TC2-MAC：一种无线传感器网络自适应混合MAC协议

陈存香，何遵文，贾建光,2，匡镜明，张钟毓，徐晓波

（1. 北京理工大学 通信技术研究所，北京 100081；2. 中国电子设备系统工程公司研究所，北京 100039；3. 中国联通华盛通信有限公司，北京 100032；4. 92840部队，山东 青岛 266405）

1 引言

无线传感器网络（WSN，wireless sensor network）是由大量微型传感器节点组成的无线、多跳、自组织网络。作为一种新的信息获取、处理和传输技术，WSN在国防、工业、农业和医疗等领域都有非常广阔的应用前景。WSN正在不断改变人类与自然的交互方式，并将最终实现“无处不在”的计算理念[1]。此外，WSN还作为物联网的一种末梢网络和感知延伸网[2]，是物联网的重要基础。由于传感器节点的计算、通信和存储等能力非常有限，且节点的能量资源通常十分稀缺，因此高效利用网络资源并提高能量有效性是网络协议设计和系统设计的基本准则。WSN的另外一个重要特征是应用相关性，因此只有针对某种或某类特定应用才能设计出节能高效的WSN系统。

根据数据收集方式的不同，WSN应用模式大致可分周期性感知、事件驱动感知和查询驱动感知3类。周期性感知即传感器节点按照固定的周期采集和发送数据，其余时间进入休眠状态以节能；事件驱动感知即当兴趣事件发生时传感器节点才进行数据采集和发送；查询驱动感知即传感器节点收到外部查询指令后才开始采集或传输数据。

然而，很多应用场合需要支持多种模式。例如，在粮情监控、烟花爆竹储存环境监测等应用中，平时可以通过周期性感知模式监测存储环境的温度、湿度等环境数据，一旦温度或湿度超过某个阈值时，则需要网络迅速响应该突发事件进行感知，并将突发/超限数据传输到管理中心或通过执行器控制相应设备进行环境调节。如果网络不能对突发的超限数据进行及时感知和传输，则可能会造成不可弥补的损失。又如在战场环境监测应用中，传感器网络需要对某敏感区域内的温度、湿度、风力、电磁场、放射物、毒气浓度、震动等环境数据进行监测。为节约能量和避免频繁的电磁活动可能导致的攻击，网络在迅速组网后进入静默状态，即所有节点关闭通信模块并以周期性或事件驱动的方式感知数据。单兵、机器人或无人机通过查询方式收集感知数据，并将收集到数据进行初步融合后发送到后方指挥中心。此外，其他一些典型应用如矿井瓦斯浓度监测、电磁频谱监测、医院病人远程监护等也需要支持多种感知模式。

另外一个重要问题是，不同类型的数据存在差异性的QoS需求。例如，突发/超限数据需要比普通数据更高的传输实时性；在环境监测应用中，毒气浓度和放射性物质等监测信息需要比其他信息更高的传输优先级和实时性要求。

本文以WSN的监测应用为背景，针对不同传感器节点或不同类型业务存在差异性QoS需求这一问题，提出了一种用于分簇WSN的自适应混合MAC协议TC2-MAC。该协议将通信时帧划分为多个大小相等的时隙，并将时帧中的时隙编入A、B、C3个组，然后将时隙按组交叉编排。其中，A组时隙以二叉树结构组织编排，并由簇首以时隙块为单位分配给簇内节点，在A 组时隙内，节点采用TDMA机制工作，主要用于传输周期性感知数据；在B 组时隙内，节点采用CSMA/CA竞争机制工作，用于改善突发/超限数据的传输实时性；在C 组时隙内，簇首将接收到的数据转发至汇聚节点（sink）。此外，当节点不需要传输数据时，可以进入休眠状态以节能，TC2-MAC支持多种节能策略。

2 相关工作

2.1 文献总结

文献[3]提出的S-MAC协议采用虚拟簇和占空比（duty-by-cycle）工作机制提高了协议的能效性，并通过自适应侦听机制减少了传输延迟。但协议采用固定占空比工作，侦听周期受最高通信负载约束而无法自适应流量负载的动态变化。文献[4]提出了S-MAC协议的改进协议T-MAC，通过引入自适应占空比机制增强了协议对业务流量动态变化的适应性，但该协议存在早睡问题，这会导致通信时延的增加和网络吞吐量的下降。文献[5]提出的PMAC协议可以根据网络负载和流量模式自动调节占空比，从而达到节能效果，但协议需要通过广播方式交换调度模式，邻居节点间通过协商机制产生睡眠/唤醒调度，收敛时间比较长；此外，协议的算法比较复杂，存储开销大。文献[6]提出的Z-MAC协议综合了TDMA和CSMA的优点，对同步误差、时隙分配失败以及信道的时变性等具有良好的顽健性，能够以低的代价获得高的信道利用率和低的网络时延。但协议运行过于复杂，特别是在低业务情况下，周期性控制时隙的引入会增大网络时延和能耗开销，在网络密度较大时，这一问题尤为突出；此外，节点在没有数据接收时仍然侦听信道，因此不利于节能。文献[7]在Z-MAC协议的基础上引入了时隙预分配机制，解决了Z-MAC节点空闲侦听能耗过大的问题。文献[8]提出的A2-MAC协议将时帧划分为信号域和数据域2个部分，节点在2个时间域内分别采用非坚持时隙CSMA机制发送控制信息和采用TDMA机制发送数据。该协议相对于CSMA机制在信道使用公平性和节能等方面均得到了改善。文献[9]提出的EZ-MAC协议通过调整IEEE 802.15.4 MAC帧结构顺序降低了数据传输时延和网络能耗，并提高了网络吞吐量。文献[10]提出的ER-MAC协议使树型WSN对业务流量和拓扑变化具有良好的适应能力，并降低了突发数据的传输时延。文献[11]提出的MRMAC协议通过信道预约机制降低了端到端时延和网络能耗。文献[12]提出的PC-MAC协议通过周期性退避和周期性控制机制提高了单跳网络的信道使用公平性和网络吞吐量。文献[13]提出的CDC-MAC协议采用基于节点剩余能量加权的协作节点选择算法，提高了全网的能耗均衡性，但协议存在时延过长的问题。文献[14]提出的WTE-MAC协议采用了虚通道（VT，virtual tunnel）机制，即链路上的节点利用邻节点的唤醒时间信息估算自身的唤醒时间，以此获得收发节点的工作同步。VT机制的引入改善了协议的时延特性。

综上所述，相关MAC协议均没有考虑实际应用中WSN存在多种感知模式共存的应用需求。此外，在现有WSN MAC协议中，基于竞争的MAC协议普遍存在接入时延难以预见、公平性差和较高的重传开销等问题；基于调度策略的MAC协议主要以时帧为单位组织调度，节点的通信时间间隔严格受时帧长度的约束，因此对突发/超限数据的传输实时性较差；基于竞争和调度的混合MAC协议普遍存在时隙调度算法复杂、难以保证突发/超限数据的实时性传输等问题。这些问题导致现有MAC协议很难适应WSN多种感知模式共存的复杂应用场合。

2.2 网络体系结构

网络采用分簇体系结构（如图1所示）。网络中的节点按照某种成簇算法划分为若干个簇，每个簇由一个簇首和若干个成员节点组成。

图1 TC2-MAC协议网络体系结构模型

簇的划分是建立分簇网络拓扑结构的关键。根据WSN的不同应用环境，可以大致分为3类簇：固定簇、动态簇和机会簇。固定簇的特点是簇的建立在网络初始化时完成，网络中的簇首由某些功能强大并具有特殊供电能力的节点担任，且在网络运行过程中簇首的角色不再改变。固定簇方式具有网络稳定性好、通信效率高、节能等显著优点，不足之处是需要为簇首提供特殊的供电方式。因此，该方式对使用环境的供电能力有一定要求。在智能楼宇、粮情监控、智能交通、社区安防、医院病人远程监护等应用领域比较适合使用固定簇方式。动态簇的建立也在网络初始化时完成，不同的是网络中的簇首采用和普通节点一样的供电方式，因此，在网络运行过程中通常采用动态选举簇首即簇首轮换的机制，以解决簇首能耗过分集中的问题。机会簇的特点是网络部署后各节点并不立即组网，而是工作在低功耗状态，当有事件触发时，感知到事件的节点才开始成簇。该方式的不足之处是，成簇过程需要事件触发，实时性较差。

为研究问题方便，对上述模型做如下假设：1）结合本文的监测应用背景，采用固定簇方式，即所有簇首均具有特殊的供电能力，其能量足以支持网内数据融合和数据转发任务；2）汇聚节点是静止的，且所有簇首都可以与sink直接通信；3）所有节点都是静止的，且具有足够的计算能力支持不同的MAC协议和数据处理；4）无线电信号在各个方向能量消耗相同，并且无线信道是对称的，即从节点A发送数据到节点B的能耗与从节点B发送相同大小的数据到节点A的能耗相同。

3 自适应混合MAC协议——TC2-MAC

3.1 时隙分配方法

TC2-MAC采用以时帧为周期的时间调度机制。时隙是通信的最小时间单位，时帧由多个大小相等的时隙组成。考虑到网络在实际运行过程中，传感器节点需要将感知到的周期性数据和突发数据发送至簇首，簇首则需要将收到的感知数据转发至sink，即数据业务中存在周期性感知数据、突发数据和转发数据等3类基本数据业务，结合为不同业务提供差异性QoS保障的设计目标，将TC2-MAC时帧中的时隙分为A、B、C 三组（称之为时隙组），并将其采用交叉方式进行编排。具体算法如下。

1) 时隙分组及时隙块

每个时帧包含3×2k( 0≤k≤15)个时隙，这些时隙依次编入A、B、C3个组，每个时隙组包含2k个时隙。时隙表示格式为：“组号-时隙索引号”，时隙索引范围为：0～2k-1。

每个时隙组可以继续分隔成2n(0≤n≤k)个子集，称之为时隙块（TSB，time slot block）。将时隙块中时隙个数的对数（以2为底）定义为重复率数（RRN，recurrence rate number），则不难算出，一个时帧内重复率数为RRN的时隙块中包含的时隙个数为2RRN个，时隙间隔为3×2k-RRN个时隙。时隙块的表示格式为：“组号-起始索引号-重复率数”。例如时隙块A-0-14，表示该时隙块是时隙组A 的子集，起始索引号为0，重复率数为14。

2）时隙编排格式及时隙块二叉树

时帧中每组时隙与其他组中的时隙进行交叉编排，格式为：A-0，B-0，C-0，A-1，B-1，C-1，…，A-(21)k-，B-(21)k-，C-(21)k-，如图2所示。

图2 TC2-MAC时帧中时隙的交叉编排方式

为改善信道使用公平性，这里引入二叉树（binary tree）时隙分割方法。二叉树是每个节点最多有2个子树的有序树，是树型结构的重要类型。利用二分法将时隙组A 逐次分隔为多个时隙块，每次分隔均按照奇偶位对应关系对时隙分别分组，最终形成时隙块二叉树，如图3所示。

图3 时隙块二叉树结构（RRNmax=15）

由图3可以看出，TC2-MAC时隙块二叉树具有以下特征。

① 时隙块二叉树是以重复率数为RRNmax的时隙块为树根，以所有重复率数为0的时隙块为树叶的满二叉树，各子树的重复率数比父单元的重复率数依次减少1。

② 子单元时隙块是父单元时隙块的子集，其关联关系如下

③ 一个时帧可以划分为2RRNmax-RRN个大小相等的时隙块，时隙块中的时隙在时帧内是完全均匀分布的。假设I0为起始索引号，则各时隙块占用时隙位置可表示为

④ 时隙块之间仅存在包含与互斥2种关系。包含关系是指重复率数小的时隙块中的所有时隙是重复率数大的时隙块中时隙的一部分。如果2个时隙块的时隙组号及起始索引号相同，但重复率数不同，则重复率数大的时隙块包含重复率数小的时隙块。互斥关系是指2个时隙块之间没有任何相同的时隙。显然，位于不同时隙组中的时隙块是互斥的。假设同一时隙组中任意2个时隙块i和j的起始索引号分别为，时隙块j的重复率数为RRNj，则当不为整数时，这2个时隙块存在互斥关系。

⑤ 在同一层内，具有相同父单元的子单元具有更好的时隙分布均匀性。

综合上述特征可知，通过这种方法能够保证所有时隙块中的时隙都是均匀分布的，而且还可以通过时隙块的合并或分解构造出不同大小的时隙块，用以满足不同用户的差异性QoS需求。

3）时隙分配策略

TC2-MAC中的时帧和时隙长度不是固定的，而是根据系统的具体QoS要求加以设定，并允许在网络运行过程中灵活配置。时帧与时隙的关系表示为

其中，Tframe表示时帧长度；Tslot表示时隙长度，其值与数据分组大小、数据传输速率及时钟漂移参数等有关；k为每个时隙组（A、B、C）中时隙个数的对数，取决于簇容量的大小，按照时隙块二叉树结构，其值对应于重复率数的最大值RRNmax。

根据WSN中周期性事件感知与事件驱动感知共存的应用需求，结合图1所示的分簇网络体系结构模型进行时隙分配，具体方法如下。

①A-0，B-0，C-0为预留时隙。其中A-0用于簇首节点与sink精同步；B-0用于新增节点入网精同步；C-0用于新增节点接收时隙分配参数。此外，B-0还可用于sink向簇首节点下达网管信息；C-0用于簇首节点向成员节点下达网管信息。

②除上述预留时隙外，A 组时隙为分配给普通节点的固定时隙，用于普通节点向簇首节点发送数据；B 组时隙为公共竞争时隙，用于普通节点向簇首节点发送突发/超限数据；C 组时隙为簇首节点专用时隙，用于簇首节点向sink发送数据。

③节点发送数据的最小时间间隔Δt与单位时隙长度TSlot存在以下约束关系：

其中，RRN为节点占用时隙块的重复率数。考虑到RRN为整数，因此有

④ 最大公平性原则，即尽可能地使所有节点获得相等的时隙数。假设满足式（5）中约束条件的时隙块最小重复率数为RRNmin，簇内节点数为N。当N≤2RRNmax-RRNmin时，则先将时隙块二叉树中从左到右(2RRNmax-RRNmin-N)个重复率数为(RRN+1)

min的时隙块依次分配给(2RRNmax-RRNmin-N)个能量级别较高（或时延特性要求较高）的节点，再将剩余的(N-2RRNmax-RRNmin-1)个重复率数为的时隙块对应的重复率数为RRNmin的子时隙块分别分配给其余节点；当N＞2RRNmax-RRNmin时，先将时隙块二叉树中从左到右(2RRNmax-RRNmin+1-N)个重复率数为RRN的时隙块依次分配给(2RRNmax-RRNmin+1-N)

min个能量级别较高（或时延特性要求较高）的节点，再将剩余的(N-2RRNmax-RRNmin)个重复率数是RRNmin的时隙块对应的重复率数(RRNmin-1)的子时隙块分别分配给其余节点。

⑤ QoS差异性原则，即尽可能地满足网络中异构节点的时延差异性要求。在实际应用中，可以根据不同节点的不同时延要求，采取更加灵活的分配方法。

⑥ 以上分配过程将时帧中的所有时隙都分配给了簇内节点，也可以根据网络实际需要，留一部分备用时隙供新增节点申请使用。

3.2 时间同步策略

由于TC2-MAC采用了基于时间调度的信道接入机制，因此需要相应的同步算法来保证簇内节点与簇首之间的同步。TC2-MAC采用基于“汇聚节点—簇首—普通节点”分级粗同步和按需精同步的同步策略。

在网络拓扑形成阶段，汇聚节点周期性地广播入网同步信标，该信标中包含汇聚节点的当前时间。簇首根据接收到的入网同步信标调整自身的本地时间，实现粗同步。粗同步完成以后，簇首采用CSMA/CA机制接入信道，通过双向报文交换机制[15]与汇聚节点实现入网精同步。簇首入网后开始广播成簇信标ADV，普通节点利用收到的ADV进行入网被动粗同步。

在网络运行阶段，簇首和节点的时间精度会随着本地时钟的漂移而下降，因此需要再同步。簇首根据时间精度等级要求，按需在A-0时隙采用CSMA/CA机制接入信道，并通过双向报文交换机制与汇聚节点实现精同步。普通节点根据时间精度等级要求，按需在所分配时隙块内通过双向报文交换机制与簇首实现精同步。在网络运行阶段，新增节点利用时帧信标进行入网粗同步，然后在B-0时隙通过双向报文交换机制与簇首实现精同步，在C-0时隙接收簇首的时隙块分配参数进行入网。

上述节点时间精度等级是指保证簇内节点之间不产生通信干扰的情况下允许节点与簇首之间的最大时间偏差，该值与时隙中预留的保护时间有直接关系。

3.3 CSMA/CA竞争接入机制

为提高突发数据的传输实时性，TC2-MAC在B组时隙内采用CSMA/CA竞争接入机制。每次数据传输时节点都需要维护NB和BE 2个变量。NB表示本次传输的退避次数，初始值为0；BE表示退避指数，其最大值和最小值分别由macMaxBE和macMinBE 这2个参数设定。退避窗口、退避指数及退避时间之间的关系如下

其中，Wi表示第i个退避阶段的退避窗口；表示第i个退避阶段的退避时间；m为允许的最大退避次数；σ为退避的单位时间长度。

退避时，每经过一个时间单位σ，退避计数器自动减1，直至减为0开始执行CCA（clear channel assessment），如果信道空闲，则开始发送数据；否则重置退避参数，进入新的退避阶段。当达到最大退避次数m时，如果信道忙，则停止退避过程，并将未发送的数据缓存，以便在下一个竞争时隙竞争发送。

根据TC2-MAC中时隙的交叉分布规则，相邻2个同组时隙的最小间隔为3个时隙。其中，B 组时隙用于簇内节点采用CSMA/CA机制访问信道，如果当前B 组时隙结束后，下一个A 组时隙正好属于节点自身的时隙块，则节点能够利用该A 组时隙将突发数据/超限数据采用TDMA机制发送至簇首，否则在下一个B组时隙继续采用CSMA/CA机制发送，如图4（a）所示；如果簇首在C组时隙也采用CSMA/CA机制向汇聚节点发送数据，则其情况如图4(b)所示。

图4 TC2-MAC中具有时隙约束的CSMA/CA机制

3.4 网络性能分析

1) 吞吐量（throughput）

根据TC2-MAC的工作过程，在A 组时隙节点采用TDMA机制将数据发送至簇首，在B 组时隙节点采用CSMA/CA机制将数据发送至簇首。为验证数据融合的辅助作用以及降低网络仿真的不确定性，假设簇首接收到的数据分组需要全部转发至汇聚节点，A组时隙和B组时隙均处于饱和工作状态，簇首的发送队列始终不为空，则系统饱和吞吐量由簇首在C组时隙所采用的信道接入机制决定。簇首在C组时隙可采用CSMA/CA机制或DSSS（direct sequence spread spectrum）机制访问信道。

① 簇首在C组时隙采用CSMA/CA机制接入信道（如图5所示）。

图5 TC2-MAC工作时隙关系

考虑到同一时刻只有一个簇首能够向汇聚节点成功发送数据，若网络中簇首的个数为n，结合式（6），则网络饱和吞吐量可表示为

其中，E[P]表示单位时隙平均数据载荷；TSlot表示单位时隙长度。

假设TSlot=0.0078125s ，DataRate=250kbit/s，Payload=976 bit/s （数据帧定义见文献[16]），则可得到如图6所示的网络饱和吞吐量关系曲线。

图6 C 组时隙采用CSMA/CA机制时的网络饱和吞吐量

图6表明：当网络中只有一个簇首即1n=时，γ=1，由于簇首不存在信道竞争，故网络饱和吞吐量S达到最大值，但随着n的增加，簇首之间的数据冲突概率会明显增加，结果导致网络饱和吞吐量呈现下降趋势，这与网络运行在饱和状态有直接关系。因此在实际WSN应用中，通常会采用数据融合算法减少冗余数据的发送，以避免网络过载，并提高网络平均吞吐量和能量使用效率。

② 簇首使用不同扩频码

引入DSSS机制，不同的簇使用不同的扩频码，簇首之间的相互干扰可以忽略，即所有簇首可以同时向汇聚节点发送数据，则网络饱和吞吐量可表示为

其中，n表示网络中簇首的个数，E[P]表示单位时隙平均数据载荷；SlotT表示单位时隙长度。

式（8）表明：当E[P]和SlotT一定时，网络饱和吞吐量S随n的增加呈线性增加趋势，但由于需要sink对多个簇首发来的信号进行并行处理，因此n的增加会相应增加系统设计的复杂度。

2) 端到端时延（end-to-end delay）

网络端到端时延可以表示为

其中，trτ表示发送时延，prτ表示传播时延，σ表示处理时延。

出于节能目的，节点可能只在所分配时隙块的部分时隙内工作，而在其他时隙进行休眠，因此网络端对端时延是一个随机变量。为分析问题方便，这里只分析最小端到端时延。根据TC2-MAC二叉树时隙结构及时隙组功能划分规则可知，一次数据上报的系统服务时间为3个时隙，因此突发/超限数据的最小端到端时延小于2个时隙，普通数据的最小端到端时延小于3个时隙。

3.5 算法分析

1) 算法收敛性

对下面的分析过程做如下假设：①数据分组到达过程服从到达速率为λ的泊松分布；②每个数据分组的服务时间服从均值为1/μ的指数分布；③节点发送数据缓存队列的最大长度为K；④节点能够对感知数据和发送队列中的数据进行平衡处理，即能够对感知数据进行预处理（包括数据融合等），确保发送数据缓存器不会溢出。

根据上述假设条件，数据分组缓存队列可看作是M/M/1/K排队模型，队列长度可视为嵌入Markov链，其状态空间为E=｛0,1,2,…,K｝。其状态转移如图7所示。

图7 嵌入Markov链状态转移

根据协议的工作过程，在同一时刻只有一个数据分组进入缓存队列或被处理即离开队列，因此上述过程是一个生灭过程。下面求其稳态分布Pn,n∈E。

根据平衡原理可得到以下平衡方程：

根据np的概率分布特性，得

令ρλ μ=（ρ称为服务强度），则

P0表示节点处理完一个数据分组之后发送队列为空的概率，因此发送队列非空的概率可以表示为

当1β=时，节点的缓存队列中总有数据要发送，此时网络处于饱和状态。

2) 算法复杂度

算法复杂度分析有2个主要衡量标准：时间复杂度和空间复杂度，分别考察算法的时间效率和空间效率。目前，运算空间较为充足，所以一般情况下重点研究算法的时间复杂度。算法的语句频度T(n)即指所有语句重复执行的次数之和，它是算法求解规模n的函数。当n趋近于无穷大时，T(n)/f(n)的极限值为不等于零的常数，则称f(n)是T(n)的同数量级函数。记作T(n)=O(f(n))，称O(f(n))为算法的渐进时间复杂度，简称时间复杂度。

协议中时隙分配方式由重复率RRN决定，因此在分析算法时间复杂度时主要从该角度出发。由此可得到本协议中算法的时间复杂度(4)RRN ORRN× 。结合重复率取值范围[1,15]。其算法时间复杂度如图8所示。

图8 时间复杂度

表1 重复率、时隙数、时间复杂度关系

从表1可看出，时间复杂度中存在指数关系，随着重复率的增加，时隙数和时间复杂度变化幅度逐渐增大。重复率在[1,9]区间内，时隙数与时间复杂度均稳步增长。考虑到动态簇网络拓扑结构中，最优化簇首的个数约占总节点数的5%（实际簇首个数通常大于这个比例）[17]。因此，在9RRN=时，一个时帧中的时隙数（1 536）可以满足簇内节点的基本通信要求，同时时间复杂度也在可控范围内。当重复率超过9后，时隙数和时间复杂度增长迅速，这在一定程度上增加了网络负荷，降低了网络效率。因此，根据网络应用场景的需求，选择合适的重复率是算法复杂度以及网络运行的关键。同时，由于时隙块由组号、起始索引号和重复率数3个参数唯一确定，即节点只要获得这3个参数就可以确定工作时隙，这在一定程度上降低了算法的复杂度。

3.6 其他问题

1) 隐藏终端问题

当簇内节点采用CSMA/CA机制通信时，存在隐藏终端问题，即如果簇中有节点听不到发送节点的发送而可能向簇首发送数据分组，这会导致数据分组在簇首处冲突。解决隐藏终端的方法是引入RTS/CTS握手机制，其执行过程是：需要发送数据的节点在检测到信道空闲时首先向簇首发送RTS，当节点收到簇首回复的CTS时才开始发送数据。此外，为保证数据可靠性可采用ACK应答机制。

2) 暴露终端问题

簇首发送广播信息时，存在暴露终端问题，即簇首发送的广播消息可被簇外临近节点监听到，造成该临近节点检测到信道占用，无法向自身簇首发送信息。解决暴露终端的方法是采用如下的干扰避免机制。

3) 干扰避免机制

当不同的簇工作在相同的频率时，可能存在簇间干扰。有以下2种基本解决方法。

方法1：相邻簇使用不同的工作频率进行簇内通信，簇首向汇聚节点发送数据时使用另外一个频率，并通过CSMA/CA机制竞争接入。这种方法的优点是，汇聚节点节点的实现复杂度较低；不足之处是，随着簇首个数的增加簇首之间的通信冲突概率也会相应增加。

方法2：采用DSSS技术，使不同的簇工作在相同的频率上，但使用不同的扩频码。这种方法可以有效避免簇间节点之间及簇首之间的干扰，但系统实现较为复杂。

根据上述干扰避免机制，TC2-MAC可相应派生出2种形式，分别记为：TC2-MAC（CSMA/CA）和TC2-MAC（DSSS）。

4) 休眠策略

一般情况下，节点在所分配的A组时隙内发送周期性感知数据，在B组时隙内竞争发送突发/超限数据，因此节点可以在C组时隙和其他A组时隙关闭收发信机进入休眠状态；当电池能量降低到一定程度时，节点可以只工作在所分配的A组时隙，在其他时隙进入深度休眠状态；在极端情况下，节点可以只选择所分配时隙的部分时隙感知和发送数据，而在其他时隙内进入深度休眠状态。总之，要根据系统实际应用需求灵活选择休眠策略，以达到节约能量，延长网络使用寿命的目的。

此外，TC2-MAC可采用超帧格式，即每个通信时帧均以通信信标开始，如图9所示。通信信标由簇首发送，发送的时间间隔根据具体应用加以确定。这里将通信时帧结束时刻到下一个通信信标的开始时刻称为非活动期（inactive period）。簇首和节点可以在非活动期处于深度休眠状态，以达到节能的目的。

图9 TC2-MAC超帧工作方式（max9 RRN=）

5) 簇内多跳情况下时隙的使用及分配

当网络采用自举方式成簇时，簇首的位置可能不太理想，即有些节点可能远离簇首。如果这些节点（称为远端节点）采用单跳方式直接与簇首通信，则会迅速增加节点的通信能耗，并降低网络的能耗均衡性，严重时还会导致这些节点因能量耗尽过早失效，从而降低网络生命周期。在突发数据业务量较小的情况下，簇内一些节点可以使用TC2-MAC中的B组时隙作为中继时隙，将远端节点发来的数据转发至簇首，从而均衡网络能耗；簇首也可以使用B组时隙将数据发送至sink。由此可见，TC2-MAC能够支持更加灵活的网络分簇方式。

6) 对动态簇拓扑结构的适应性

有一些应用场合（如战场环境监测），网络中可能不便于部署专用的簇首节点，而是节点通过自举方式动态选举簇首，簇首选定以后通过广播簇首声明ADV发起成簇组网过程。当分簇的网络拓扑结构形成以后，簇首就可以为簇内节点分配时隙块，进入网络运行阶段。为均衡簇首能耗，簇首通常采用轮换机制工作[18]。

4 仿真分析

4.1 假设条件和仿真参数

为便于在相同的仿真条件下分析问题，在仿真过程中做了以下基本假设：簇内节点之间以及簇首之间均能侦听到对方的发送状态；不考虑节点的节能策略；不考虑数据融合机制，簇首对接收的数据分组只进行透明转发；所采用的干扰避免机制能够避免簇间通信干扰。

采用OPNET对协议的平均端对端时延和平均吞吐量等网络性能进行仿真分析，主要仿真参数如表2所示。

表2 主要仿真参数

考虑到TC2-MAC适用于分簇的网络拓扑结构，而分簇网络中主要采用基于时间调度的MAC机制，其中LEACH所采用的TDMA机制具有很好的代表性，且两者的网络拓扑结构是相似的。此外，LEACH采用了DSSS机制避免簇间干扰[18]，这一点与TC2-MAC（DSSS）类似。为便于区分，将LEACH所采用的TDMA协议记为LEACH-TDMA（DSSS），下面对2种协议的性能进行仿真分析。

4.2 仿真方法

将簇内节点数n从2增加到25，簇首个数ch从1增加到6，突发数据到达时间间隔2λ分别取不同的值（如表2所示），对TC2-MAC（DSSS）协议和LEACH-TDMA（DSSS）协议在相同的仿真场景下进行仿真，然后统计突发数据和周期性数据的平均端到端时延及平均网络吞吐量。

4.3 仿真结果

典型情况下的协议性能仿真结果分别如图10～图12所示。

通过上述仿真结果可得出以下结论。

1) TC2-MAC所采用的时隙分组和交叉时隙编排策略，不但能够保证周期性数据的可靠传输，还能够显著改善突发数据的传输实时性，因此能够为不同节点或不同类型业务的差异性QoS需求提供良好支持。

图10 协议性能随簇内节点数n的变化情况比较（ch=5,λ2=10）

图11 协议性能随簇首个数ch的变化情况比较（n=24,λ2=10）

2) 在时延特性方面，TC2-MAC（DSSS）对簇的数量、簇内节点数量及突发数据业务流量的变化均具有良好的适应性和平滑性，且时延特性明显优于LEACH-TDMA（DSSS）。

3) 在网络吞吐量特性方面，当突发数据流量不大的情况下两者性能基本相当，但当突发数据流量增大到一定程度时，TC2-MAC（DSSS）与LEACH-TDMA（DSSS）相比网络吞吐量性能有所下降。

图12 协议性能随突发数据到达时间间隔均值λ2的变化情况比较（ch=5,n=24）

理论分析和仿真结果表明：TC2-MAC（DSSS）所采用的时隙分组、时隙交叉编排以及基于二叉树结构的时隙块分配等策略，能够使协议对簇的数量、簇内节点数量及突发数据业务流量的变化均具有良好的自适应性。根据TC2-MAC（DSSS）的时帧结构，簇内节点利用A 组时隙发送周期数据，利用B 组时隙采用CSMA/CA机制竞争发送突发数据，簇首利用C 组时隙将缓存的突发数据和周期数据发送至汇聚节点（突发数据具有较高的发送优先级）。按照时隙的交叉编排规则，周期数据的最小平均传输时间小于3个时隙，而突发数据的最小平均传输时间小于2个时隙，在实际工作时，每个时隙都留有保护时间，因此在数据（包括突发数据和周期数据）业务负载不大的情况，周期数据和突发数据的实际平均端到端时延可能会分别小于2个时隙和1个时隙，图11的仿真结果就属于这种情况。簇内节点数和突发事件到达速率的增加，都会增加簇内突发数据的流量。然而，当簇内突发数据流量增加到一定程度时，簇首缓存数据队列长度的增加以及由突发数据发送冲突引起的退避和重传次数的增加，都会导致网络平均端到端时延的增加，但增加的幅度很小，这是由时隙的交叉编排机制决定的。特别地，当突发数据负载非常大时，节点在B组时隙没有成功发送的突发数据可以利用自身的A组时隙可靠传输，从而保证突发数据的传输实时性。这正是TC2-MAC（DSSS）的独特之处。综上，TC2-MAC（DSSS）对突发数据业务流量的变化具有良好的适应性和平滑性，图10和图12的仿真结果已经证明了这一点。此外，簇首（簇）个数的增加不会对时延特性造成明显影响，这是由簇间抗干扰机制决定的。在吞吐量特性方面，当簇内突发数据流量增大到一定程度时，与LEACH-TDMA（DSSS）相比TC2-MAC（DSSS）的网络吞吐量性能有所下降，这主要是由于突发数据的增加使其在B 组时隙的通信冲突概率相应增加所导致的。

5 结束语

针对WSN多种感知模式共存的应用需求及现有MAC协议的不足，提出了一种自适应混合MAC协议TC2-MAC。TC2-MAC采用了基于二叉树结构的时隙块分配策略和基于时隙约束的CSMA/CA竞争接入机制，能够通过灵活的休眠调度机制降低网络能量消耗并延长网络生命周期，能够提高WSN应用中周期性感知数据和突发/超限数据的传输实时性，改善传感器节点的信道接入公平性，并能够为典型应用情况下不同传感器节点的差异性QoS需求提供良好支持。

根据网络所采用的簇间干扰避免策略，TC2-MAC可派生出2种基本形式：TC2-MAC(DSSS)和TC2-MAC(CSMA/CA)。在整体网络性能方面，TC2-MAC(DSSS)优于TC2-MAC(CSMA/CA)，且二者均优于LEACH-TDMA(DSSS)，但在系统设计方面，基于DSSS的系统设计相对较为复杂。考虑到在实际应用中，簇首通常会采用数据融合机制减少冗余数据的转发；另一方面，还可以通过簇的优化降低簇首转发数据时的碰撞概率。因此，TC2-MAC(CSMA/CA)可作为系统性能与设计复杂度之间的一种折中方案。

此外，TC2-MAC的时隙宽度和时帧长度是可以根据实际应用中的数据业务负载灵活设计的，即可以通过调整时帧结构使其有效避免由于突发数据业务流量增加而导致的协议性能的下降。

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