徐力++屈召貴

摘 要： 針對(duì)目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議無(wú)法在事件驅(qū)動(dòng)感知和周期性事件感知共存的復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用的問(wèn)題，提出一種能夠在分簇網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的自適應(yīng)混合MAC協(xié)議TC2?MAC。在研究了MAC層能耗來(lái)源及節(jié)能策略的基礎(chǔ)上，給出了TC2?MAC協(xié)議的時(shí)隙分配方法、時(shí)間同步策略和CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)； 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)； MAC協(xié)議； 節(jié)能

中圖分類(lèi)號(hào)： TN926?34； TM417 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）03?0007?05

Research and simulation of low?energy consumption protocol for wireless sensor network

XU Li1， QU Zhaogui2

（1. Experimental Center， Sichuan University Jinjiang College， Meishan 620860， China；

2. Experimental Center， Sichuan Technology and Business University， Chengdu 611745， China）

Abstract： Since the MAC protocol of the wireless sensor network can′t be applied to the complex environment of the coe?xisting of the event?driven perception and periodic event perception， a TC2?MAC of the adaptive hybrid MAC protocol applied to the clustering network is proposed. On the basis of studying the energy?consumption source and energy?saving strategy of the MAC layer， the time slot allocation method and time synchronization strategy of TC2?MAC protocol， and competition access mechanism of CSMA/CA are given.

Keywords： wireless sensor network； network architecture； MAC protocol； energy saving

0 引 言

隨著傳感技術(shù)、通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和微機(jī)電技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（WSN）的發(fā)展迎來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。WSN的底層架構(gòu)是通過(guò)MAC技術(shù)[2?4]來(lái)構(gòu)建的，因此MAC協(xié)議是WSN發(fā)揮作用的重要前提，但現(xiàn)有的MAC協(xié)議[3，5]存在以下問(wèn)題：

（1） 當(dāng)突發(fā)/超限數(shù)據(jù)與周期性感知數(shù)據(jù)一同進(jìn)行傳送時(shí)，突發(fā)/超限數(shù)據(jù)無(wú)法完成實(shí)時(shí)性傳送；

（2） 無(wú)法保證異構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)傳送信道使用的公平性；

（3） 未考慮不同傳感器節(jié)點(diǎn)的差異性服務(wù)質(zhì)量（QoS）需求。

上述三個(gè)問(wèn)題使目前的MAC協(xié)議無(wú)法在事件驅(qū)動(dòng)感知和周期性事件感知共存的復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種能夠在分簇網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的自適應(yīng)混合MAC協(xié)議TC2?MAC。該協(xié)議通過(guò)使用二叉樹(shù)形式的時(shí)隙塊分配方法和時(shí)隙限制的CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)靈活的休眠調(diào)度機(jī)制，從而達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期、提高WSN中突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的傳送實(shí)時(shí)性，改善異構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)傳送信道使用的公平性，并能夠支持不同傳感器節(jié)點(diǎn)的差異性QoS需求。

1 WSN網(wǎng)絡(luò)體系及MAC層能耗分析

1.1 WSN網(wǎng)絡(luò)體系

根據(jù)ITU?TY.2221建議的WSN未來(lái)泛在感知的應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)，WSN采用分簇體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)成簇算法，將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)劃分為若干個(gè)由成員節(jié)點(diǎn)和簇首組成的簇。為研究分析方便，在不改變分析結(jié)果的前提下，對(duì)上述網(wǎng)絡(luò)體系做如下假設(shè)：

（1） 簇的劃分使用固定簇方式。全部簇首均由具有特殊供電能力的節(jié)點(diǎn)擔(dān)當(dāng)，其電能足以完成網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)；

（2） 網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)Sink為靜止?fàn)顟B(tài)。全部簇首均可以與Sink直接進(jìn)行通信；

（3） 所有節(jié)點(diǎn)均為靜止?fàn)顟B(tài)。節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力能夠支持不同的MAC協(xié)議；

（4） 無(wú)線(xiàn)信號(hào)向各方向傳送消耗的能量是相同的，且無(wú)線(xiàn)信道對(duì)稱(chēng)。

1.2 MAC層能耗分析

MAC層能耗主要由正常的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)、空閑偵聽(tīng)、沖突、串音、控制報(bào)文開(kāi)銷(xiāo)幾方面組成，其中，正常的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)和控制報(bào)文開(kāi)銷(xiāo)的能耗屬必須消耗。由于無(wú)線(xiàn)通信模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的主要能耗來(lái)源，而當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)時(shí)，其能耗明顯低于節(jié)點(diǎn)處于空閑偵聽(tīng)狀態(tài)。因此可通過(guò)采用周期性睡眠和偵聽(tīng)策略及沖突避免機(jī)制來(lái)降低節(jié)點(diǎn)能耗。

2 自適應(yīng)混合MAC協(xié)議TC2?MAC的實(shí)現(xiàn)

TC2?MAC協(xié)議首先用若干個(gè)大小相等的時(shí)隙劃分通信時(shí)幀，然后將時(shí)隙編入A，B，C三個(gè)分組，并將其按照分組號(hào)交叉編排，各組時(shí)隙的特征如下：

A組時(shí)隙：節(jié)點(diǎn)主要用來(lái)傳送周期性感知數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)工作機(jī)制為T(mén)DMA；

B組時(shí)隙：節(jié)點(diǎn)工作機(jī)制為CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，能夠提高突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的傳送實(shí)時(shí)性；

C組時(shí)隙：簇首將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)Sink。當(dāng)節(jié)點(diǎn)無(wú)可傳送數(shù)據(jù)時(shí)，能夠進(jìn)入休眠狀態(tài)節(jié)能。

2.1 時(shí)隙分配方法

為改善節(jié)點(diǎn)對(duì)信道使用的公平性，采用二叉樹(shù)時(shí)隙分割方法。利用二叉樹(shù)分割法將時(shí)隙組A分割成若干個(gè)時(shí)隙塊，所有時(shí)隙均按奇偶位對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分組，分組后形成時(shí)隙塊二叉樹(shù)。通過(guò)二叉樹(shù)時(shí)隙分割法可以使全部時(shí)隙塊內(nèi)的時(shí)隙均勻分布，而且還能夠通過(guò)時(shí)隙塊的分解或合并構(gòu)建出大小不同的時(shí)隙塊，從而滿(mǎn)足不同節(jié)點(diǎn)的差異性QoS需求。

TC2?MAC可以根據(jù)系統(tǒng)的不同QoS需求設(shè)定時(shí)幀和時(shí)隙長(zhǎng)度，并且在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中也能夠靈活配置，時(shí)幀與時(shí)隙的關(guān)系如下：

式中：[Tframe]為時(shí)幀長(zhǎng)度；[Tslot]為時(shí)隙長(zhǎng)度，其值由數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)分組大小和時(shí)鐘漂移參數(shù)決定；依據(jù)時(shí)隙塊二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)，各時(shí)隙組（A，B，C）中時(shí)隙個(gè)數(shù)的對(duì)數(shù)[k]值即為重復(fù)率數(shù)的最大值RRNmax。按照WSN中事件驅(qū)動(dòng)感知和周期性事件感知共存的應(yīng)用需求，結(jié)合分簇式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)約定時(shí)隙塊使用“組號(hào)?起始索引號(hào)?重復(fù)率數(shù)”的形式表示，則時(shí)隙分配的具體方法如下：

（1） 預(yù)留時(shí)隙設(shè)為A?0，B?0，C?0。其中，A?0用于簇首節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)Sink精同步；B?0用于網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)Sink向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)管信息和新增節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)精同步；C?0用于簇首節(jié)點(diǎn)向簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)管信息和新增節(jié)點(diǎn)接收時(shí)隙分配參數(shù)。

（2） 除上述預(yù)留的A?0，B?0，C?0時(shí)隙外，A組其他時(shí)隙作為分配給簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的固定時(shí)隙，用于普通節(jié)點(diǎn)向簇首節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)；B組其他時(shí)隙作為公共競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙，用于簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)向簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送突發(fā)/超限數(shù)據(jù)；C組其他時(shí)隙作為簇首節(jié)點(diǎn)專(zhuān)用時(shí)隙，用于簇首節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)Sink傳送數(shù)據(jù)。

（3） 單位時(shí)隙長(zhǎng)度[TSlot]與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的最小時(shí)間間隔[Δt]存在約束關(guān)系：

[Δt=3×2RRNmax-RRN×Tslot] （2）

式中：RRN是節(jié)點(diǎn)占用時(shí)隙塊的重復(fù)率數(shù)，其應(yīng)為整數(shù)，因此有如下關(guān)系：

[RRN≥RRNmax-log2Δt3×TslotRRNmin=RRNmax-log2Δt3×Tslot] （3）

從式（3）中重復(fù)率數(shù)RRN與時(shí)隙塊個(gè)數(shù)之間的關(guān)系可以看出，若簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)滿(mǎn)足[N≤2RRNmax-RRNmin]關(guān)系，就可以保證簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少占有一個(gè)重復(fù)率數(shù)為RRNmin的時(shí)隙塊，同時(shí)也就使簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送感知數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔滿(mǎn)足式（2）。

（4） 最大公平性原則。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)[N≤2RRNmax-RRNmin]時(shí)，將時(shí)隙塊二叉樹(shù)中（[2RRNmax-RRNmin-N]）個(gè)重復(fù)率數(shù)為RRNmin+1的時(shí)隙塊分配給（[2RRNmax-RRNmin-N]）個(gè)能量較高的節(jié)點(diǎn)，然后將余下的重復(fù)率數(shù)為RRNmin+1的時(shí)隙塊包含的重復(fù)率數(shù)為RRNmin的子時(shí)隙塊分配給其他節(jié)點(diǎn)；當(dāng)[N>2RRNmax-RRNmin]時(shí)，先將時(shí)隙塊二叉樹(shù)中（[2RRNmax-RRNmin+1-N]）個(gè)重復(fù)率數(shù)為RRNmin的時(shí)隙塊依次分配給（[2RRNmax-RRNmin+1-N]）個(gè)能量較高的節(jié)點(diǎn)，后將余下的重復(fù)率數(shù)為RRNmin的時(shí)隙塊包含的重復(fù)率數(shù)為（RRNmin?1）的子時(shí)隙塊分配給其他節(jié)點(diǎn)。

（5） QoS差異性原則。盡量滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的不同時(shí)延需求，在具體應(yīng)用中，可根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的不同時(shí)延需求，采用更加靈活有效的配置方法。

（6） 以上時(shí)隙分配方法將時(shí)幀中的全部時(shí)隙都分配給了簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，也可保留一部分時(shí)隙供新增節(jié)點(diǎn)使用。

2.2 時(shí)間同步策略

TC2?MAC協(xié)議采用的是基于時(shí)間調(diào)度的信道接入機(jī)制，必須保證簇首與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。采用基于“匯聚節(jié)點(diǎn)?簇首?普通節(jié)點(diǎn)”形式的分級(jí)粗同步和按需精同步的時(shí)間同步策略。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬蛇^(guò)程中，匯聚節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性地廣播包含匯聚節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)間的入網(wǎng)同步信標(biāo)。簇首節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收到的入網(wǎng)同步信標(biāo)中的時(shí)間完成自身時(shí)間的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)粗同步。完成粗同步后，簇首節(jié)點(diǎn)通過(guò)CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制接入相應(yīng)信道，然后采用雙向報(bào)文交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的時(shí)間精同步。簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)利用簇首廣播的簇信標(biāo)完成入網(wǎng)被動(dòng)粗同步。

在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，簇首和普通節(jié)點(diǎn)的時(shí)間精度需要再同步。根據(jù)時(shí)間精度的等級(jí)要求，簇首按需在A?0時(shí)隙通過(guò)雙向報(bào)文交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的時(shí)間精同步。普通節(jié)點(diǎn)按需在所分配的時(shí)隙塊內(nèi)通過(guò)雙向報(bào)文交換機(jī)制實(shí)現(xiàn)與簇首的時(shí)間精同步。

2.3 CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制

為提高突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳送要求，TC2?MAC協(xié)議在B組時(shí)隙內(nèi)使用CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制，其具體執(zhí)行流程如圖1所示。

在每次數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)都要維護(hù)表示本次傳輸?shù)耐吮艽螖?shù)的參數(shù)NB和表示退避指數(shù)的參數(shù)BE兩個(gè)變量。其中NB的初始值為0，BE的最小值由最大值macMin BE和macMax BE設(shè)定。退避指數(shù)、退避窗口和退避時(shí)間之間的關(guān)系如下：

式中：[Wi]和[Tibackoff]分別表示第[i]個(gè)退避階段的退避窗口和退避時(shí)間；[m]和[σ]分別表示允許的最大退避次數(shù)和退避的單位時(shí)間長(zhǎng)度。

退避時(shí)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)單位時(shí)間長(zhǎng)度[σ，]退避計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)退避計(jì)數(shù)器減為0時(shí)執(zhí)行CCA，如果此時(shí)信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)；否則通過(guò)重置退避參數(shù)，執(zhí)行新的退避階段。當(dāng)退避次數(shù)達(dá)到允許的最大退避次數(shù)[m]時(shí)，此時(shí)信道如果仍非空閑狀態(tài)，則停止退避過(guò)程并緩存未發(fā)送的數(shù)據(jù)，以便在接下來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙中繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送。

3 網(wǎng)絡(luò)性能分析

3.1 吞吐量分析

由TC2?MAC的工作過(guò)程可知，A組時(shí)隙中的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用TDMA機(jī)制將簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送至簇首，B組時(shí)隙中的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制將簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送至簇首。假設(shè)簇首接收到的各節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)包需全部發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)Sink，A組時(shí)隙和B組時(shí)隙節(jié)點(diǎn)全部工作在飽和狀態(tài)，簇首的數(shù)據(jù)發(fā)送隊(duì)列始終非空，則簇首在C組時(shí)隙應(yīng)用的信道接入機(jī)制就決定了系統(tǒng)的飽和吞吐量。此處簇首采用CSMA/CA機(jī)制訪(fǎng)問(wèn)信道。由于同一時(shí)刻匯聚節(jié)點(diǎn)Sink只能成功接收一個(gè)簇首發(fā)送的數(shù)據(jù)，若網(wǎng)絡(luò)中共有[n]個(gè)簇首，則網(wǎng)絡(luò)的飽和吞吐量為：

式中：[Tslot]和[EP]分別表示單位時(shí)隙長(zhǎng)度和單位時(shí)隙長(zhǎng)度的平均數(shù)據(jù)載荷。假設(shè)[Tslot=]0.007 812 s，數(shù)據(jù)速率DataRate=250 Kb/s，數(shù)據(jù)幀載荷Payload=976 b，則網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。

從圖2中可以看出：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中簇首數(shù)量[n=1]時(shí)，網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量達(dá)到最大值，這是因?yàn)榇藭r(shí)簇首不存在信道競(jìng)爭(zhēng)所致。隨著簇首數(shù)量[n]的增加，網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榇厥讛?shù)量[n]的增加會(huì)使各簇首間的數(shù)據(jù)傳送沖突概率增加。因此在實(shí)際WSN的應(yīng)用中，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，降低冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送量，以盡量避免網(wǎng)絡(luò)工作在飽和狀態(tài)，這樣能夠提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

3.2 端到端時(shí)延分析

網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延如式（6）所示：

式中：[τtr，τpr]和[σ]分別表示發(fā)送時(shí)延、傳播時(shí)延和處理時(shí)延。出于網(wǎng)絡(luò)節(jié)能目的考慮，節(jié)點(diǎn)僅在其所分配時(shí)隙塊的部分子時(shí)隙內(nèi)工作，而在余下時(shí)隙進(jìn)行休眠，所以網(wǎng)絡(luò)端對(duì)端時(shí)延本質(zhì)是一個(gè)隨機(jī)變量，此處僅分析網(wǎng)絡(luò)最小端到端時(shí)延。通過(guò)對(duì)TC2?MAC二叉樹(shù)的時(shí)隙組功能劃分規(guī)則的分析可知，普通數(shù)據(jù)最小端到端時(shí)延不大于3個(gè)時(shí)隙，突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的最小端到端時(shí)延不應(yīng)大于2個(gè)時(shí)隙。

4 系統(tǒng)仿真

由于TC2?MAC適用于分簇網(wǎng)絡(luò)，為使仿真具有對(duì)比性，采用OPNET軟件包對(duì)TC2?MAC（DSSS）和LEACH?TDMA（DSSS）協(xié)議的平均吞吐量和平均端對(duì)端時(shí)延性能進(jìn)行仿真分析，仿真中簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)[n]由2逐漸增加至25，簇首個(gè)數(shù)ch由1逐漸增加至6，突發(fā)/超限數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間間隔[λ2]分別取表1中的值，主要仿真參數(shù)如表1所示。

當(dāng)[ch=5，][λ2=10]時(shí)，網(wǎng)絡(luò)平均端到端時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)[n]的變化如圖3所示。

從圖3中可以看出，在ch與[λ2]不變的情況下，在網(wǎng)絡(luò)平均端到端時(shí)延特性方面，TC2?MAC（DSSS）網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延隨簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)[n]的增加變化較平緩，而LEACH?TDMA（DSSS）網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延隨簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)[n]的增加快速增加；在吞吐量性能方面，由于TC2?MAC（DSSS）的B組時(shí)隙使用了CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，在仿真條件下突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的通信信道沖突概率很小，故TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

當(dāng)[n=24，][λ2=10]時(shí)，網(wǎng)絡(luò)平均端到端時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨簇首數(shù)目ch的變化如圖4所示。

從圖4中可以看出，在[n]與[λ2]不變的情況下，在網(wǎng)絡(luò)平均端到端時(shí)延特性方面，兩種協(xié)議的時(shí)延特性均不隨簇首數(shù)ch的增加產(chǎn)生明顯變化；在吞吐量性能方面，由于TC2?MAC（DSSS）的B組時(shí)隙使用CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，在仿真條件下突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的通信信道沖突概率很小，故TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

當(dāng)[ch=5，n=24]時(shí)，網(wǎng)絡(luò)平均端到端時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨突發(fā)/超限數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間間隔[λ2]的變化如圖5所示。

從圖5可以看出，在ch和[n]不變的情況下，在網(wǎng)絡(luò)平均端到端時(shí)延特性方面，兩種協(xié)議的時(shí)延均與[λ2]反方向變化，當(dāng)[λ2≥1]s時(shí)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的增長(zhǎng)趨勢(shì)較平緩，當(dāng)[λ2<1]s時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)開(kāi)始變大，當(dāng)[λ2=]0.01 s時(shí)，LEACH?TDMA（DSSS）協(xié)議的時(shí)延特性急劇惡化，而TC2?MAC（DSSS）協(xié)議的時(shí)延特性對(duì)[λ2]的變化卻不敏感。在吞吐量方面，當(dāng)突發(fā)/超限數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間間隔[λ2]增加到一定程度時(shí)，LEACH?TDMA（DSSS）協(xié)議的吞吐性能優(yōu)于TC2?MAC（DSSS）的協(xié)議。

間隔變化曲線(xiàn)

綜上分析有如下結(jié)論：

（1） TC2?MAC使用的二叉樹(shù)時(shí)隙分割方法和時(shí)間同步策略，在保證網(wǎng)絡(luò)周期性數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)那疤嵯?，能夠?qū)崿F(xiàn)突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳送，也就支持了不同節(jié)點(diǎn)的差異性QoS需求。

（2） 在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性方面，TC2?MAC（DSSS）協(xié)議能夠良好地適應(yīng)簇的數(shù)目、簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目和突發(fā)/超限數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量的變化，同時(shí)其時(shí)延特性顯著優(yōu)于LEACH?TDMA（DSSS）協(xié)議。

（3） 在網(wǎng)絡(luò)吞吐量特性方面，在突發(fā)/超限數(shù)據(jù)流量較小的情況下，兩種協(xié)議的性能基本持平，但當(dāng)突發(fā)/超限數(shù)據(jù)流量增加到一定數(shù)量時(shí)，TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

通過(guò)以上仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，提出的TC2?MAC協(xié)議在基本不降低網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，解決了目前MAC協(xié)議存在的突發(fā)/超限數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性傳送問(wèn)題、異構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)傳送信道使用的公平性問(wèn)題及不同傳感器節(jié)點(diǎn)的差異性QoS需求問(wèn)題。

5 結(jié) 論

本文提出的適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)混合MAC協(xié)議TC2?MAC能夠有效地解決目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議中存在的問(wèn)題。在對(duì)目前常用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系及能耗分析的基礎(chǔ)上，給出了TC2?MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了理論分析，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了所提出協(xié)議TC2?MAC的有效性。

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