競爭型MAC協(xié)議

1、MACMAC協(xié)議的分類協(xié)議的分類 基于單信道使用信道數目 基于雙信道 基于多信道 基于競爭的分配信道方式 基于預留的 混合的 網絡類型 同步 異步基于競爭的基于競爭的MACMAC協(xié)議協(xié)議基本思想基本思想l一般所有節(jié)點共享一個信道。l當無線節(jié)點需要發(fā)送數據時，主動搶占無線信道，當在其通信范圍內的其他無線節(jié)點需要發(fā)送數據時，也會發(fā)起對無線信道的搶占。l因此，需要依賴節(jié)點之間受控的競爭機制來建立通信連接?；诟偁幍幕诟偁幍腗ACMAC協(xié)議協(xié)議優(yōu)點優(yōu)點l可根據需要分配信道，所以能較好的滿足節(jié)點數量和網絡負載的變化。l能較好地適應網絡拓撲的變化。l不需要復雜的時間同步和控制調度算法。比如說：基于調度的

2、MAC協(xié)議必須保存并維持用來指示傳輸規(guī)則的調度方式或者時間表。而大多數基于競爭的協(xié)議則不需要保存，維持，或者共享狀態(tài)信息。這就使得基于競爭的協(xié)議能更快的適應于網絡拓撲和通信特征的變化。S-MACS-MAC基本簡介基本簡介簡介簡介lS-MAC（Sensor MAC）是一種基于 CSMA 隨機競爭方式的 MAC 協(xié)議，其沖突避免機制類似于IEEE802.11，并在此基礎上加以改進。目標目標l減少不必要的能量損耗l同時提供良好的擴展性（scalability）和碰撞避免機制S-MACS-MAC基本簡介基本簡介基本思想基本思想l當節(jié)點不需要發(fā)送數據時，盡可能地讓它處于功耗較低的睡眠狀態(tài)。S-MAC提出

3、了“適合于多跳無線傳感器網絡的競爭型MAC協(xié)議的節(jié)能方法”。l采用周期性睡眠和監(jiān)聽方法可減少空閑監(jiān)聽帶來的能量消耗。l當節(jié)點正在發(fā)送數據時，根據數據幀特殊字段讓每個與此通信無關的鄰居節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，以減少串擾帶來的能量消耗。l采用消息傳遞機制，減少控制數據帶來的能量損耗。S-MACS-MAC的關鍵技術的關鍵技術l周期性監(jiān)聽與睡眠l串音避免l多跳感知l自適應監(jiān)聽l消息傳遞周期性監(jiān)聽與睡眠周期性監(jiān)聽與睡眠由于空閑偵聽消耗大量的能量資源，S-MAC協(xié)議引入了占空比技術（duty-cycle approach），節(jié)點在監(jiān)聽狀態(tài)和睡眠狀態(tài)周期性的轉換。監(jiān)聽時間和整幀持續(xù)時間之比稱為占空比。圖1 周期性

4、監(jiān)聽和睡眠時間表在休眠期間，節(jié)點的無線收發(fā)機關閉以節(jié)省能量，即這些節(jié)點與網絡斷開。每個節(jié)點周期地在一段時間內偵聽信道，等待業(yè)務的到來，然后進入休眠直到下一激活期。周期性監(jiān)聽與睡眠周期性監(jiān)聽與睡眠每個節(jié)點可以選擇自己進行監(jiān)聽和睡眠的時間表，使用相同時間表的節(jié)點被認為屬于同一虛擬簇（不是真正的聚集在一起），所有節(jié)點都可以和它簇以外的節(jié)點自由通信。如下圖所示，監(jiān)聽階段又被分為兩部分，分別用于同步（SYNC）消息和數據（DATA）分組的發(fā)送和接收。構建虛擬簇可通過周期同步消息實現(xiàn)。圖2 S-MAC的監(jiān)聽和睡眠時間間隔周期性監(jiān)聽與睡眠周期性監(jiān)聽與睡眠節(jié)點通過SYNC消息周期性地交換它們的時間表。（每個節(jié)

5、點都知道其鄰居節(jié)點何時喚醒）。圖3 S-MAC同步包結構傳感器節(jié)點號下一個睡眠時間SYNC包括發(fā)送節(jié)點的身份認證和切換到睡眠狀態(tài)的剩余時間。周期性監(jiān)聽與睡眠周期性監(jiān)聽與睡眠為了選擇一個時間表，節(jié)點首先以一段確定的時間來監(jiān)聽（長度通常大于一個調度周期）。u 如果這個節(jié)點從鄰居節(jié)點處獲得了一個時間調度表，它就選擇這個時間調度表為自己的，即這個節(jié)點成為一個跟隨者（follower）。此外，節(jié)點在一個隨機時延td后廣播這個時間調度表，使得產生多個跟隨者發(fā)生碰撞的可能性最小。u 如果一個節(jié)點在它選擇了自己的調度時間表后又收到了鄰居節(jié)點的調度時間表，節(jié)點也可以采用多個時間表。此時有兩種情況：如果節(jié)點只有一

6、個鄰居節(jié)點，那么節(jié)點放棄自己當前的調度方式；如果節(jié)點還有其他鄰居節(jié)點，那么節(jié)點將遵循著兩個時間表，并且在兩個時間調度表的監(jiān)聽階段都會被喚醒。u 如果一個節(jié)點沒有從其他節(jié)點那監(jiān)聽到時間表，它可以自己決定自己的時間表，然后廣播這個時間表給它所有的潛在鄰居節(jié)點，這個節(jié)點就成為了一個同步節(jié)點（synchronizer）。（因為其他節(jié)點將根據它來同步自己的時間表）周期性監(jiān)聽與睡眠周期性監(jiān)聽與睡眠圖4 S-MAC協(xié)議的虛擬簇同步節(jié)點跟隨節(jié)點邊界節(jié)點在部署區(qū)域廣闊的傳感器網絡中，能夠形成眾多不同的虛擬簇，可使得S-MAC具有良好的擴展性。為了適應新加入的節(jié)點，每個節(jié)點都要定期廣播自己的調度。串音避免串音避免

7、l 調度表一旦建立，在監(jiān)聽時段的數據時隙執(zhí)行數據分組傳輸，同樣使用CSMA/CA機制l 也就是說，在數據時隙期間，有數據傳輸的節(jié)點使用RTS-CTS 機制競爭無線傳輸媒體l RTS-CTS交換后，傳輸節(jié)點開始傳輸分組，虛擬簇中的其他節(jié)點切換到睡眠狀態(tài)等待該周期結束l 這種機制避免了空閑偵聽期間的能量消耗，被稱為是串音避免多跳感知多跳感知l S-MAC協(xié)議的主要缺點是它僅僅控制網絡中局部節(jié)點間的交互，也就是維護單跳操作。l 無線傳感器網絡的多跳本質要求對為單跳無線局域網設計的CSMA/CA機制作改進。l 然而，傳統(tǒng)的分層體系結構多跳通信在網絡層處理。l MAC層處理多跳通信任務被稱為多跳感知（M

8、ulti-hop Awareness）。多跳感知多跳感知圖5 多跳相關問題多跳感知多跳感知多跳感知的理想解決方案需要很多前提：l 首先，整個網絡必須保持時間同步，這樣才能保證每個節(jié)點都能在精確的時間點被喚醒。l 其次，需獲知數據包的傳輸路由。l 此外，還可能會有其他數據報在網絡傳輸中發(fā)生信道競爭。自適應監(jiān)聽自適應監(jiān)聽l 為了解決多跳感知問題，S-MAC采取了一種自適應監(jiān)聽機制。l 自適應監(jiān)聽不承擔路由發(fā)現(xiàn)的任務，也不負責規(guī)劃數據包發(fā)送的路由，而是提供了一個盡力而為的解決方案。l 自適應監(jiān)聽允許監(jiān)聽傳輸的數據包，若傳輸結束，則這些節(jié)點會被喚醒，將他們選為下一跳。圖6 S-MAC自適應監(jiān)聽機制自適

9、應監(jiān)聽自適應監(jiān)聽l 自適應監(jiān)聽提供一個盡力而為的服務來減少基于占空比的MAC協(xié)議的時延。l 然而，這種方案可能并不總是降低時延。l 相反的，由于所有監(jiān)聽傳輸的鄰居節(jié)點進行自適應監(jiān)聽，可能增加功耗。消息傳遞消息傳遞S-MAC協(xié)議采用消息傳遞(message passing)機制，很好地支持長消息傳遞。該機制是將長消息分為若干短包，采用RTS/CTS握手機制集中連續(xù)發(fā)送全部短包，即可提高發(fā)送成功率，又可減少控制開銷。這種機制增加了其他節(jié)點的睡眠時間，但導致公平性問題。消息傳遞消息傳遞消息傳遞機制原理：長消息被分成幾個小的分組，一旦通過RTS/CTS握手協(xié)議獲得信道，則持續(xù)發(fā)送數據分組，即僅第一個數

10、據分組需要RTS/CTS。每個數據包都伴隨著一個來自匯聚節(jié)點的應答數據包。此外，發(fā)送節(jié)點和匯聚節(jié)點發(fā)出的數據包中包含突發(fā)數據包傳輸的剩余時間。這樣，其他節(jié)點就可以根據這個時間來決定是否訪問信道。圖7 S-MAC的消息傳遞機制S-MACS-MAC總結總結l 使用占空比技術，能量消耗更少。l 同步機制形成虛擬簇，基于簇的協(xié)議可以很容易的納入其中。l 假定網絡數據流量恒定，所以不能為突發(fā)流量提供靈活性，同時還可能增加通信時延。l 不適應于對時延敏感的實時數據傳感網和高密度高負載的網絡。T-MACT-MAC協(xié)議協(xié)議為了減少能耗，T-MAC 協(xié)議針對 S-MAC 協(xié)議進行了改進，在保持周期長度不變的基礎

11、上，根據通信流量動態(tài)的調整活動時間，以突發(fā)方式發(fā)送信息，減少空閑偵聽時間。如圖8所示，T-MAC 協(xié)議相對 S-MAC 協(xié)議減少了處于活動狀態(tài)的時間。圖8 S-MAC和T-MAC的基本機制載波檢測機制載波檢測機制為了減少空閑監(jiān)聽，提出了一種載波檢測機制，通過使節(jié)點的無線收發(fā)裝置有規(guī)律地處于“工作”、“待命”狀態(tài)，而不丟失發(fā)送給該節(jié)點的數據，以減少空閑偵聽的能量消耗。這種機制工作在物理層，它在每個無線數據包的前面附加了一個前導載波Preamble，這個前導載波 Preamble的主要作用是通知接收節(jié)點將有數據發(fā)送過來，使其調整為接收模式準備接收數據。載波檢測機制載波檢測機制圖9 低功耗前導載波周

12、期偵聽機制這種機制的主要思想是減少接收節(jié)點在空閑偵聽上的能耗，使接收節(jié)點能周期性地開啟無線收發(fā)裝置，偵聽是否有前導載波Preamble，從而決定是否要接收數據。如果接收節(jié)點在工作狀態(tài)檢測到前導載波 Preamble，它就會一直偵聽信道，直到數據被正確地接收；如果節(jié)點沒有檢測到前導載波，接收節(jié)點的無線裝置將被置于“待命”狀態(tài)，直到下一個前導載波檢測周期到來，如圖9所示。LPL LPL 協(xié)議協(xié)議這種有效的載波偵聽方法可以和任何一種基于競爭的MAC 協(xié)議相結合，將其與 ALOHA 協(xié)議結合，提出了前導字段偵聽 (Preamble sampling ) 協(xié)議；將其與CSMA協(xié)議結合，提出了低功耗偵聽

13、(Low power listening)協(xié)議。這兩種協(xié)議統(tǒng)稱為LPL 協(xié)議。LPL 協(xié)議通過周期性關閉無線裝置節(jié)省節(jié)點的能耗，對節(jié)點的存儲能力要求很低，并且不需要周期性的信息交換和維護鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息，節(jié)省了協(xié)議的控制開銷，具有良好的可擴展性，但減小了數據成功發(fā)送的概率。前導字段的長度與節(jié)點的無線模塊通斷時間有關。節(jié)點周期睡眠的時間越長，發(fā)送節(jié)點發(fā)送數據時前導字段的長度就越長。因此，隨著前導字段長度的增加，發(fā)送節(jié)點的能量消耗也隨之增加。WiseMACWiseMACl由于喚醒前導會隨著節(jié)點周期休眠時間的增加而變長，增加了發(fā)送節(jié)點的控制開銷，因此必須壓縮前導序列的長度。lWiseMAC 采用動

14、態(tài)調整前導長度方法減少控制開銷，其基本思想是通過在數據確認包中攜帶節(jié)點下次信道偵聽時間，節(jié)點獲得所有鄰居的信道偵聽時間。在發(fā)送數據時，可以將喚醒前導序列壓縮到最短。lWiseMAC 協(xié)議可以很好地適應網絡流量變化，它是針對WiseNET 設計的MAC 協(xié)議。但是由于節(jié)點需要存儲鄰居節(jié)點的信道偵聽時間，會占用寶貴的存儲空間，增加協(xié)議實現(xiàn)復雜度，尤其是在節(jié)點密度較高的網絡內這個問題尤為突出。B-MACB-MACl B-MAC 協(xié)議是加州大學伯克利分校開發(fā)的伯克利媒介訪問控制協(xié)議(Berkeley Media Access Control, B-MAC)，該協(xié)議是一個設計和實現(xiàn)簡單，且可配置的 MA

15、C 協(xié)議。l B-MAC 協(xié)議采用空閑信道評估CCA (Clear Channel Assess)技術進行信道監(jiān)測，采用低功耗偵聽LPL (Low Power Listening) 機制實現(xiàn)低功耗通信，采用退避算法減少碰撞，使得其性能遠高于S-MAC協(xié)議。l B-MAC 協(xié)議無需共享調度信息，可以有效縮短喚醒時間，因此，在吞吐量和延遲等方面優(yōu)于 S-MAC 協(xié)議，但在減少能耗方面并沒有太大優(yōu)勢，對 B-MAC 協(xié)議和S-MAC 協(xié)等協(xié)議進行比較后得出，B-MAC 協(xié)議更適合于延遲要求不高的應用，在延遲要求較高的情況下，S-MAC 等同步 MAC 協(xié)議更節(jié)能。X-MACX-MAC協(xié)議協(xié)議l X-

16、MAC 是一種基于異步競爭的 MAC 協(xié)議，是 LPL方法基礎上的一種改進，通過占空比周期性偵聽、頻閃前導、前導碼嵌入目的地址等技術，使得節(jié)點只需串聽一個頻閃前導就能快速進入休眠，發(fā)送延時和收發(fā)能量消耗都比較小。l 為了縮短前導長度，減少能耗，X-MAC 協(xié)議將前導序列分為若干個較小的頻閃前導(strobed preamble)，每個頻閃前導中都包含有目的地址，便于非接收節(jié)點盡早丟棄分組進入休眠。l 利用頻閃前導之間的時間間隔，接收節(jié)點可以向源節(jié)點發(fā)送早期確認，發(fā)送節(jié)點接收到早期確認后立刻發(fā)送數據分組，從而避免發(fā)送節(jié)點過度前導和接收節(jié)點過度偵聽。圖9比較了 B - M A C 、W i s e

17、 M A C 等一般擴展前導 M A C 協(xié)議和 X -MAC 協(xié)議的時序關系。l X-MAC 協(xié)議還設計了一種自適應算法，根據網絡流量變化動態(tài)調整占空比以減少單跳延遲。X-MACX-MAC協(xié)議協(xié)議圖10 LPL與X-MAC時序關系X-MACX-MAC工作過程工作過程圖11 X-MAC工作過程發(fā)送節(jié)點定時喚醒，如果有數據包要發(fā)送，就在信道上發(fā)送嵌入地址信息的短頻閃前導碼，等待目標節(jié)點的應答。如果目的節(jié)點在其喚醒時期時接到，就給發(fā)送節(jié)點返回 ACK 應答，表明已經喚醒可以開始數據交換。發(fā)送節(jié)點接收到此應答后開始數據傳輸。 非目的節(jié)點在喚醒時期接收到此前導碼則立即休眠以節(jié)省能量。X-MACX-MA

18、C的優(yōu)點的優(yōu)點l X-MAC 協(xié)議在能量效率、吞吐量和延遲等性能上優(yōu)于B-MAC 協(xié)議和WiseMAC 協(xié)議。l 與傳統(tǒng)的基于LPL 的 MAC協(xié)議相比，X-MAC 協(xié)議更易于被支持分組無線收發(fā)器的無線傳感器節(jié)點所實現(xiàn)。但是 X-MAC 協(xié)議對時間同步精度要求高于WiseMAC，分組長度、數據發(fā)送速率等協(xié)議參數還需進一步確定。田海濤等人在一種低功耗的無線傳感器網絡MAC 協(xié)議一文中，在采用低功耗偵聽機制基礎上，為了進一步節(jié)省能耗，結合了X-MAC 協(xié)議和WiseMAC 協(xié)議的優(yōu)點，提出了優(yōu)化低功率偵聽擴展前導序列機制XW-MAC 。XW-MAC協(xié)議中還增加了自適應機制，以適應不同的網絡流量。X-MACX-MAC的缺點的缺點l 首先，各個節(jié)點在有數據包要傳輸的時候，需要立即發(fā)送前導碼報文，如果不能及時被目標節(jié)點接收到，就會造成前導碼過長的情況。而且節(jié)點為了接收一個完整的短頻閃前導必須在每個調度周期的開始都喚醒一段足夠長的時間。l