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【摘 要】本文提出一种基于分簇的时分和码分混合的MAC协议（HTC-MAC协议），簇的通信分为簇内节点通信和簇首节点通信两个部分，簇内节点通信按TDMA机制使用信道，簇首节点之间采用CDMA机制使用信道。分析了HTC-MAC协议与现有MAC协议的能量消耗。
【关键词】无线传感器网络 HTC-MAC协议 能耗 时延
一、引言
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。
二、能耗比较
对三种机制的能耗公式进行验证，图1显示了HCT-MAC、CDMA机制和TDMA机制的能量消耗耗曲线图，从图中可以看出，TDMA机制能耗最小，HCT-MAC协议居中，纯CDMA机制能耗最大。
图1 三种机制的能耗图
（一）HCT-MAC协议与纯TDMA机制相比，簇内节点个数4时，两者的能耗分别是0.0098J和0.0035J，与CDMA相比，TDMA机制的能耗节省1.7872倍；簇内节点个数是8时，两者的能耗分别是0.0196J和0.0070J，后者的能耗节省1.7888倍；簇内节点个数为20时，两者的能耗分别是0.0489J和0.0175J，后者的能耗节省1.7897倍。纯TDMA机制的MAC协议与HCT-MAC协议相比，省的能量不超过1.8倍。由于TDMA机制只需在各自的时隙下发送数据包，而CDMA机制需要CDMA编解码，需要耗费能量，所以TDMA机制比HCT-MAC协议省能。但CDMA机制允许多个节点对的同时通信，增加了网络通信量，减少了消息的传输延迟，而且与TDMA机制的MAC协议相比，HCTI-MAC协议不需要严格的时间同步，能够适应网络拓扑结构的变化，具有良好的扩展性。
（二）HCT-MAC协议与纯CDMA机制相比，簇内节点个数4时，两者的能耗分别是0.0098J和0.0146J，与CDMA相比，HCT-MAC协议的能耗节省了50%；簇内节点个数是8时，两者的能耗分别是0.0196J和0.0429J，前者的能耗节省了1.1927倍；当簇内节点个数为20时，两者的能耗分别是0.0489J和0.2089J，前者的能耗节省3.2747倍，由上可以看出HCT-MAC协议的能量比纯CDMA机制的MAC协议节省很多。
图2是HCT-MAC协议与TAO S提出的协议能量消耗比较，图2（a）中可以得出，簇首個数为5时，当簇内节点个数n<5时，TAO S协议的能量比HCT-MAC协议节省；n≥5时，HCT-MAC协议比TAO S的协议省能，n=5时，与TAO S 的协议相比，HCT-MAC协议节省15%的能量；n=20时，HCT-MAC协议节省3倍的能量。从图2（b）可以得出，簇首个数为10时，当簇首个数n<9时，TAO S协议的能量比HCT-MAC协议节省；n≥9时，HCT-MAC协议比TAO S的协议省能，n=9时，与TAO S 的协议相比，HCT-MAC协议节省3%的能量；n=20时，HCT-MAC协议节省1.25倍的能量。
以上可以看出，网络规模较小时，两者能耗差不多；随着网络规模变大，两者的能量消耗越来越大，HCT-MAC协议比TAO S协议的能耗小很多。这是因为TAO S提出的协议是在簇内节点通信采用CDMA机制，簇首采用TDMA机制，该协议要求严格的全网时间同步，花在同步上的能耗越来越多。
图2 HCT-MAC协议和TAO S协议的能耗图
三、结束语
通过对HCT-MAC协议进行了仿真分析，性能与仿真结果显示，纯TDMA机制、CDMA机制、HCT-MAC协议以及TAO S的协议，这四种协议比较，HCT-MAC具有较好的能量效率。
参考文献：
[1]孙利民，李建中. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005.
[2]J.Weinmiller，M.Schlaeger，A.Festag et al.Performance Study of Access Control in wireless LANs-IEEE802.11 DFWMAC and ETSI RES10 HIPERLAN.Mobile Networks and Applications，Baltzer Science Publishers/ACM，July 1997.
[3]IEEE Computer Society LAN MAN Standards Committee.IEEE Std 802.11-1999，Wireless LAN Medium Access Control（MAC）and Physicl Layer（PHY） specifications.1999.
【关键词】无线传感器网络 HTC-MAC协议 能耗 时延
一、引言
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。
二、能耗比较
对三种机制的能耗公式进行验证，图1显示了HCT-MAC、CDMA机制和TDMA机制的能量消耗耗曲线图，从图中可以看出，TDMA机制能耗最小，HCT-MAC协议居中，纯CDMA机制能耗最大。
图1 三种机制的能耗图
（一）HCT-MAC协议与纯TDMA机制相比，簇内节点个数4时，两者的能耗分别是0.0098J和0.0035J，与CDMA相比，TDMA机制的能耗节省1.7872倍；簇内节点个数是8时，两者的能耗分别是0.0196J和0.0070J，后者的能耗节省1.7888倍；簇内节点个数为20时，两者的能耗分别是0.0489J和0.0175J，后者的能耗节省1.7897倍。纯TDMA机制的MAC协议与HCT-MAC协议相比，省的能量不超过1.8倍。由于TDMA机制只需在各自的时隙下发送数据包，而CDMA机制需要CDMA编解码，需要耗费能量，所以TDMA机制比HCT-MAC协议省能。但CDMA机制允许多个节点对的同时通信，增加了网络通信量，减少了消息的传输延迟，而且与TDMA机制的MAC协议相比，HCTI-MAC协议不需要严格的时间同步，能够适应网络拓扑结构的变化，具有良好的扩展性。
（二）HCT-MAC协议与纯CDMA机制相比，簇内节点个数4时，两者的能耗分别是0.0098J和0.0146J，与CDMA相比，HCT-MAC协议的能耗节省了50%；簇内节点个数是8时，两者的能耗分别是0.0196J和0.0429J，前者的能耗节省了1.1927倍；当簇内节点个数为20时，两者的能耗分别是0.0489J和0.2089J，前者的能耗节省3.2747倍，由上可以看出HCT-MAC协议的能量比纯CDMA机制的MAC协议节省很多。
图2是HCT-MAC协议与TAO S提出的协议能量消耗比较，图2（a）中可以得出，簇首個数为5时，当簇内节点个数n<5时，TAO S协议的能量比HCT-MAC协议节省；n≥5时，HCT-MAC协议比TAO S的协议省能，n=5时，与TAO S 的协议相比，HCT-MAC协议节省15%的能量；n=20时，HCT-MAC协议节省3倍的能量。从图2（b）可以得出，簇首个数为10时，当簇首个数n<9时，TAO S协议的能量比HCT-MAC协议节省；n≥9时，HCT-MAC协议比TAO S的协议省能，n=9时，与TAO S 的协议相比，HCT-MAC协议节省3%的能量；n=20时，HCT-MAC协议节省1.25倍的能量。
以上可以看出，网络规模较小时，两者能耗差不多；随着网络规模变大，两者的能量消耗越来越大，HCT-MAC协议比TAO S协议的能耗小很多。这是因为TAO S提出的协议是在簇内节点通信采用CDMA机制，簇首采用TDMA机制，该协议要求严格的全网时间同步，花在同步上的能耗越来越多。
图2 HCT-MAC协议和TAO S协议的能耗图
三、结束语
通过对HCT-MAC协议进行了仿真分析，性能与仿真结果显示，纯TDMA机制、CDMA机制、HCT-MAC协议以及TAO S的协议，这四种协议比较，HCT-MAC具有较好的能量效率。
参考文献：
[1]孙利民，李建中. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005.
[2]J.Weinmiller，M.Schlaeger，A.Festag et al.Performance Study of Access Control in wireless LANs-IEEE802.11 DFWMAC and ETSI RES10 HIPERLAN.Mobile Networks and Applications，Baltzer Science Publishers/ACM，July 1997.
[3]IEEE Computer Society LAN MAN Standards Committee.IEEE Std 802.11-1999，Wireless LAN Medium Access Control（MAC）and Physicl Layer（PHY） specifications.1999.