無線傳感器網(wǎng) MAC

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第三章、MAC協(xié)議內(nèi)容提要概述 競爭型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計 主要參考文獻內(nèi)容提要概述 競爭型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計 主要參考文獻無線傳感器網(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)！主要目標 主要完成目標： 在傳感器節(jié)點之間分配有限的信道頻譜資分配有限的信道頻譜資源源； 建立數(shù)據(jù)傳輸所需的基礎(chǔ)通信鏈路。研究熱點w能量效率s空閑監(jiān)聽s沖突 s控

2、制開銷 s串擾 w可擴展性 w公平性 w傳輸效率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！MAC協(xié)議分類u分類方式w分配信道的方式s競爭型 s分配型s混合型 w使用的信道數(shù)目s單信道s雙信道 s多信道 w網(wǎng)絡(luò)類型s同步網(wǎng)絡(luò) s異步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容提要概述 競爭型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計 主要參考文獻競爭型MAC協(xié)議基本思想:競爭方式使用信道，如遇沖突，重傳數(shù)據(jù)，直至成功/失。 ALOHA 純ALOHA直接向信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組，如遇沖突，對沖突數(shù)據(jù)隨機重發(fā)，直至成功。 時隙ALOHA將時間分成一系列固定長度的時隙，各節(jié)點只能在每個時隙開始時才能發(fā)送數(shù)據(jù)。競爭型M

3、AC協(xié)議。w發(fā)送時主動搶占發(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： 非堅持型節(jié)點一旦真聽到信道忙或發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)，就不再偵聽，延遲一段時間后，重新偵聽，若空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)。缺點：可能無法及時發(fā)現(xiàn)信道狀態(tài)的變化，影響信道利用率。 堅持型節(jié)點偵聽到信道忙時，仍堅持偵聽，直到空閑為止。競爭型MAC協(xié)議 CSMA/CD（帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議）節(jié)點偵聽到信道空閑時就發(fā)送數(shù)據(jù)，同時繼續(xù)偵聽下去，若偵聽到?jīng)_突，則立即放棄當前數(shù)據(jù)的發(fā)送。特點：檢測沖突要求節(jié)點必須能夠同時接受和發(fā)送無線信號。增加了節(jié)點成本。 CSMA/CA（沖突避免的載波

4、偵聽多路訪問協(xié)議）引用握手機制，發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送端先向接收端發(fā)送一個請求報文RTS，等待接收端回應(yīng)允許發(fā)送報文CTS后，再開始傳送。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)拓撲變化自適應(yīng)w算法較簡單u典型協(xié)議wSMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift非競爭型MAC協(xié)議 將共享信道根據(jù)時間、頻率或為噪聲碼劃分成一組子信道，并將這些子信道分配給各節(jié)點，使得每一個節(jié)點擁有一個專用的子信道，用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。以避免不同節(jié)點之間的數(shù)據(jù)沖突。設(shè)計目標 1、提高能量效率 2、提高可擴展性 3、提高適應(yīng)性 4、提高信道利用率 5、降低端到端傳輸延遲 6、提高吞吐量 7、保證公平性SMAC協(xié)議-前提

5、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周期性睡眠周期性睡眠和監(jiān)聽監(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帶內(nèi)信令來減少重傳和避免監(jiān)聽不必要的數(shù)據(jù)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)有睡眠睡眠和監(jiān)聽監(jiān)聽兩種狀態(tài)w節(jié)點之間協(xié)同節(jié)點之間協(xié)同，保持監(jiān)聽同步w同步調(diào)度同步調(diào)度，形成虛擬簇w全監(jiān)聽周期，保證鄰居發(fā)現(xiàn)監(jiān)聽周期，保證鄰居發(fā)現(xiàn)w降低功耗，增加延遲圖 3 1 周期性監(jiān)聽和睡眠SMAC協(xié)議-關(guān)鍵

6、技術(shù)2u自適應(yīng)監(jiān)聽 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串擾避免 w虛擬載波監(jiān)聽（控制信息）w信道忙時睡眠，避免接收串擾數(shù)據(jù)包SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3u消息傳遞 u消息相關(guān)數(shù)據(jù)單元的集合u可以是一個短的數(shù)據(jù)包，也可以是長傳數(shù)據(jù)包?？梢允且粋€短的數(shù)據(jù)包，也可以是長傳數(shù)據(jù)包。u問題一問題一若有幾位數(shù)據(jù)錯誤，導(dǎo)致重傳若有幾位數(shù)據(jù)錯誤，導(dǎo)致重傳u問題二問題二分割短數(shù)據(jù)包后，雖只重傳出錯包分割短數(shù)據(jù)包后，雖只重傳出錯包 ，但，但RTS/CTS會增會增

7、加數(shù)據(jù)延遲和控制開銷、差錯開銷。加數(shù)據(jù)延遲和控制開銷、差錯開銷。w將長的信息包分成若干個短的DATA段 w所有DATA使用一個RTSCTS控制分組占用信道 w每個DATA都有ACK保障傳輸成功SMAC協(xié)議-算法描述1uGSA算法 w減少網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)度方式，以減少邊界節(jié)點的能量損耗 w節(jié)點地址與存在時間結(jié)合w經(jīng)過同步， 形成全局調(diào)度方式 SMAC協(xié)議-算法描述2uFPA算法 w消除多跳延遲 w建立快速路徑w數(shù)據(jù)在快速路徑多跳傳輸圖 3 3 快速路徑調(diào)度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

8、則進入睡眠 圖 3 4 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 3 5 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 3 6 早睡問題TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3u早睡問題解決辦法 w未來請求發(fā)送（Future request-to-send, FRTS） 圖 3 7 FRTS幀交換TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4u早睡問題解決

9、辦法 w滿緩沖區(qū)優(yōu)先圖 3 8 接收RTS節(jié)點優(yōu)先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，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

10、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）WiseMAC協(xié)議-基本思想u基于CSMA機制，使用前導(dǎo)采樣前導(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對信道進行采樣對信道進行采樣 ，在短時間內(nèi)對無線信道進行監(jiān)聽在短時間內(nèi)對無線信道進行監(jiān)聽 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)聽采樣時監(jiān)聽到信道

11、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 3 11 同步前導(dǎo)采樣內(nèi)容提要概述 競爭型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計 主要參考文獻分配型MAC協(xié)議 時分多路接入（TDMA） 頻分多路接入（FDMA） 碼分多路接入（CDMA）分配型MAC協(xié)議 時分多路接入（TDMA）將共享信道劃分成一組固定的時隙，為每個節(jié)點分配

12、一個時隙，只允許各節(jié)點在自己的時隙中發(fā)送數(shù)據(jù)。限制：時間同步。分配型MAC協(xié)議 FDMA將共享信道的頻譜劃分成許多無重疊的子頻帶，并將子頻帶分配給各節(jié)點，各節(jié)點在任意時刻只能在所分配的頻率上發(fā)送。特點：實現(xiàn)簡單分配型MAC協(xié)議 CDMA 采用正交偽隨機碼劃分共享信道，所有節(jié)點可以在同一信道內(nèi)同時發(fā)送數(shù)據(jù)，但使用不同的偽隨機碼。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wDEANE、SMACS、TRAMA、DMAC、BMACDEANA協(xié)議

13、 時間幀被劃分為：調(diào)度訪問部分、隨機訪問部分 調(diào)度訪問部分調(diào)度訪問部分：控制時隙、數(shù)據(jù)時隙 控制時隙通知相鄰節(jié)點是否接收數(shù)據(jù)、此時相鄰節(jié)點都處于接收狀態(tài)； 數(shù)據(jù)時隙只有目的接受節(jié)點處于接收狀態(tài)、其余處于睡眠狀態(tài) 隨機訪問部分隨機訪問部分：發(fā)送、接受其他控制信息，進行 時間同步機制 隨機訪問期間所有節(jié)點處于發(fā)送/接受狀態(tài)SMACS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)鄰居發(fā)現(xiàn)鄰居后立即分配信道分配信道 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

14、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隙用于雙向通信在兩個節(jié)點的超幀中為該鏈路分配一對時隙用于雙向通信，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 3 17 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

15、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)

16、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 3 18 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 3 19 時隙分配TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1

17、uNP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。控制信息中攜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

18、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

19、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 3 23 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)

20、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，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 內(nèi)容提要概述 競爭型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計 主要參考文獻ZMAC協(xié)議-基本思想

21、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

22、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 內(nèi)容提要概述 競爭型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計 主要參考文獻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、

23、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 3 24 MINA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

24、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 3 25 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

25、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數(shù)據(jù)傳輸幀。每個數(shù)據(jù)幀包括個時隙，由MAC協(xié)議來負責分配w基站啟動后第一個超幀期間進行第一輪BI信息交互時，基站獲得了第一層節(jié)點的信息。第二個超幀期間重復(fù)上述步驟，第一層節(jié)點發(fā)送帶有跳數(shù)信息為1的BI信息。第二層的節(jié)點接收到該信息并將自己的跳數(shù)設(shè)置為2，第二層節(jié)點就形成了。超幀周期性的重復(fù)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)最大跳數(shù)為N，第N個超幀完畢后，整個網(wǎng)絡(luò)的自組織過程就完成了UNPF協(xié)議框架3uMAC協(xié)議DTROC w假設(shè)網(wǎng)絡(luò)總共有L層，節(jié)

26、點i位于l層，且lL wSi表示第l+1層中將節(jié)點i選擇為下一跳地址的節(jié)點的集合 w分配一個信道Ci給節(jié)點i的接收機，同時Si中每個節(jié)點都將發(fā)射機調(diào)整到這個信道 w主要解決兩個問題：在Si中共享信道Ci；分配信道時避免相互干擾 內(nèi)容提要概述 競爭型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計 主要參考文獻主要參考文獻1 Demirkol, I. Ersoy, C. Alagoz F. “MAC protocols for wireless sensor networks: a survey”, Communications Magazine, IEEE April 2006,

27、Volume: 44, Issue: 4, On page(s): 115- 1212 W. Ye, J. Heidemann and D. Estrin, “An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks,” in INFOCOM 2002, New York, Jun. 2002,pp.1567-1576.(SMAC)3 W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, “Medium Access Control With Coordinated Adaptive Sleeping for Wire

28、less Sensor Networks”, IEEE/ACM Transactions on Networking, Volume: 12, Issue: 3, Pages:493 - 506, June 2004.4 Yuan Li Wei Ye Heidemann, “Energy and latency control in low duty cycle MAC protocols”, Wireless Communications and Networking Conference, 2005 IEEE, Publication Date: 13-17 March 2005. Vol

29、ume: 2, Page(s): 676- 682 Vol. 25 T.V. Dam and K. Langendoen, “An Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”, The First ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (Sensys03), Los Angeles, CA, USA, November, 2003.6 Zheng T,Radhakrishnan S,Sarangan V. PMAC:an adaptiv

30、e energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networksA.Proceedings of the 19th IEEE International Parallel and Distributed Processing SymposiumC.Piscataway,USA:IEEE,2005.237.7 EI-Hoiydi A, Decotignie J D. WiseMAC: An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sen

31、sor Networks A.Proceedings of 9th International Symposium on Computers and Communications, Vol 1 C.8 C. C. Enz, A. El-Hoiydi, J-D. Decotignie, V. Peiris, “WiseNET: An Ultralow-Power Wireless Sensor Network Solution”, IEEE Computer, Volume: 37, Issue: 8, August 2004.9 K. Jamieson, H. Balakrishnan, an

32、d Y. C. Tay, “Sift: A MAC Protocol for Event-Driven Wireless Sensor Networks,” MIT Laboratory for Computer Science, Tech. Rep. 894, May 2003,/publications/pubs/pdf/MIT-LCS-TR-894.pdf. 主要參考文獻10 Sohrabi K Ailawadhi V Ailawadhi V, “Protocols for self-organization of a wireless sens

33、or network”,IEEE Personal Comm Mag, 2000/7/5 P 16-27.11 V. Rajendran, K. Obraczka, J.J. Garcia-Luna-Aceves, “Energy-Efficient, Collision-Free Medium Access Control for Wireless Sensor Networks”, Proc. ACM SenSys 03, Pages:181 - 192, Los Angeles, California, 5-7 November 2003.12 L. Bao and J. Garcia-Luna-Aceves. Hybrid channel access scheduling in ad hoc networks. Proc. IEEE Tenth International Conference on Netw