)點(diǎn)。但是，SMAC 的缺點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置處于休眠狀態(tài)下時(shí)，若有事件被觸發(fā)而需要發(fā)送信息，則必須按照休眠調(diào)度表的規(guī)定，等待節(jié)點(diǎn)被喚醒以后才能發(fā)送，從而增加了通信時(shí)延；此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間是相同的，低能量節(jié)點(diǎn)無(wú)法獲得更多的休眠機(jī)會(huì)。TMAC 協(xié)議針對(duì) SMAC 的弱點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，在 SMAC 基礎(chǔ)上引入了適應(yīng)性占空比，以適應(yīng)不同時(shí)間和位置上的負(fù)載變化。TMAC 協(xié)議通過(guò)占空比的動(dòng)態(tài)選擇，來(lái)減少閑時(shí)監(jiān)聽(tīng)的能量浪費(fèi)，并保持合理的吞吐量。TMAC 協(xié)議定義了 5 種激活事件和一個(gè)計(jì)時(shí)器，如果在計(jì)時(shí)內(nèi)沒(méi)有偵聽(tīng)到其中任意一種激活事件，則認(rèn)為信道空閑，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻模塊而進(jìn)入睡眠狀態(tài)。TMAC 協(xié)議采用了未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送（FRTS）和滿(mǎn)緩沖區(qū)優(yōu)先兩種解決方案，減少了早睡問(wèn)題的發(fā)生可能性，但在網(wǎng)絡(luò)流量比較大時(shí)增加了沖突的可能性。Sift 協(xié)議是一種基于事件驅(qū)動(dòng)的 MAC 協(xié)議，充分考慮了事件的相關(guān)特性進(jìn)行協(xié)議的設(shè)計(jì)。該協(xié)議適合于分簇結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，簇頭擔(dān)當(dāng)一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的活動(dòng)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)角色，簇成員節(jié)點(diǎn)發(fā)消息給簇頭，通過(guò)簇頭的能量消耗換來(lái)消息傳輸延遲的縮短。 MAC 協(xié)議基于調(diào)度的 MAC