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本文针对大范围数据采集的应用需求，提出了一种分群多跳的无线传感器网络协议框架DMCH(Directed Multihop Clustering Hierarchy)，并通过自主开发的无线传感器网络仿真平台，对该协议框架中的网络结构、组网过程及相关的媒体接入层和网络层协议进行了分析。DMCH通过预先均匀放置在网络探测区域内的功能较强的小基站，将网络划分为分布均匀的群，在每个群内又将节点分级，形成分群多级的结构。同时，采用小基站轮流作群首的策略，保证了网络能耗的均匀性。DMCH具有可扩展性强、能耗均匀、协议简单、成本低、连通性好等特点，适用于应用大范围数据采集的无线传感器网络。仿真结果表明针对不同的应用场景和节点硬件条件，通过调整网络结构、媒体接入层和网络层的各项参数，DMCH协议都可以正常地工作。