第3章MAC協(xié)議

1、無線傳感器網(wǎng)絡技術無線傳感器網(wǎng)絡技術講義講義第三章、MAC協(xié)議2013年3月7日內(nèi)容提要1.概述 2.競爭型MAC協(xié)議 3.分配型MAC協(xié)議4.混合型MAC協(xié)議5.MAC的跨層設計 6.主要參考文獻 在無線傳感器網(wǎng)絡中，介質訪問控制(Medium Access Control)協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構建傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的底層基礎結構。 傳感器網(wǎng)絡的強大功能由眾多節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)。多點通信在局部范圍需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)其間的無線信道分配，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)需要路由協(xié)議選擇通信路徑。無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議 網(wǎng)絡特征：傳感器節(jié)點能量受

2、限傳感器節(jié)點失效概率大 傳感器節(jié)點計算處理能力有限通信帶寬有限以數(shù)據(jù)為中心 高密度、大規(guī)模隨機分布 對MAC協(xié)議的設計提出了新的挑戰(zhàn)！WSN MAC協(xié)議的考慮因素能量效率可擴展性 網(wǎng)絡效率公平性、實時性、網(wǎng)絡吞吐量、帶寬利用率 算法復雜度 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層的能量浪費因素以及節(jié)能策略能量浪費因素：u空閑偵聽（忙閑）u碰撞重傳（隨機競爭）u控制消息（太多） u串擾(overhearing)節(jié)能策略：u盡量讓傳感器節(jié)點處于睡眠狀態(tài)u減少碰撞u減少控制消息的開銷 u減少接收到不需要接收的數(shù)據(jù)分組WSN MAC協(xié)議分類分配信道的方式u競爭型 u分配型u混合型 使用

3、的信道數(shù)目u單信道u多信道 控制方式u集中式 u分布式競爭型MAC協(xié)議基本思想u發(fā)送時主動搶占，CSMA方式u按需使用信道優(yōu)點u網(wǎng)絡流量和規(guī)模變化自適應u網(wǎng)絡拓撲變化自適應u算法較簡單典型協(xié)議uSMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift競爭型MAC協(xié)議 典型的基于競爭的隨機訪問MAC協(xié)議是載波偵聽多路訪問 (carrier sense multiple access, CSMA) 無線局域網(wǎng)將 CSMA 增加一個碰撞避免(Collision Avoidance)功能。 IEEE802.11 MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)(distributed coordination function,

4、 DCF)工作模式采用CSMA/CA 協(xié)議，還增加使用確認機制。 研究者在 802.11 的 MAC協(xié)議基礎上提出了多個用于傳感器網(wǎng)絡的基于競爭的MAC協(xié)議。 802.11 的 MAC 層 MAC 層無爭用服務爭用服務分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function)物理層2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54

5、Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11MAC 層通過協(xié)調(diào)功能來確定在基本服務集 BSS 中的移動站在什么時間能發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。 DCF 子層在每一個結點使用 CSMA 機制的分布式接入算法，讓各個站通過爭用信道來獲取發(fā)送權。因此 DCF 向上提供爭用服務。 MAC 層無爭用服務爭用服務分布協(xié)調(diào)功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)點協(xié)調(diào)功能 PCF(Point Coordination Function)物理層2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2

6、.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11802.11 MAC協(xié)議 DCF工作方式的主要機制 CSMA/CA 隨機退避時間 主動確認機制（ACK幀） 預留機制（RTS/CTS幀的NAV向量）A 的作用范圍B 的作用范圍2. 對信道進行預約 802.11 允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進行預約。 ACBDERTSRTS源站 A 在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先發(fā)送一個短的控制幀，叫做請求發(fā)送 RTS (Re

7、quest To Send)，它包括源地址、目的地址和這次通信（包括相應的確認幀）所需的持續(xù)時間。 A 的作用范圍B 的作用范圍2. 對信道進行預約 802.11 允許要發(fā)送數(shù)據(jù)的站對信道進行預約。 CTSACBDECTS若媒體空閑，則目的站 B 就發(fā)送一個響應控制幀，叫做允許發(fā)送 CTS (Clear To Send)，它包括這次通信所需的持續(xù)時間（從 RTS 幀中將此持續(xù)時間復制到 CTS 幀中）。 A 收到 CTS 幀后就可發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。 虛擬載波監(jiān)聽 虛擬載波監(jiān)聽(Virtual Carrier Sense)的機制是讓源站將它要占用信道的時間（包括目的站發(fā)回確認幀所需的時間）通知給所有

8、其他站，以便使其他所有站在這一段時間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。 這樣就大大減少了碰撞的機會。 “虛擬載波監(jiān)聽”是表示其他站并沒有監(jiān)聽信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不發(fā)送數(shù)據(jù)。 這種效果好像是其他站都監(jiān)聽了信道。 所謂“源站的通知”就是源站在其 MAC 幀首部中的第二個字段“持續(xù)時間”中填入了在本幀結束后還要占用信道多少時間（以微秒為單位），包括目的站發(fā)送確認幀所需的時間。網(wǎng)絡分配向量 當一個站檢測到正在信道中傳送的 MAC 幀首部的“持續(xù)時間”字段時，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。 NAV 指出了必須經(jīng)過多少時間才能完成數(shù)據(jù)幀的這次

9、傳輸，才能使信道轉入到空閑狀態(tài)。 爭用窗口 信道從忙態(tài)變?yōu)榭臻e時，任何一個站要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，不僅都必須等待一個 DIFS 的間隔，而且還要進入爭用窗口，并計算隨機退避時間以便再次重新試圖接入到信道。 在信道從忙態(tài)轉為空閑時，各站就要執(zhí)行退避算法。這樣做就減少了發(fā)生碰撞的概率。 802.11 使用二進制指數(shù)退避算法。 802.11 MAC協(xié)議總結DCF模式采用CSMA/CA方式-隨機退避時間通過RTS/CTS解決隱終端和進行預留通過預留機制和主動確認機制來提高性能不適應WSN：u假設網(wǎng)絡流量的產(chǎn)生是完全隨機的；節(jié)點是公平的；而在WSN中一般認為網(wǎng)絡流量具有很大的相關性，網(wǎng)絡流量的相關性使得多個相

10、鄰的節(jié)點競爭使用信道；u偵聽載波所消耗的能量為接收信號所耗能量的50%-100%。SMAC協(xié)議-基本思想在802.11MAC協(xié)議基礎上針對WSN設計；假設條件:u傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸量少；u節(jié)點協(xié)作完成共同的任務；u網(wǎng)內(nèi)處理減少數(shù)據(jù)通信量；u網(wǎng)絡能夠容忍一定程度的通信延遲。它的主要設計目標：u減少節(jié)點能量的消耗；u提供良好的擴展性。SMAC協(xié)議-基本思想周期性偵聽/睡眠的工作方式（能量） 一致性的睡眠調(diào)度機制（空閑偵聽）流量自適應的偵聽機制（減少延遲）消息分割和突發(fā)傳遞（控制消息和消息延遲）SMAC協(xié)議-關鍵技術1u周期性睡眠和偵聽 w節(jié)省能量w一致性睡眠調(diào)度機制形成虛擬簇w擴展性u節(jié)點調(diào)度表

11、w形成和維護w邊界節(jié)點SMAC協(xié)議-關鍵技術2u自適應監(jiān)聽 在一次通信過程中，通信節(jié)點的鄰居在此次通信結束后不立即進入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時間。如果節(jié)點在這段時間接收到RTS幀，則立即接收數(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。 如果在這段時間內(nèi)沒有接到RTS分組，則轉入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。SMAC協(xié)議-關鍵技術3u 串擾避免 w采用與802.11MAC協(xié)議類似的虛擬載波偵聽機制、RTS/CTS的通告機制。w區(qū)別在于當鄰居節(jié)點處于通信過程中，S-MAC的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。SMAC協(xié)議-關鍵技術4u消息傳遞 w將長的信息包分成若干個短的DATA段

12、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S-MAC與802.11消息傳遞機制的不同RTS 21.Data 19ACK 18CTS 20Data 17ACK 16Data 1ACK 0RTS 3.Data 3ACK 2CTS 2Data 3ACK 2Data 1ACK 0TMAC協(xié)議-基本思想uSMAC協(xié)議調(diào)度占空比固定，不能很好的適應網(wǎng)絡流量的變化 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 3 4 TMAC基本機制TMAC協(xié)議的早睡問題如果節(jié)點A通過競爭首先獲得發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點B的通信機會，節(jié)點A發(fā)送RTS信

13、息給節(jié)點B，節(jié)點B應答CTS消息。節(jié)點C收到節(jié)點B發(fā)出的CTS消息而轉入睡眠狀態(tài)，在節(jié)點B接收完數(shù)據(jù)后醒來，以便接收節(jié)點B發(fā)送給它的數(shù)據(jù)。D可能不知道節(jié)點A和B的通信存在，在節(jié)點AB通信結束后已經(jīng)進入睡眠狀態(tài)，這樣，節(jié)點C只有等到下一個周期才能傳輸數(shù)據(jù)到節(jié)點D。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 3 9 空閑監(jiān)聽周期長度比較WiseMAC協(xié)議-基本思想u基于CSMA機制，使用前導采樣技術u通過本地同步的廣播獲得最小的前導長度 u隨機的前導長度保證沖突避免 Sift協(xié)議-基本思

14、想1u應用u適用于事件驅動型傳感器網(wǎng)絡u出發(fā)點w空間和時間相關性w并非每個節(jié)點都要報告事件w感知事件的節(jié)點密度隨時間變化u目標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2常規(guī)競爭的CSMA協(xié)議802.11 MACw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CW大小，等概率選取發(fā)送時間不適合WSNwCW值的調(diào)整：太大/太小；wWSN應用不需要所有節(jié)點都發(fā)送。Sift協(xié)議w固定長度的競爭窗口 w不等概率選擇時隙，在不同時隙采用不同的選擇概率Sift協(xié)議-關鍵技術u假設目前參與競爭的節(jié)點數(shù) N，競爭時間窗口1，C

15、W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)點減小假設的競爭發(fā)送節(jié)點數(shù)目，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、BMACDMAC協(xié)議-基本思想u適合于節(jié)點采集數(shù)據(jù)后，向一個sin

16、k節(jié)點匯聚的單向樹狀模式 u采用預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-關鍵技術1u交錯調(diào)度機制 w假設網(wǎng)絡中的節(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)絡路徑不發(fā)生變化w假設數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點向唯一的sink單向傳輸w假設各個節(jié)點之間保持時鐘同步 DMAC協(xié)議-關鍵技術2u交錯調(diào)度機制 w將節(jié)點周期劃分為接收時間、發(fā)送時間和睡眠時間。w每個節(jié)點的調(diào)度具有不同的偏移，下層節(jié)點的發(fā)送時間對應于上層節(jié)點的接收時間。 圖 DMAC協(xié)議基本機制DMAC協(xié)議-關鍵技術4u自適應占空比機制 w如果節(jié)點在一個發(fā)送

17、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-關鍵技術5u數(shù)據(jù)預測機制 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)點預測子節(jié)點仍有數(shù)據(jù)等待發(fā)送。在發(fā)送周期結束后再等待3u個周期，節(jié)點重新切換到接收狀態(tài)DMAC協(xié)議-關鍵技術6uMTS (More to Send)幀機制 w必要性：雖然自適應占空比機制和數(shù)據(jù)

18、預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 SMACS協(xié)議-基本思想1u結合TDMA、FDMA的基本思想 u假設每個節(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 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用為數(shù)據(jù)和控制信息提供信道

19、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DEANA Distributed energy-aware node activation分布式能量感知節(jié)點活動協(xié)議內(nèi)容提要1.概述 2.競爭型MAC協(xié)議 3.分配型MAC協(xié)議4.混合型MAC協(xié)議5.MAC的跨層設計 6.主要參考文獻ZMAC協(xié)議-基本思想采用CSMA機制作為基本方法 競爭加劇時使用TDMA機制引入時間幀，為節(jié)點分配時隙 節(jié)點可以選擇任何時隙發(fā)送數(shù)據(jù) 在分

20、配的時隙發(fā)送優(yōu)先級更高ZMAC協(xié)議-關鍵技術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-關鍵技術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 w實現(xiàn)時隙的同步需要運行時鐘同步算法 ZMAC協(xié)議-關鍵技術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-關鍵技術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

21、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1.概述 2.競爭型MAC協(xié)議 3.分配型MAC協(xié)議4.混合型MAC協(xié)議5.MAC的跨層設計 6.主要參考文獻MAC層的跨層設計u基本思想w為了提高能量效率，能量管理機制、低功耗設計等在各層設計中都有所體現(xiàn) w傳統(tǒng)方法中各層的設計相互獨立，因此各層的優(yōu)化設計并不能保證整個網(wǎng)絡的設計最優(yōu) w實現(xiàn)邏輯上并不相鄰的協(xié)議層次間的設計互動與性能平衡u典型協(xié)議wMINAMINA網(wǎng)絡架構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

22、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)絡中的所有節(jié)點圖 MINA架構組網(wǎng)示例MINA網(wǎng)絡架構2u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 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

23、為外部鄰居 圖 MINA架構組網(wǎng)示例UNPF協(xié)議框架1u網(wǎng)絡主要工作在兩個交替的狀態(tài)w網(wǎng)絡自組織狀態(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)議幀結構UNPF協(xié)議框架2u網(wǎng)絡自組織 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

24、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)設置為2，第二層節(jié)點就形成了。超幀周期性的重復，假設網(wǎng)絡最大跳數(shù)為N，第N個超幀完畢后，整個網(wǎng)絡的自組織過程就完成了UNPF協(xié)議框架3uMAC協(xié)議DTROC w假設網(wǎng)絡總共有L層，節(jié)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

25、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1.概述 2.競爭型MAC協(xié)議 3.分配型MAC協(xié)議4.混合型MAC協(xié)議5.MAC的跨層設計 6.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, Volume: 44, Issue: 4, On page(s): 115- 121

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