2.1 GAF改進算法

　　GAF（Geographical Adaptive Fidelity）算法是以節點地理位置為依據的分簇算法，該算法把監測區域分成虛擬單元格，將節點按照位置信息劃入相應的單元格；每個單元格中定期選舉產生一個簇頭節點，只有簇頭節點保持活動，其他節點進入睡眠狀態，GAF算法的執行包括兩個階段：第一階段是虛擬單元格的劃分；第二階段是簇頭的選舉產生。

　　虛擬單元格的劃分：根據節點的位置信息和通信半徑，將網絡區域劃分成若干虛擬單元格，保證相鄰單元格中的任意兩個節點都能夠直接通信。為保證相鄰兩個單元格中任意的兩個節點都能夠直接通信，需滿足如下關系式

　　在式（1）中，R為所有節點的通信半徑；r為正方形虛擬單元格邊長。

　　簇頭的選舉產生：GAF算法中簇頭承擔更多的數據處理和通信，消耗的能量相對較大。在改進的GAF算法中簇頭的選舉考慮到了節點剩余能量問題，選舉剩余能量較多的節點擔任簇頭。隨機簇頭選舉算法：節點只知道自己的能量信息和位置信息。假設某次簇頭選舉在Tr時刻開始，對單元格內任意節點N，以概率P發送測試消息。概率P與剩余能量成正比，如果測試消息成功，它就發生消息M（Ep，N），Ep為節點N剩余能量；如果消息發送不成功，節點N進入偵聽狀態。如果在一個時槽內沒有接到發送消息，表明該時槽內沒有節點競爭成功，開始新一輪的選舉，反之，如果有節點競爭成功，發送M（Ep，N）消息擔任簇頭，單元格內其他節點偵聽到消息M加入該簇。

　　2.2 GS-MAC協議描述

　　在GS-MAC協議中只有簇頭節點進入活動狀態如圖1和圖2所示。

　　在新協議中，由于引入拓撲結構機制，可以減少一部分節點的空閑偵聽時間，只保留簇頭節點處于活動狀態，在簇頭選舉中考慮到節點剩余能量，在局部范圍內做到平衡節點剩余能量，延長了網絡生存周期。

　　簇頭節點維護和S-MAC協議類似的工作/睡眠機制，每個簇頭節點周期性的與直接鄰近簇頭節點通過接收和廣播SYNC數據幀來交換調度信息；采用CSMA/CA機制和隨機退避時間；經歷RTS/CTS/DATA/ACK通信過程完成數據傳輸，在數據傳輸完成之前不遵循其休眠時間安排；采用流量自適應偵聽機制，減少消息的傳輸時延。

　　2.3 性能分析

　　利用NS2對S-MAC協議和新協議（GS-MAC）在能量消耗和傳輸時延兩方面進行比較，其中能量消耗為從源節點發送一定數量包到目的節點的總能耗，時延為端到端時延。仿真場景設置300 m×300 m，布置10~50個節點，R=300 m，r=100 m，劃分9個虛擬單元格。仿真參數選擇如表1所示。

　　從圖3可以看出在節點數目等于10時，幾乎每個虛擬單元格都只有1個節點，GAF拓撲控制算法效率低，基本接近S-MAC協議，隨著節點數目的逐步增加，GAF拓撲控制算法效率顯著提高，能量消耗明顯降低。

　　為比較兩種協議在網絡延遲性能方面的表現。在300m×300 m的場景中均勻布置50個固定節點，采用多跳網絡拓撲來測試端到端的數據時延，源節點產生20條消息，每條100 Byte，所有消息不分片，在輕流量載荷條件下重復10次實驗，測的每條平均消息時延如圖4所示，由于源節點在GS-MAC中競爭簇頭節點形成的時延，造成兩種協議中第一個轉發跳時延有較大差異，隨著消息的向前傳遞，后面排隊時延較少，但由于GS-MAC中發現狀態的存在，使GS-MAC協議時延略大于S-MAC協議時延。

　　綜上所述，引進拓撲結構控制的GS-MAC協議能夠在正常延時的條件下，進一步降低了節點能耗，延長了網絡生存期。

　　3 結束語

　　通過分析無線傳感器網絡S-MAC協議性能，針對在數據業務量少的情況下，大部分傳感器節點處于空閑偵聽狀態，浪費了大量節點能量，引入GAF拓撲結構控制算法，使得在正常的網絡延遲下，大幅減少了處于空閑偵聽狀態下的節點數量。通過仿真表明，GS-MAC協議具有較高的能量效率，延長了網絡使用壽命。