新一代移動通信技術(shù)4-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議 內(nèi)容提要概述 背景知識協(xié)議設(shè)計的重點各種MAC協(xié)議結(jié)論和開放的問題 內(nèi)容提要概述 背景知識協(xié)議設(shè)計的重點各種MAC協(xié)議結(jié)論和開放的問題 概述首先無線感器網(wǎng)絡(luò)與我們的日常的網(wǎng)絡(luò)是有很大區(qū)別的，最關(guān)鍵的體現(xiàn)在于傳感器本身依賴于電池，而不是固定的電源，這就決定了節(jié)約能量開銷，延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命成為了無線傳感網(wǎng)絡(luò)所關(guān)心的最主要的問題。另外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其他的無線網(wǎng)絡(luò)的一個很大的特性就是所有傳感器都是對等的，擁有共同的任務(wù)，因而公平性往往不是傳感器網(wǎng)絡(luò)所要考慮的問題。那么基于以上這些思想，人們提出了各種不同的MAC層的協(xié)議。下面，我們就來關(guān)注這些協(xié)議。內(nèi)容提要概述 背景

2、知識協(xié)議設(shè)計的重點各種MAC協(xié)議結(jié)論和開放的問題 背景知識u科普w能量損失的原因s沖突soverhearings控制報文的開銷s空閑偵聽sovermittingw傳輸?shù)姆绞絪broadcastslocal gossipsconvergecast無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議u網(wǎng)絡(luò)特征w傳感器節(jié)點能量受限w傳感器節(jié)點失效概率大 w傳感器節(jié)點計算處理能力有限w通信帶寬有限w以數(shù)據(jù)為中心 w高密度、大規(guī)模隨機分布 對MAC協(xié)議的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)！內(nèi)容提要概述 背景知識協(xié)議設(shè)計的重點各種MAC協(xié)議結(jié)論和開放性的問題 協(xié)議設(shè)計的重點w能量效率s空閑監(jiān)聽s沖突 s控制開銷 s串?dāng)_ w可擴展性 和適應(yīng)性w網(wǎng)絡(luò)效

3、率 w算法復(fù)雜度 w與其它層協(xié)議的協(xié)同 目前普遍認為重要性依次遞減！內(nèi)容提要概述 背景知識協(xié)議設(shè)計的重點各種MAC協(xié)議結(jié)論和開放性的問題 競爭型MAC協(xié)議u基本思想w發(fā)送時主動搶占，CSMA方式（載波偵聽多路訪問）CSMA/CA主要使用兩種方法來避免碰撞： 送出資料前，偵聽媒體狀態(tài)，等沒有人使用媒體，維持一段時間后，再等待一段隨機的時間后依然沒有人使用，才送出資料。由于每個裝置采用的隨機時間不同，所以可以減少碰撞的機會。 送出資料前，先送一段小小的請求傳送封包（RTS : Request to Send）給目標端，等待目標端回應(yīng)封包后，才開始傳送w按需分配u優(yōu)點w網(wǎng)絡(luò)流量和規(guī)模變化自適應(yīng)w網(wǎng)絡(luò)

4、拓撲變化自適應(yīng)w算法較簡單u典型協(xié)議wSMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、SiftSMAC協(xié)議-前提條件和基本思想u前提條件u數(shù)據(jù)量少，可進行數(shù)據(jù)的處理和融合u節(jié)點協(xié)作完成共同的任務(wù)u網(wǎng)絡(luò)可以容忍一定程度的通信延遲u基本思想u周期性睡眠和監(jiān)聽 ；協(xié)商一致的睡眠調(diào)度機制（虛擬簇）u自適應(yīng)的偵聽機制，減少信息的傳輸延遲u消息分割和突發(fā)傳遞機制來減少控制信息的開銷和消息的傳遞延遲SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u周期性睡眠和監(jiān)聽 w一個周期內(nèi)有睡眠和監(jiān)聽兩種狀態(tài)w節(jié)點之間協(xié)同，保持監(jiān)聽同步w同步調(diào)度，形成虛擬簇w降低功耗，增加延遲圖 1-1 周期性監(jiān)聽和睡眠SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2，3u自適應(yīng)監(jiān)聽

5、 在一次通信過程中，通信節(jié)點的鄰居在此次通信結(jié)束后喚醒并保持監(jiān)聽一段時間。如果節(jié)點在這段時間接收到RTS幀，則可以立即接收數(shù)據(jù)，而不需要等到下一個監(jiān)聽周期，從而減少了兩個節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸延遲。u消息傳遞 w將長的信息包分成若干個短的DATA段 w突發(fā)式傳輸SMAC協(xié)議的優(yōu)缺點u優(yōu)點 通過睡眠機制減少了空閑偵聽的能量損耗，實現(xiàn)簡單，交換交換時間表減少了同步所需要的開銷。u缺點 廣播數(shù)據(jù)包并沒有使用RTS-CTS，這樣就增大的沖突碰撞的可能性，自適應(yīng)可能會導(dǎo)致空閑偵聽和竊聽（overhearing），睡眠和監(jiān)聽的周期是預(yù)先定義的，并且固定的，這樣在復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)負載條件下，這種策略的效率會大大降低

6、。TMAC協(xié)議-基本思想uSMAC協(xié)議調(diào)度占空比固定，不能很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化 u動態(tài)調(diào)整調(diào)度周期中的活躍時間長度 u在TA時間內(nèi)沒有發(fā)生激活事件則進入睡眠 圖 1 2 TMAC基本機制TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u周期性監(jiān)聽同步 w延用SMAC協(xié)議思想，周期性廣播SYNC幀w固定周期調(diào)度后全監(jiān)聽周期，發(fā)現(xiàn)鄰居uRTS操作和TA的選擇w發(fā)送RTS未收到CTS，應(yīng)再發(fā)送一次wTA 競爭信道時間 +RTS發(fā)送時間 +CTS準備時間 圖 1 3 TMAC基本數(shù)據(jù)交換TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u早睡問題 w節(jié)點在鄰居準備向其發(fā)送數(shù)據(jù)時進入了睡眠狀態(tài) 圖 1 4 早睡問題TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3u早睡問題

7、解決辦法 w未來請求發(fā)送（Future request-to-send, FRTS） 圖 1 5 FRTS幀交換TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4u早睡問題解決辦法 w滿緩沖區(qū)優(yōu)先圖 1- 6接收RTS節(jié)點優(yōu)先PMAC協(xié)議-基本思想uSMAC調(diào)度占空比固定，TMAC早睡問題u引入模式信息，節(jié)點能夠通過模式信息提前獲知鄰居的下一步活動，調(diào)度都根據(jù)模式信息來進行 圖 1 7空閑監(jiān)聽周期長度比較PMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u模式的生成w由一個二進制位串組成 w每一位表示節(jié)點在當(dāng)前時隙應(yīng)處于何種狀態(tài)，1為監(jiān)聽，0為睡眠w形式：0m1，m=0,1,N-1，m代表串中0的個數(shù) w每個節(jié)點啟動時的模式串為1，表示流量很大

8、w節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量更新模式在第一個時隙內(nèi)無數(shù)據(jù)發(fā)送：更新模式為 01在第二個模式中監(jiān)聽時隙內(nèi)仍無數(shù)據(jù)發(fā)送：更新模式為 001；依此類推PMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u模式的交換w在當(dāng)前周期結(jié)束時將進行廣播來交換模式信息w引入超幀STF ,分為兩個子幀 PRTF和PETFw模式重復(fù)時間幀PRTF，節(jié)點重復(fù)自己的模式 w模式交換時間幀，鄰居之間進行模式信息交換 圖 1 8 時間幀劃分WiseMAC協(xié)議-基本思想u基于CSMA機制，使用前導(dǎo)采樣技術(shù)u通過本地同步的廣播獲得最小的前導(dǎo)長度 u隨機的前導(dǎo)長度保證沖突避免 WiseMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u前導(dǎo)采樣 w對信道進行采樣 ，在短時間內(nèi)對無線信道進行監(jiān)聽

9、 w所有節(jié)點都保持相同的采樣時間Tww采樣時監(jiān)聽到信道忙，節(jié)點會繼續(xù)監(jiān)聽，直到接收到數(shù)據(jù)或者信道空閑 w數(shù)據(jù)包發(fā)送之前都要發(fā)送一個喚醒前導(dǎo)序列，該序列的長度和采樣周期的長度相等，保證在數(shù)據(jù)部分到達時節(jié)點處于監(jiān)聽狀態(tài) WiseMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u前導(dǎo)長度最小化 w根據(jù)鄰居節(jié)點的采樣時間偏移量，選擇最小長度的喚醒前導(dǎo) 圖 1 9 同步前導(dǎo)采樣Sift協(xié)議-基本思想1u適用于事件驅(qū)動型傳感器網(wǎng)絡(luò)u出發(fā)點w空間和時間相關(guān)性w并非每個節(jié)點都要報告事件w時變性u設(shè)計目的wN個節(jié)點同時監(jiān)測到一個事件，希望在最短時間內(nèi)有R個節(jié)點(R=N)無沖突發(fā)送事件消息Sift協(xié)議-基本思想2u常規(guī)窗口競爭協(xié)議w在1，

10、CW時間長度窗口內(nèi)，等概率選擇發(fā)送時槽w沖突時就倍增時間窗口大小CW，等概率選取發(fā)送時間uSift協(xié)議w固定長度的競爭窗口 w不等概率選擇時槽，在不同時槽采用不同的選擇概率Sift協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)u假設(shè)目前參與競爭的節(jié)點數(shù) N，競爭時間窗口1，CW中的時隙。如果第一個時隙沒有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點減小競爭節(jié)點數(shù)假設(shè)值，增加在第二個時隙中的傳輸概率，這一過程中每個時隙中都重復(fù)執(zhí)行。 u當(dāng)信道空閑時，節(jié)點根據(jù)概率分布在傳輸之前退避隨機長度。 u假設(shè)每個節(jié)點選擇時隙r1，CW發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為Pr。 Pr的概率分布如下： （r = 1,CW）分配型MAC協(xié)議u基本思想w將一個物理信道分為多個子信道 w將子信道

11、靜態(tài)或動態(tài)地分配給需要通信的節(jié)點，避免沖突 w根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信流量最大限度地節(jié)省能量 u優(yōu)點w無沖突 w無隱藏終端問題w易于休眠u典型協(xié)議wSMACS、TRAMA、DMAC、BMACSMACS協(xié)議-基本思想1u結(jié)合TDMA、FDMA的基本思想 u假設(shè)每個節(jié)點都能在多個載波頻點上進行切換 u將每個雙向信道定義為兩個時間段 u發(fā)現(xiàn)鄰居后立即分配信道 u每個鏈路都分配一個隨機選擇的頻點，相鄰鏈路都有不同的工作頻點 SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u鏈路建立 w引入超幀的概念，用固定參數(shù)Tframe表示 w在上電后先進行鄰居發(fā)現(xiàn)，每發(fā)現(xiàn)一個鄰居就有一對節(jié)點形成一個雙向信道 w在兩個節(jié)點的超幀中為該鏈路分配一對時

12、隙用于雙向通信，這種不同步的時隙分配稱為異步分配通信 w每對時隙都會選擇一個隨機的頻點，減少鄰近鏈路沖突 的可能 SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u鏈路建立w節(jié)點A和D分別在Td和Ta時刻開始進行鄰居發(fā)現(xiàn) w節(jié)點B和C分別在Tb和Tc時刻開始進行鄰居發(fā)現(xiàn) w兩個時隙分配不同的頻點 fx和fy圖 1 10 異步分配通信 SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3u鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配 w假設(shè)節(jié)點B，C，G進行鄰居發(fā)現(xiàn)。節(jié)點在隨機的時間段內(nèi)打開射頻部分，在一個固定的頻點監(jiān)聽一個隨機長度的時間。節(jié)點C在監(jiān)聽結(jié)束后廣播一個邀請消息Type1 w節(jié)點B和G接收到C發(fā)出的Type1消息后，等待一個隨機的時間，然后各自廣播一個應(yīng)答

13、消息Type2 wC將接收到B和G發(fā)來的邀請應(yīng)答 ，可以選擇最早到達的應(yīng)答者，也可以選擇接收信號強度最大的應(yīng)答者。在選擇了應(yīng)答者后C將立即發(fā)送一個Type3 給最早到達的B ，Type3消息中攜帶分配信息，該信息包含節(jié)點C的下一個超幀的起始時間 w節(jié)點B根據(jù)Type3得到一個時間偏移，并找出兩個共同的空閑時間段做為時隙對，分配給B和C之間的鏈路。 SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4u鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配 w節(jié)點B選擇一個隨機的頻點，將時隙對在超幀中的位置信息以及選擇的頻點通過Type4發(fā)送給節(jié)點C。這些信息成功交換之后，B和C之間就完成了時隙分配和頻率選擇，可以切換到對應(yīng)的時隙和頻率進行通信。圖 1 1

14、1 鄰居發(fā)現(xiàn)TRAMA協(xié)議-基本思想u將一個物理信道分成多個時隙，通過對這些時隙的復(fù)用為數(shù)據(jù)和控制信息提供信道 u每個時間幀分為隨機接入和分配接入兩部分，隨機接入時隙也稱為信令時隙，分配接入時隙也稱為傳輸時隙 u節(jié)點交換兩跳內(nèi)鄰居信息和分配信息u采用流量自適應(yīng)的分布式選舉算法選擇在每個時隙上的發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點 圖 1 12 時隙分配TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1uNP協(xié)議 w節(jié)點啟動后處于隨機接入時隙，此時節(jié)點為接收狀態(tài) w通過在隨機接入時隙中交換控制信息，NP協(xié)議實現(xiàn)鄰居信息的交互?？刂菩畔⒅袛y帶了增加的鄰居的更新，如果沒有更新，控制信息作為通知鄰居自己存在的信標 w節(jié)點之間的時鐘同步信息也是

15、在隨機接入時隙中發(fā)送 w每個節(jié)點發(fā)送關(guān)于自己下一跳鄰居的增加更新，可以用來保持鄰居之間的連通性。如果節(jié)點在一段時間內(nèi)都沒有再收到某個鄰居的信標，則該鄰居失效。 TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u調(diào)度交換協(xié)議 w建立和維護發(fā)送者和接收者選擇時需要的調(diào)度信息 ，包括調(diào)度信息生成和調(diào)度信息交換與維護 w根據(jù)高層應(yīng)用產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率計算出一個調(diào)度間隔，確定可分配的時隙數(shù)，生成調(diào)度信息w節(jié)點通過調(diào)度分組廣播廣播調(diào)度信息 w節(jié)點根據(jù)接收到的廣播維護下一跳鄰居的分配信息 uAEA算法w確定節(jié)點當(dāng)前時隙應(yīng)處于發(fā)送、接收還是睡眠狀態(tài)DMAC協(xié)議-基本思想u適合于節(jié)點采集數(shù)據(jù)后，向一個sink節(jié)點匯聚的單向樹狀模式 u采

16、用預(yù)先分配的方法來避免睡眠延遲 u引入了一種交錯的監(jiān)聽睡眠調(diào)度機制，保證數(shù)據(jù)在多跳路徑上的連續(xù)傳輸 DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u交錯喚醒機制 w假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點保持靜止，且每個路由節(jié)點有足夠的存活時間，可以在較長時間內(nèi)保持網(wǎng)絡(luò)路徑不發(fā)生變化w假設(shè)數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點向唯一的sink單向傳輸w假設(shè)各個節(jié)點之間保持時鐘同步 DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u交錯喚醒機制 w在一個多跳傳輸路徑上，各個節(jié)點交錯喚醒，如同鏈鎖一樣環(huán)環(huán)相扣，保證數(shù)據(jù)在樹狀結(jié)構(gòu)上能持續(xù)傳輸，不被睡眠所中斷w每個間隔分為接收、發(fā)送和睡眠三個周期。 圖 1 13 DMAC協(xié)議基本機制DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4u自適應(yīng)占空比機制 w如果節(jié)點在一

17、個發(fā)送周期內(nèi)有多個數(shù)據(jù)包要發(fā)送，就需要該節(jié)點和樹狀路徑上的上層節(jié)點一起加大發(fā)送周期占空比 w通過在MAC層數(shù)據(jù)幀的幀頭加入一個標記(more data flag)，以較小的控制開銷發(fā)送占空比更新請求。在ACK幀中加入同樣的標記位DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)5u數(shù)據(jù)預(yù)測機制 w在數(shù)據(jù)采集樹中，越靠近上層的節(jié)點，匯聚的數(shù)據(jù)越多，對樹的底層節(jié)點適合的占空比不一定適合中間節(jié)點 w如果一個節(jié)點在接收狀態(tài)下接收到一個數(shù)據(jù)包，該節(jié)點預(yù)測子節(jié)點仍有數(shù)據(jù)等待發(fā)送。在發(fā)送周期結(jié)束后再等待3u個周期，節(jié)點重新切換到接收狀態(tài)DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)6uMTS幀機制 w必要性：雖然自適應(yīng)占空比機制和數(shù)據(jù)預(yù)測機制考慮了沖突避免，

18、數(shù)據(jù)采集樹中不同分枝節(jié)點仍有沖突的可能 wMTS幀只包含目的地址和MTS標志位。標志位為1時稱為MTS請求，標志位為0時稱為MTS清除w發(fā)送或接收到MTS請求的節(jié)點每隔3u個周期就喚醒一次，只有MTS請求已經(jīng)被清除時，節(jié)點才回到原來的占空比方式 ZMAC協(xié)議-基本思想u采用CSMA機制作為基本方法 u競爭加劇時使用TDMA機制u引入時間幀，為節(jié)點分配時隙 u節(jié)點可以選擇任何時隙發(fā)送數(shù)據(jù) u在分配的時隙發(fā)送優(yōu)先級更高ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u鄰居發(fā)現(xiàn)w周期性發(fā)送PING消息 w包含本地發(fā)現(xiàn)的所有一跳范圍內(nèi)的鄰居u時隙分配wDRAND算法ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u本地時間幀交換w節(jié)點維持一個本地的

19、時間幀長度 w幀長度與兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)相對應(yīng) w實現(xiàn)時隙的同步需要運行時鐘同步算法 ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3u傳輸控制 w低沖突級別(LCL)和高沖突級別(HCL)兩種工作模式w時隙擁有者，短時間監(jiān)聽，優(yōu)先發(fā)送 w非時隙擁有者LCL模式，退避較長時間再監(jiān)聽w非時隙擁有者HCL模式，等待下個時隙ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4u局部同步w完全失去時鐘同步時，退化為CSMA協(xié)議w維護臨近的發(fā)送節(jié)點之間的時間同步 w周期性的發(fā)送時間同步包 w根據(jù)時間同步包修正時間偏差 MAC層的跨層設(shè)計u基本思想w為了提高能量效率，能量管理機制、低功耗設(shè)計等在各層設(shè)計中都有所體現(xiàn) w傳統(tǒng)方法中各層的設(shè)計相互獨立，因此各層

20、的優(yōu)化設(shè)計并不能保證整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計最優(yōu) w實現(xiàn)邏輯上并不相鄰的協(xié)議層次間的設(shè)計互動與性能平衡u典型協(xié)議wMINAMINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)1u節(jié)點分成三種類型w大量靜止的低容量(內(nèi)存、CPU、能量)傳感器節(jié)點w少量手持移動節(jié)點(PDA)w靜止的大容量基站節(jié)點u每個傳感器節(jié)點都帶有一個半雙工或全雙工的射頻收發(fā)器，節(jié)點之間都能進行雙向通信u每個節(jié)點都有一個唯一的網(wǎng)絡(luò)地址 u一個傳感器節(jié)點的簇定義為在該節(jié)點廣播傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點的集合 u基站是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到有線網(wǎng)絡(luò)中去，基站節(jié)點必須具有超長的傳輸距離，通過一個廣播可將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)2圖 1 14 MI

21、NA架構(gòu)組網(wǎng)示例MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3u流量類型主要為傳感器節(jié)點到基站的上行鏈路u網(wǎng)絡(luò)幀類型有三種w控制幀w信標幀w數(shù)據(jù)幀u分層架構(gòu) w距離基站跳數(shù)相同的節(jié)點組成一層 w每個節(jié)點的鄰居也可以分為三類：內(nèi)部鄰居、同等鄰居、外部鄰居。距離基站跳數(shù)比本地更小的鄰居為內(nèi)部鄰居，跳數(shù)相同的鄰居為同等鄰居，跳數(shù)更大的鄰居為外部鄰居 UNPF協(xié)議框架1u網(wǎng)絡(luò)主要工作在兩個交替的狀態(tài)w網(wǎng)絡(luò)自組織狀態(tài)，在此期間節(jié)點發(fā)現(xiàn)鄰居 w數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，在此期間節(jié)點進行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，需要路由協(xié)議來確定目的地址，MAC協(xié)議來完成信道訪問uMAC協(xié)議超幀圖 1 15 MAC協(xié)議幀結(jié)構(gòu)UNPF協(xié)議框架2u網(wǎng)絡(luò)自組織 w在每個超幀的起始階段，基站廣播一個控制幀CR (Control Packet)。CR包括傳感器節(jié)點同步需要的時間信息，以及傳感器節(jié)點在信標幀BI(Beacon Packet)內(nèi)傳輸各自的信標信息的序號wBI緊跟在CR后，每個節(jié)點根據(jù)CR中的順序發(fā)送BI，幀格式如圖 3 25示。BI包含了節(jié)點的能量狀態(tài)、距離基站的跳數(shù)、節(jié)點的接收信道信息w在信標幀后緊跟著就是