GAF分簇算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要用于收集、傳播和處理傳感信息。

　　與傳統(tǒng)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目龐大，節(jié)點分布密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障；環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化。另外，節(jié)點的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都有限，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標是能源的高效利用。無線傳感網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）協(xié)議必須以節(jié)約能源為主要目標，并且采用折中機制，使用戶可以在延長網(wǎng)絡(luò)生命周期和提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低通信延遲等方面做出選擇。

　　目前針對不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員從不同方面提出了多個MAC協(xié)議，缺乏統(tǒng)一的分類方式，根據(jù)采用固定分配信道方式或隨機訪問信道方式，將傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分為：時分復(fù)用方式（TDMA）、隨機競爭方式和其他MAC協(xié)議。固定分配信道方式的TDMA可以自然完成節(jié)點上的低占空比操作，因為他們只需在自己的時隙里開啟無線模塊完成發(fā)送和接收，但其可擴展性較差，而時間同步對系統(tǒng)是一筆較大的開銷。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率較低，而且對時延的要求不高，因此目前實用的節(jié)能MAC協(xié)議基本是基于競爭的協(xié)議。大量實驗和理論分析表明無線傳感器節(jié)點的能量浪費主要源自空閑偵聽、沖突、串?dāng)_和控制。因此結(jié)合現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，引入層次型拓撲結(jié)構(gòu)控制思想，建立一種高效節(jié)能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并進行分析、仿真和驗證，具有研究意義。

　　1 競爭類MAC協(xié)議分析

　　1.1 S-MAC協(xié)議

　　S-MAC協(xié)議是在802.11MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能需求而提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議假設(shè)通常情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量少，節(jié)點協(xié)作完成共同的任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進行數(shù)據(jù)處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)可以容忍一定程度的延遲。研究表明傳感器能量主要消耗在節(jié)點間的通行上，而空閑偵聽大約占節(jié)點通信能量的1/3.為達到節(jié)省能量的目的S-MAC協(xié)議主要采用周期性的偵聽/睡眠的低占空比機制，控制節(jié)點盡可能處于睡眠狀態(tài)來降低節(jié)點能量的消耗。但S-MAC協(xié)議存在以下問題：S-MAC協(xié)議中同一個虛擬簇中的所有節(jié)點要同時從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活動狀態(tài)，開始對信道的競爭，而大量節(jié)點沒有數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，這些節(jié)點對信道的競爭和空閑偵聽浪費了大量的能量。

　　1.2 T-MAC協(xié)議

　　T-MAC（TImeout MAC）協(xié)議是在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出的。S-MAC協(xié)議的周期長度受限于延遲要求和緩存大小，而偵聽時間主要依賴于消息速率。因此，為保證消息的可靠傳輸，節(jié)點的周期活動時間必須適應(yīng)最高的通信負載，從而造成網(wǎng)絡(luò)負載較小時，節(jié)點空閑偵聽時間的相對增加，針對這一不足，文獻提出了T-MAC協(xié)議，該協(xié)議在保持周期偵聽長度不變的情況下，根據(jù)通信流量動態(tài)調(diào)整節(jié)點活動時間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，減少空閑偵聽時間。但是由于大量無需數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點對信道的競爭和空閑偵聽仍造成大量能量的浪費，另外T-MAC協(xié)議的執(zhí)行，會出現(xiàn)早睡眠問題，引起網(wǎng)絡(luò)的吞吐量降低。為此，它采用兩種方法來提高早睡眠引起的數(shù)據(jù)吞吐量下降：（1）未來請求發(fā)送機制。（2）滿緩沖區(qū)優(yōu)先機制，但效果并不是很理想。

　　2 基于拓撲控制結(jié)構(gòu)的MAC協(xié)議設(shè)計

　　S-MAC、T-MAC虛擬簇中的所有節(jié)點都周期性地從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，參與信道的競爭和數(shù)據(jù)傳輸，而大部分節(jié)點沒有數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，造成他們在大部分活動時間處于空閑偵聽狀態(tài)，而浪費了大量能量。針對S-MAC、T-MAC無法避免的問題，提出了新MAC協(xié)議GS-MAC（Geo graphical SeNSor MAC）。GS-MAC協(xié)議引入了GAF拓撲控制算法后，適當(dāng)減少活動節(jié)點數(shù)量，加快算法的收斂速度，減少大量節(jié)點對信道的空閑偵聽和數(shù)據(jù)碰撞，從而達到節(jié)能的目的。