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无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是一种集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信等技术的新型无基础设施的无线网络,它由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,对其进行处理,发送给观察者。WSN为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径,作为一个全新的领域,对国内外研究学者提出了大量的挑战性课题。
高效的MAC协议是保证无线传感器网络正常运作、高效通信的关键。无线传感器网络的无线信道分配机制主要有随机竞争机制、TDMA机制、FDMA机制以及CDMA机制。基于随机竞争的MAC协议存在空闲侦听和数据碰撞等能耗问题;基于TDMA的MAC协议则存在时间同步和扩展性差问题;基于FDMA和CDMA混合的MAC协议,需要传感器节点具有较高的处理能力。因而设计一种混合型协议,通过多种机制的优化组合达到最大的应用性能,成为目前无线传感器网络MAC协议研究的一个发展趋势。
本文首先介绍了WSN以及无线传感器网络MAC协议的设计重点,在综合考虑现行典型MAC协议的能量消耗、时延和网络扩展性后,提出一种基于分簇的时分和码分混合的MAC协议(Hybrid CDMA&TDMA,HCT-MAC协议)。HCT-MAC协议采用了基于分簇的网络拓扑结构,在低时延和低能耗方面实现了一定的折中处理,该协议簇内节点采用TDMA机制实现信道分配、避免碰撞串扰问题,从而达到低延迟快速上传数据;簇首节点与汇聚节点的通信则采用CDMA机制,避免多跳同步问题,节省能量。
通过对HCT-MAC协议进行性能分析和仿真实验,中小规模下(簇内节点个数2-20,簇首5或者10),结果显示在时延增加60%情况下,比纯CDMA机制的协议能耗节省了3倍左右;HCT-MAC协议与纯TDMA机制的协议相比,在能耗增加1.8倍左右的情况下,HCT-MAC协议的时延将减少1倍左右;HCT-MAC协议与经典的S-MAC协议相比,HCT-MAC协议的能耗可节省50%。实验结果表明,在中小规模网络中,HCT-MAC协议这种折中的处理,无论是通信的时间延迟,还是能量消耗上,都是一个较好的选择。