摘要 節能是無線傳感器網絡介質訪問控制(MAC)協議的首要目標，綜合近年來MAC協議的研究成果，針對S-MAC、T-MAC等幾種典型協議進行分析，研究出將拓撲結構控制機制引入MAC協議，可進一步降低能耗。給出了一種基于GAF拓撲控制思想的MAC協議、GS-MAC協議。GS-MAC協議可以降低處于空閑偵聽狀態的節點數量，是一種高效節能的協議。仿真表明，引入拓撲控制后可以達到劃一步節約能耗的目的。
關鍵詞 無線傳感器網絡；MAC協議；拓撲控制；GAF；GS-MAC協議

無線傳感器網絡由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統，主要用于收集、傳播和處理傳感信息。
與傳統的無線自組織網絡不同，無線傳感器網絡節點數目龐大，節點分布密集；由于環境影響和能量耗盡，節點更容易出現故障；環境干擾和節點故障易造成網絡拓撲結構的變化。另外，節點的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都有限，因此無線傳感器網絡的首要設計目標是能源的高效利用。無線傳感網絡介質訪問控制(Media Access Control，MAC)協議必須以節約能源為主要目標，并且采用折中機制，使用戶可以在延長網絡生命周期和提高網絡吞吐量、降低通信延遲等方面做出選擇。
目前針對不同的傳感器網絡應用，研究人員從不同方面提出了多個MAC協議，缺乏統一的分類方式，根據采用固定分配信道方式或隨機訪問信道方式，將傳感器網絡MAC協議分為：時分復用方式(TDMA)、隨機競爭方式和其他MAC協議。固定分配信道方式的TDMA可以自然完成節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送和接收，但其可擴展性較差，而時間同步對系統是一筆較大的開銷。由于無線傳感網絡數據率較低，而且對時延的要求不高，因此目前實用的節能MAC協議基本是基于競爭的協議。大量實驗和理論分析表明無線傳感器節點的能量浪費主要源自空閑偵聽、沖突、串擾和控制。因此結合現有的無線傳感器網絡MAC協議，引入層次型拓撲結構控制思想，建立一種高效節能的無線傳感器網絡協議，并進行分析、仿真和驗證，具有研究意義。

1 競爭類MAC協議分析
1．1 S-MAC協議
S-MAC協議是在802．11MAC協議的基礎上，針對傳感器網絡的節能需求而提出的傳感器網絡MAC協議。S-MAC協議假設通常情況下傳感器網絡數據傳輸量少，節點協作完成共同的任務，網絡內部能夠進行數據處理和融合以減少數據通信量，網絡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點間的通行上，而空閑偵聽大約占節點通信能量的1／3。為達到節省能量的目的S-MAC協議主要采用周期性的偵聽／睡眠的低占空比機制，控制節點盡可能處于睡眠狀態來降低節點能量的消耗。但S-MAC協議存在以下問題：S-MAC協議中同一個虛擬簇中的所有節點要同時從睡眠狀態轉換到活動狀態，開始對信道的競爭，而大量節點沒有數據傳輸任務，這些節點對信道的競爭和空閑偵聽浪費了大量的能量。
1．2 T-MAC協議
T-MAC(Timeout MAC)協議是在S-MAC協議的基礎上提出的。S-MAC協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，節點的周期活動時間必須適應最高的通信負載，從而造成網絡負載較小時，節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協議，該協議在保持周期偵聽長度不變的情況下，根據通信流量動態調整節點活動時間，用突發方式發送消息，減少空閑偵聽時間。但是由于大量無需數據傳輸的節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協議的執行，會出現早睡眠問題，引起網絡的吞吐量降低。為此，它采用兩種方法來提高早睡眠引起的數據吞吐量下降：(1)未來請求發送機制。(2)滿緩沖區優先機制，但效果并不是很理想。

2 基于拓撲控制結構的MAC協議設計
S-MAC、T-MAC虛擬簇中的所有節點都周期性地從睡眠狀態轉入工作狀態，參與信道的競爭和數據傳輸，而大部分節點沒有數據傳輸任務，造成他們在大部分活動時間處于空閑偵聽狀態，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協議GS-MAC(Geo graphical Sensor MAC)。GS-MAC協議引入了GAF拓撲控制算法后，適當減少活動節點數量，加快算法的收斂速度，減少大量節點對信道的空閑偵聽和數據碰撞，從而達到節能的目的。
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。