基于能量均衡的无线传感网分簇拓扑算法研究(6)
从网络协议分层上看，分簇算法可以看做是拓扑控制的一大类，位于MAC层与网络层之间。在算法设计中，需要考虑网络连通性、CH轮转频率、簇半径优化以及节点同步等一系列问题，对这些问题的深入研究可以从跨层设计的角度，结合MAC层、网络层甚至应用层进行。目前，分簇算法的设计难点【7】主要包括连通性问题、MAC层设计、簇头轮换机制以及节点休眠/唤醒机制等。
2.3.1 连通性问题
在无线传感器网络中，保持从节点直到基站的连通性是极为重要的。对于采用分簇结构的无线传感器而言，连通性问题包括成员节点到簇头节点(簇内通信)以及簇头节点到基站(簇间通信)两个层次的连通性。簇内通信分为单跳与多跳两种模式，一般由成簇算法确保连通性问题。而簇间通信需要通过虚拟骨干网进行，根据构成虚拟骨干网的节点不同，可将簇间通信分为两大类。大部分虚拟骨干网完全由簇头节点节点构成。为保证连通性，这一类算法要求节点发射功率可调，且簇头节点的密度和覆盖范围满足一定的条件；另一些虚拟骨干网则由簇头节点和簇边缘的网关节点构成，一般适用于使用固定发射功率的网络。两类方法相比，前者的优势在于非簇头节点在没有感知及数据发送任务时可以进入睡眠状态，因此更加节省能量。连通性所带来的簇半径以及簇间通信范围的优化选取问题仍然是分簇算法研究的一个重点。
2.3.2 MAC层设计
通常进行分簇算法分析和仿真时都假设信道是无冲突的，而在实际情况下，尤其是单信道环境下，冲突和干扰不可避免。分簇算法经常使用TDMA模式的MAC层协议，使用TDMA方式虽然能够消除簇内通信冲突，对相邻簇之间的簇间冲突却无能为力，当簇头节点为进行簇间通信而提高发射功率时，这种冲突带来的影响更为明显。使用CDMA方式可以使簇内通信与簇间通信并发进行成为可能，但CDMA器件价格昂贵，难以在强调低成本的无线传感器节点中大规模使用。如何设计与选用合适的MAC层协议降低冲突与干扰，也是分簇算法研究的难点之一。
2.3.3 簇头轮换机制
无线传感器网络的设计以最大化网络生命期为最终目标，因而使各节点尽可能均衡地消耗能量极为重要。而分簇算法中一般簇头节点的能量消耗大大高于成员节点，容易造成簇头节点因为能量耗尽而提前死亡。为避免这一情况出现，一种方式就是采用簇头轮换机制，使各节点每隔一段时间轮流担任簇头，从而使各节点剩余能量尽可能接近相等。簇头轮换机制通常独立于分簇算法，与分簇算法互为补充。常见的簇头轮换机制有被动与主动式两种。前者每隔固定时间引发，后者需要预先设定一个阈值，当监视的参数低于或者超过某阈值时引发重新分簇，常见的阈值有节点剩余能量、节点度等。无论是被动还是主动式簇头轮换机制，选择合适的参数都会对算法的最终结果产生重要影响。如果簇头轮换过于频繁，则会带来大量的额外开销和网络中断；如果簇头轮换频率过低，则可能造成某些节点能量过早耗尽。因此，只有进行合理的折中才能获得最优化的网络生命期。
2.3.4 节点休眠/唤醒机制
采用节点休眠/唤醒机制，使非活跃节点尽可能处于睡眠状态可以大大延长节点电池寿命。无线传感器网络在节点部署时一般是高度冗余的，即只需要一部分节点处于活跃状态就可以完成任务，这是引入休眠/唤醒机制的前提条件。
无线传感器网络是应用相关的，不同应用层业务适宜采用的休眠/唤醒机制也有所不同。对于周期性数据采集网络，非簇头节点在不需要进行感知或者与簇头节点通信时将尽可能地处于休眠状态。对于突发事件监测网络，簇头节点可将所属的成员节点划分为若干个冗余组，通知各组轮流进入睡眠状态，同时保持其中一个组处于活跃状态。还有一种方式是在分簇之前就预先选择一个可以覆盖目标区域的节点集，对这些节点集内部的节点进行分簇，分簇产生的簇头节点和成员节点始终处于活跃状态，而节点集外的节点进入睡眠状态以节省能量。
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