無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及方法第五章課件

第5章

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層

1第5章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層15.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的分類

針對(duì)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員從不同方面提出了多個(gè)MAC協(xié)議，一般可以按照下列幾種方式進(jìn)行分類。

1．信道數(shù)

2．信道分配方式

3．節(jié)點(diǎn)的工作方式

4．控制方式25.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的分類 針對(duì)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)5.2IEEE802.11協(xié)議5.2.1IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.AdHoc網(wǎng)絡(luò)形式35.2IEEE802.11協(xié)議5.2.1IEEE80

2.基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)形式

5.2.1IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)42.基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)形式5.2.1IEEE802.11網(wǎng)

3.擴(kuò)展服務(wù)集結(jié)構(gòu)形式

圖5-3擴(kuò)展服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)5.2.1IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)53.擴(kuò)展服務(wù)集結(jié)構(gòu)形式圖5-3擴(kuò)展服務(wù)集網(wǎng)絡(luò)5.2.15.2.2IEEE802.1l協(xié)議MAC層的工作模式 IEEE802.11協(xié)議族標(biāo)準(zhǔn)采用CSMA/CA機(jī)制，該機(jī)制可以利用握手的方式來解決隱藏終端的問題，同時(shí)也利用ACK信號(hào)來避免沖突的發(fā)生。802.11協(xié)議族規(guī)定了兩種不同的MAC層訪問機(jī)制，一種是分布式協(xié)調(diào)功能(DistributedCoordinationFunction，DCF)，用來傳輸異步數(shù)據(jù)，同時(shí)也是支持PCF機(jī)制的基礎(chǔ)。另一種訪問機(jī)制稱為點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PointCoordinationFunction，PCF)，是可選的，它只可用于基本網(wǎng)絡(luò)配置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩種工作模式關(guān)系如圖5-4所示。圖5-4IEEE802.11兩種工作模式65.2.2IEEE802.1l協(xié)議MAC層的工作模式 5.2.3分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)

1．基本訪問

基本訪問被視為STA(站點(diǎn))用于決定是否可以發(fā)送的核心機(jī)制。通常，一個(gè)STA在滿足下列條件之一時(shí)，就可以發(fā)送一個(gè)MPDU(MACProtocolDataUnit)。①該STA在沒有PC的情況下，按照DCF訪問方式工作；②該STA處在PCF訪問的競(jìng)爭期間；③該STA確定當(dāng)媒介的空閑時(shí)間大于或等于一個(gè)DIFS；④當(dāng)STA上次收到一個(gè)沒有正確FCS幀后，STA確定媒介空閑時(shí)間 大于或等于一個(gè)DIFS。圖5-5DCF基本訪問模式75.2.3分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)1．基本訪問圖5-5如圖5-6所示。DCF可利用RTS和CTS兩個(gè)控制幀來進(jìn)行信道預(yù)約。圖5-6隱蔽終端問題2．RTS/CTS訪問機(jī)制RTS/CTS訪問機(jī)制工作原理如圖5-7所示。圖5-7

RTS/CTS訪問機(jī)制

8如圖5-6所示。DCF可利用RTS和CTS兩個(gè)控制幀來進(jìn)行信 對(duì)于要發(fā)送幀的STA而言，當(dāng)該STA通過物理或虛擬載波機(jī)制發(fā)現(xiàn)媒質(zhì)忙時(shí)，或STA被指出發(fā)送沒有成功時(shí)，STA將調(diào)用退避算法。退避算法過程如圖5-8所示。圖5-8退避算法過程3．退避算法9 對(duì)于要發(fā)送幀的STA而言，當(dāng)該STA通過物理或虛擬載波機(jī)5.2.4集中式協(xié)調(diào)功能(PCF)

1．PCF基本訪問

2．無競(jìng)爭期間的網(wǎng)絡(luò)分配矢量操作

3．PCF站點(diǎn)的幀發(fā)送過程

圖5-9為PCF工作模式下PC和STA間幀傳輸?shù)睦印?/p>

圖5-9PCF工作模式下的幀傳輸4．無競(jìng)爭輪詢列表

輪詢列表是一個(gè)隱藏在PC處的邏輯結(jié)構(gòu)，用于強(qiáng)制輪詢無競(jìng)爭可輪詢的STA，而不管是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送到該STA。105.2.4集中式協(xié)調(diào)功能(PCF)1．PCF基本訪問圖55.2.5DCF與PCF機(jī)制的局限性 DCF機(jī)制支持異步數(shù)據(jù)傳輸，在低負(fù)載環(huán)境下性能較好，由于DCF機(jī)制僅僅支持盡力而為的服務(wù)，沒有基于數(shù)據(jù)流的區(qū)分和優(yōu)先級(jí)的規(guī)定，因此對(duì)于如VoIP電話、視頻會(huì)議等需要特定的帶寬、延遲和抖動(dòng)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)不太適合，但無線網(wǎng)絡(luò)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，比如RTS/CTS，分段/重組等在一定程度上進(jìn)行了性能的彌補(bǔ)。

PCF機(jī)制通過輪詢和應(yīng)答機(jī)制提供無競(jìng)爭的傳輸，在某種程度上這種方式類似于令牌網(wǎng)?？刂破骺刂浦钆?，使得這一機(jī)制適合特定延遲、抖動(dòng)要求的傳輸。115.2.5DCF與PCF機(jī)制的局限性 DCF機(jī)制支持異步5.2.6IEEE802.11的QoS保障

普通的802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是沒有QoS保障的，為了彌補(bǔ)這一不足，IEEE提出了802.11的增強(qiáng)型標(biāo)準(zhǔn)——802.11e。802.1le增加了對(duì)QoS的定義，旨在保證語音和視頻等高帶寬應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。

802.11e引入了EDCF和HCF兩種機(jī)制，具有IEEE802.1leQoS功能的STA稱為QSTA(QoS-capableSTA)，為其他STA提供集中控制的QSTA稱為混合協(xié)調(diào)器(HC)，HC通常由AP擔(dān)任，此AP也稱為QAP。EDCF只在CP階段使用，HCF在CP和CFP階段都可以使用，因而是一種混合協(xié)調(diào)功能。125.2.6IEEE802.11的QoS保障 普通的805.3基于競(jìng)爭的MAC協(xié)議5.3.1S-MAC協(xié)議

1．周期性偵聽和睡眠

2．流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制

3．串音避免

4.消息傳遞

圖5-10協(xié)議的虛擬簇圖5-11S-MAC與IEEE802.11MAC協(xié)議的突發(fā)分組傳送135.3基于競(jìng)爭的MAC協(xié)議5.3.1S-MAC協(xié)議圖5-15.3.2T-MAC協(xié)議1.基本工作原理

T-MAC協(xié)議在保持周期長度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)地調(diào)整活動(dòng)時(shí)間，用突發(fā)方式發(fā)送信息，減少空閑偵聽時(shí)間。如圖5-12(b)所示，T-MAC協(xié)議相對(duì)S-MAC協(xié)議減少了處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間。2.早睡問題T-MAC協(xié)議提出兩種方法解決早睡問題。第一種方法稱為未來請(qǐng)求發(fā)送(futurerequest-to-send，F(xiàn)RTS)。另一種方法稱作滿緩沖區(qū)優(yōu)先(fullbufferpriority)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)接近占滿時(shí)，對(duì)收到的RTS不作應(yīng)答，而是立即向目標(biāo)接收者發(fā)送RTS消息，并傳輸數(shù)據(jù)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。145.3.2T-MAC協(xié)議1.基本工作原理2.早睡問題145.3.3Sift協(xié)議 SiftMAC協(xié)議是針對(duì)基于事件驅(qū)動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的基于競(jìng)爭的MAC協(xié)議。它不同于WLAN的802.11MAC協(xié)議和上面所述的其他基于競(jìng)爭的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，而是充分考慮了通常傳感器網(wǎng)絡(luò)的以下三個(gè)特性：第一，傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性。 第二，不是所有節(jié)點(diǎn)都需要報(bào)告事件。 第三，感知事件的節(jié)點(diǎn)密度隨時(shí)間變化。155.3.3Sift協(xié)議 SiftMAC協(xié)議是針對(duì)基于事5.4基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議

時(shí)分復(fù)用(timedivisionmultipleaccess，TDMA)是實(shí)現(xiàn)信道分配的簡單成熟的機(jī)制，藍(lán)牙(B1uetooth)網(wǎng)絡(luò)采用了基于TDMA的MAC協(xié)議。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用TDMA機(jī)制，就是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)槽，而節(jié)點(diǎn)在其他空閑時(shí)槽內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。

TDMA機(jī)制的一些特點(diǎn)非常適合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的需求：TDMA機(jī)制沒有競(jìng)爭機(jī)制的碰撞重傳問題；數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要過多的控制信息；節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)槽能夠及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。165.4基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議 時(shí)分復(fù)用(timed5.4.1基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議

對(duì)于分簇結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于TDMA機(jī)制的MAC協(xié)議如圖5-17所示，所有傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)劃分或自動(dòng)形成多個(gè)簇，每個(gè)簇內(nèi)有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭負(fù)責(zé)為簇內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)分配時(shí)槽，收集和處理簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。175.4.1基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議 對(duì)于分簇結(jié)構(gòu)的傳5.4.2DEANA協(xié)議DEANA協(xié)議的時(shí)間幀分配如圖5－18所示。185.4.2DEANA協(xié)議DEANA協(xié)議的時(shí)間幀分配如圖5－5.4.3基于周期性調(diào)度的MAC協(xié)議

基于周期性消息調(diào)度的MAC協(xié)議。該協(xié)議采用周期性的消息發(fā)送模型，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)周期性消息發(fā)送調(diào)度機(jī)制，保證節(jié)點(diǎn)之間無沖突地使用無線信道，是一個(gè)確定性的基于消息調(diào)度的TDMA類型的MAC協(xié)議。協(xié)議假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)之間都是時(shí)間同步的，節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息由多個(gè)固定長度的分組組成，每個(gè)消息都有生存時(shí)間的限制，消息產(chǎn)生后必須在給定時(shí)間內(nèi)發(fā)送出去，否則該消息即使發(fā)送出去也沒有意義。時(shí)間被劃分為連續(xù)的長度相同的時(shí)槽，時(shí)槽長度是發(fā)送一個(gè)固定分組需要的時(shí)間。195.4.3基于周期性調(diào)度的MAC協(xié)議 基于周期性消息調(diào)度5.4.4TRAMA協(xié)議

流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(trafficadaptivemediumaccess，TRAMA)協(xié)議將時(shí)間劃分為連續(xù)時(shí)槽，根據(jù)局部兩跳內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，采用分布式選舉機(jī)制確定每個(gè)時(shí)槽的無沖突發(fā)送者。同時(shí)，通過避免把時(shí)槽分配給無流量的節(jié)點(diǎn)，并讓非發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)達(dá)到節(jié)省能量的目的。TRAMA協(xié)議包括鄰居協(xié)議NP(neighborprotocol)、調(diào)度交換協(xié)議SEP(scheduleexchangeprotocol)和自適應(yīng)時(shí)槽選擇算法AEA(adaptiveelectionalgorithm)。1．NP協(xié)議

NP協(xié)議在隨機(jī)訪問周期內(nèi)執(zhí)行，節(jié)點(diǎn)通過NP協(xié)議以競(jìng)爭方式使用無線信道。協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)周期性通告自己的節(jié)點(diǎn)編號(hào)ID，是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送以及能夠直接通信的鄰居節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，并實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。節(jié)點(diǎn)間通過NP協(xié)議要獲得一致的兩跳內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)流量信息，為此協(xié)議要求所有節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)訪問周期內(nèi)都一直處于活動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)要求通告信息要廣播多次。205.4.4TRAMA協(xié)議 流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問(traff2．SEP協(xié)議

調(diào)度交換協(xié)議SEP用來建立和維護(hù)發(fā)送者和接收者的調(diào)度信息。在調(diào)度訪問周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)周期性向鄰居廣播它的調(diào)度信息，如在贏時(shí)槽中發(fā)送數(shù)據(jù)的接收者，或者放棄該贏時(shí)槽等調(diào)度信息。3．AEA算法

節(jié)點(diǎn)有發(fā)送、接收和睡眠三種狀態(tài)。在調(diào)度訪問周期內(nèi)的給定時(shí)槽，節(jié)點(diǎn)處于狀態(tài)當(dāng)且僅當(dāng)它有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，且在競(jìng)爭者中有最高的優(yōu)先級(jí)；節(jié)點(diǎn)處于接收當(dāng)且僅當(dāng)它是當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)指定的接收者；其他情況下，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)。每點(diǎn)在調(diào)度周期的每個(gè)時(shí)槽上運(yùn)行AEA算法。該算法根據(jù)當(dāng)前兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)內(nèi)的優(yōu)先級(jí)和一跳鄰居的調(diào)度信息，決定節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)槽的活動(dòng)策略：發(fā)送，接收，睡眠。5.4.4TRAMA協(xié)議212．SEP協(xié)議5.4.4TRAMA協(xié)議215.4.5DMAC

傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種重要的通信模式是多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。所有傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)，形成一個(gè)以匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，稱為數(shù)據(jù)采集樹(datagatheringtree)。DMAC協(xié)議就是針對(duì)這種數(shù)據(jù)采集樹結(jié)構(gòu)提出的，目標(biāo)是減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和減少數(shù)據(jù)的傳輸延遲。

DMAC協(xié)議的核心思想是采用交錯(cuò)調(diào)度機(jī)制。

DMAC協(xié)議采用ACK應(yīng)答機(jī)制，發(fā)送節(jié)點(diǎn)如果沒有收到ACK應(yīng)答，要在下一個(gè)發(fā)送時(shí)間重發(fā)。節(jié)點(diǎn)正確接收到數(shù)據(jù)后，立刻發(fā)送ACK消息給發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)。為了減少發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生的沖突，節(jié)點(diǎn)在等待固定的后退時(shí)間(backoffperiod，BP)后，在沖突窗口(contentwindow，CW)內(nèi)隨機(jī)選擇發(fā)送等待時(shí)間。接收節(jié)點(diǎn)在發(fā)送ACK消息時(shí)，采用短時(shí)間段(shortperiod，SP)的固定延遲。

DMAC協(xié)議中幾個(gè)主要機(jī)制:

1.自適應(yīng)占空比機(jī)制

2．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制

3．MTS分組機(jī)制

225.4.5DMAC 傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種重要的通信模式是多5.4.6其他類型的MAC協(xié)議1．SMACS/EAR協(xié)議

SMACS/EAR(self-organizingmediumaccesscontrolforsensornetworks/eaveg

dropandregister)協(xié)議是結(jié)合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的MAC協(xié)議。其基本思想是為每一對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)特有頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不同節(jié)點(diǎn)對(duì)間的頻率互不干擾，從而避免同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)之間產(chǎn)生碰撞。235.4.6其他類型的MAC協(xié)議1．SMACS/EAR協(xié)議232