第3章MAC协议PPT文档格式.ppt

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MAC层的能量浪费因素以及节能策略能量浪费因素：

u空闲侦听（忙闲）u碰撞重传（随机竞争）u控制消息（太多）u串扰（overhearing）节能策略：

u尽量让传感器节点处于睡眠状态u减少碰撞u减少控制消息的开销u减少接收到不需要接收的数据分组WSNMAC协议分类分配信道的方式u竞争型u分配型u混合型使用的信道数目u单信道u多信道控制方式u集中式u分布式竞争型MAC协议基本思想u发送时主动抢占，CSMA方式u按需使用信道优点u网络流量和规模变化自适应u网络拓扑变化自适应u算法较简单典型协议uSMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift竞争型MAC协议典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问（carriersensemultipleaccess,CSMA）无线局域网将CSMA增加一个碰撞避免（CollisionAvoidance）功能。

IEEE802.11MAC协议的分布式协调（distributedcoordinationfunction,DCF）工作模式采用CSMA/CA协议，还增加使用确认机制。

研究者在802.11的MAC协议基础上提出了多个用于传感器网络的基于竞争的MAC协议。

802.11的MAC层MAC层无争用服务争用服务分布协调功能DCF（DistributedCoordinationFunction）（CSMA/CA）点协调功能PCF（PointCoordinationFunction）物理层2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.11MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。

DCF子层在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。

因此DCF向上提供争用服务。

MAC层无争用服务争用服务分布协调功能DCF（DistributedCoordinationFunction）（CSMA/CA）点协调功能PCF（PointCoordinationFunction）物理层2.4GHzFHSS1Mb/s2Mb/s2.4GHzDSSS1Mb/s2Mb/sIR1Mb/s2Mb/s5GHzOFDM6,9,12,18,24,36,48,54Mb/s2.4GHzDSSS5.5Mb/s11Mb/s802.11b802.11aIEEE802.11802.11MAC协议DCF工作方式的主要机制CSMA/CA随机退避时间主动确认机制（ACK帧）预留机制（RTS/CTS帧的NAV向量）A的作用范围B的作用范围2.对信道进行预约802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。

ACBDERTSRTS源站A在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送RTS（RequestToSend），它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。

A的作用范围B的作用范围2.对信道进行预约802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。

CTSACBDECTS若媒体空闲，则目的站B就发送一个响应控制帧，叫做允许发送CTS（ClearToSend），它包括这次通信所需的持续时间（从RTS帧中将此持续时间复制到CTS帧中）。

A收到CTS帧后就可发送其数据帧。

虚拟载波监听虚拟载波监听（VirtualCarrierSense）的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。

这样就大大减少了碰撞的机会。

“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。

这种效果好像是其他站都监听了信道。

所谓“源站的通知”就是源站在其MAC帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。

网络分配向量当一个站检测到正在信道中传送的MAC帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量NAV（NetworkAllocationVector）。

NAV指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。

争用窗口信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个DIFS的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。

在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。

这样做就减少了发生碰撞的概率。

802.11使用二进制指数退避算法。

802.11MAC协议总结DCF模式采用CSMA/CA方式-随机退避时间通过RTS/CTS解决隐终端和进行预留通过预留机制和主动确认机制来提高性能不适应WSN：

u假设网络流量的产生是完全随机的；

节点是公平的；

而在WSN中一般认为网络流量具有很大的相关性，网络流量的相关性使得多个相邻的节点竞争使用信道；

u侦听载波所消耗的能量为接收信号所耗能量的50%-100%。

SMAC协议-基本思想在802.11MAC协议基础上针对WSN设计；

假设条件:

u传感器网络的数据传输量少；

u节点协作完成共同的任务；

u网内处理减少数据通信量；

u网络能够容忍一定程度的通信延迟。

它的主要设计目标：

u减少节点能量的消耗；

u提供良好的扩展性。

SMAC协议-基本思想周期性侦听/睡眠的工作方式（能量）一致性的睡眠调度机制（空闲侦听）流量自适应的侦听机制（减少延迟）消息分割和突发传递（控制消息和消息延迟）SMAC协议-关键技术1u周期性睡眠和侦听w节省能量w一致性睡眠调度机制形成虚拟簇w扩展性u节点调度表w形成和维护w边界节点SMAC协议-关键技术2u自适应监听在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间。

如果节点在这段时间接收到RTS帧，则立即接收数据，而不需要等到下一个监听周期，从而减少了两个节点间的数据传输延迟。

如果在这段时间内没有接到RTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。

SMAC协议-关键技术3u串扰避免w采用与802.11MAC协议类似的虚拟载波侦听机制、RTS/CTS的通告机制。

w区别在于当邻居节点处于通信过程中，S-MAC的节点进入睡眠状态。

SMAC协议-关键技术4u消息传递w将长的信息包分成若干个短的DATA段w所有DATA使用一个RTSCTS控制分组占用信道w每个DATA都有ACK保障传输成功S-MAC与802.11消息传递机制的不同RTS21.Data19ACK18CTS20Data17ACK16Data1ACK0RTS3.Data3ACK2CTS2Data3ACK2Data1ACK0TMAC协议-基本思想uSMAC协议调度占空比固定，不能很好的适应网络流量的变化u动态调整调度周期中的活跃时间长度u在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠图34TMAC基本机制TMAC协议的早睡问题如果节点A通过竞争首先获得发送数据到节点B的通信机会，节点A发送RTS信息给节点B，节点B应答CTS消息。

节点C收到节点B发出的CTS消息而转入睡眠状态，在节点B接收完数据后醒来，以便接收节点B发送给它的数据。

D可能不知道节点A和B的通信存在，在节点AB通信结束后已经进入睡眠状态，这样，节点C只有等到下一个周期才能传输数据到节点D。

PMAC协议-基本思想uSMAC调度占空比固定，TMAC早睡问题u引入模式信息，节点能够通过模式信息提前获知邻居的下一步活动，调度都根据模式信息来进行图39空闲监听周期长度比较WiseMAC协议-基本思想u基于CSMA机制，使用前导采样技术u通过本地同步的广播获得最小的前导长度u随机的前导长度保证冲突避免Sift协议-基本思想1u应用u适用于事件驱动型传感器网络u出发点w空间和时间相关性w并非每个节点都要报告事件w感知事件的节点密度随时间变化u目标wN个节点同时监测到一个事件，希望在最短时间内有R个节点（R=N）无冲突发送事件消息。

Sift协议-基本思想2常规竞争的CSMA协议802.11MACw在1，CW时间长度窗口内等概率选择发送时槽w冲突时就倍增时间窗口CW大小，等概率选取发送时间不适合WSNwCW值的调整：

太大/太小；

wWSN应用不需要所有节点都发送。

Sift协议w固定长度的竞争窗口w不等概率选择时隙，在不同时隙采用不同的选择概率Sift协议-关键技术u假设目前参与竞争的节点数N，竞争时间窗口1，CW中的时隙。

如果第一个时隙没有节点发送数据，节点减小假设的竞争发送节点数目，增加在第二个时隙中的传输概率，这一过程中每个时隙中都重复执行。

u当信道空闲时，节点根据概率分布在传输之前退避随机长度。

u假设每个节点选择时隙r1，CW发送数据的概率为Pr。

Pr的概率分布如下：

（r=1,CW）分配型MAC协议u基本思想w将一个物理信道分为多个子信道w将子信道静态或动态地分配给需要通信的节点，避免冲突w根据网络通信流量最大限度地节省能量u优点w无冲突w无隐藏终端问题w易于休眠u典型协议wSMACS、TRAMA、DMAC、BMACDMAC协议-基本思想u适合于节点采集数据后，向一个sink节点汇聚的单向树状模式u采用预先分配的方法来避免睡眠延迟u引入了一种交错的监听睡眠调度机制，保证数据在多跳路径上的连续传输DMAC协议-关键技术1u交错调度机制w假设网络中的节点保持静止，且每个路由节点有足够的存活时间，可以在较长时间内保持网络路径不发生变化w假设数据由传感器节点向唯一的sink单向传输w假设各个节点之间保持时钟同步DMAC协议-关键技术2u交错调度机制w将节点周期划分为接收时间、发送时间和睡眠时间。

w每个节点的调度具有不同的偏移，下层节点的发送时间对应于上层节点的接收时间。

图DMAC协议基本机制DMAC协议-关键技术4u自适应占空比机制w如果节点在一个发送周期内有多个数据包要发送，就需要该节点和树状路径上的上层节点一起加大发送周期占空比w通过在MAC层数据帧的帧头加入一个标记（moredataflag），以较小的控制开销发送占空比更新请求。

在ACK帧中加入同样的标记位DMAC协议-关键技术5u数据预测机制w在数据采集树中，越靠近上层的节点，汇聚的数据越多，对树的底层节点适合的占空比不一定适合中间节点w如果一个节点在接收状态下接收到一个数据包，该节点预测子节点仍有数据等待发送。

在发送周期结束后再等待3u个周期，节点重新切换到接收状态DMAC协议-关键技术6uMTS（MoretoSend）帧机制w必要性：

虽然自适应占空比机制和数据预测机制考虑了冲突避免，数据采集树中不同分枝节点仍有冲突的可能wMTS帧只包含目的地址和MTS标志位。

标志位为1时称为MTS请求，标志位为0时称为