基于GAF的无线传感器网络MAC协议

簇头的选举产生：GAF算法中簇头承担更多的数据处理和通信，消耗的能量相对较大。在改进的GAF算法中簇头的选举考虑到了节点剩余能量问题，选举剩余能量 较多的节点担任簇头。随机簇头选举算法：节点只知道自己的能量信息和位置信息。假设某次簇头选举在Tr时刻开始，对单元格内任意节点N，以概率P发送测试 消息。概率P与剩余能量成正比，如果测试消息成功，它就发生消息M(Ep，N)，Ep为节点N剩余能量；如果消息发送不成功，节点N进入侦听状态。如果在 一个时槽内没有接到发送消息，表明该时槽内没有节点竞争成功，开始新一轮的选举，反之，如果有节点竞争成功，发送M(Ep，N)消息担任簇头，单元格内其 他节点侦听到消息M加入该簇。

2．2 GS-MAC协议描述
在GS-MAC协议中只有簇头节点进入活动状态如图1和图2所示。

在新协议中，由于引入拓扑结构机制，可以减少一部分节点的空闲侦听时间，只保留簇头节点处于活动状态，在簇头选举中考虑到节点剩余能量，在局部范围内做到平衡节点剩余能量，延长了网络生存周期。

簇 头节点维护和S-MAC协议类似的工作／睡眠机制，每个簇头节点周期性的与直接邻近簇头节点通过接收和广播SYNC数据帧来交换调度信息；采用 CSMA／CA机制和随机退避时间；经历RTS／CTS／DATA／ACK通信过程完成数据传输，在数据传输完成之前不遵循其休眠时间安排；采用流量自适 应侦听机制，减少消息的传输时延。

2．3 性能分析
利用NS2对S-MAC协议和新协议(GS-MAC)在能量消耗和传输时延两方面进行比较，其中能量消耗为从源节点发送一定数量包到目的节点的总能耗， 时延为端到端时延。仿真场景设置300 m×300 m，布置10～50个节点，R=300 m，r=100 m，划分9个虚拟单元格。仿真参数选择如表1所示。

从图3可以看出在节点数目等于10时，几乎每个虚拟单元格都只有1个节点，GAF拓扑控制算法效率低，基本接近S-MAC协议，随着节点数目的逐步增加，GAF拓扑控制算法效率显著提高，能量消耗明显降低。

为 比较两种协议在网络延迟性能方面的表现。在300m×300 m的场景中均匀布置50个固定节点，采用多跳网络拓扑来测试端到端的数据时延，源节点产生20条消息，每条100 Byte，所有消息不分片，在轻流量载荷条件下重复10次实验，测的每条平均消息时延如图4所示，由于源节点在GS-MAC中竞争簇头节点形成的时延，造 成两种协议中第一个转发跳时延有较大差异，随着消息的向前传递，后面排队时延较少，但由于GS-MAC中发现状态的存在，使GS-MAC协议时延略大于 S-MAC协议时延。

综上所述，引进拓扑结构控制的GS-MAC协议能够在正常延时的条件下，进一步降低了节点能耗，延长了网络生存期。

3 结束语
通 过分析无线传感器网络S-MAC协议性能，针对在数据业务量少的情况下，大部分传感器节点处于空闲侦听状态，浪费了大量节点能量，引入GAF拓扑结构控制 算法，使得在正常的网络延迟下，大幅减少了处于空闲侦听状态下的节点数量。通过仿真表明，GS-MAC协议具有较高的能量效率，延长了网络使用寿命。