传感网原理及应用第3讲(MAC协议).ppt

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计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院陈永乐陈永乐目录MACMAC协议概述协议概述竞争型竞争型MACMAC协议协议分配型分配型MACMAC协议协议混合型混合型MACMAC协议协议总结总结2MAC协议概述协议概述在无线传感器网络中，介质访问控制（在无线传感器网络中，介质访问控制（mediumaccessmediumaccesscontrolcontrol，MACMAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器）协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间节点之间分配有限的无线通信资源分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。

系统的底层基础结构。

MACMAC协议处于传感器网络协议的协议处于传感器网络协议的底层部分底层部分，对传感器网络，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。

键网络协议之一。

传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。

多节点协作实现的。

多点通信在局部范围需要多点通信在局部范围需要MACMAC协议协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。

议选择通信路径。

3无线传感器网络MAC协议网络特征网络特征p传感器节点能量受限p传感器节点失效概率大p传感器节点计算处理能力有限p通信带宽有限p以数据为中心p高密度、大规模随机分布对对MACMAC协议的设计提出了新的挑战！

协议的设计提出了新的挑战！

4无线MAC无法采用CSMA/CD两者区别两者区别p传输介质不同传输介质不同：

CSMA/CD用于总线式以太网,而CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等等p检测方式不同检测方式不同：

CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测冲突；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式pWLAN中，节点发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强度，也就是说会把其他的信号给覆盖掉；pWLAN中，存在“隐匿的终端”问题5CSMA/CD：

CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetectionCSMA/CA：

CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance无线网络隐藏终端问题隐终端描述隐终端描述pA,B能够相互检测到对方pB,C能够相互检测到对方p但是A,C不能相互检测到对方l当A,C同时向B发送数据时，将产生碰撞隐藏终端-解决方案CSMA/CA（CSMA/CA（载波侦听载波侦听/冲突避免冲突避免）如何解决如何解决“隐匿终端问题隐匿终端问题7RTSArequeststosendBC（a）CTSCTSABCBannouncesAoktosend（b）DataFrameAsendsBCremainsquiet（c）A发发RTS请求发送请求发送B发发CTS允许允许A发送发送A发数据帧发数据帧C能够收到能够收到CTS，因而保持静默因而保持静默暴露终端问题8C欲向D发送信息p由于C侦听到信道忙，C必须等待。

p但是站A在C的射频覆盖范围之外，因此C的等待是不必要的。

p所以说，B“暴露”给C设计WSN中MAC协议，需考虑节省能量。

节省能量。

可扩展性。

可扩展性。

p由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。

MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。

网络效率。

网络效率。

p网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。

算法复杂度。

算法复杂度。

pMAC协议要具备上述特点，众多节点协同完成应用任务，必然增加算法的复杂度。

由于无线传感器网络的节点计算能力和存储能力受限，MAC协议应该根据应用需要，在复杂度和上述性能之间取得折中。

与其他层协议的协同。

与其他层协议的协同。

p无线传感器网络应用的特殊性对各层协议都提出了一些共同的要求，如能量效率、可扩展性、网络效率等，研究MAC协议与其他层协议的协同问题，通过跨层设计而获得系统整体的性能优化9MAC协议面临的能量问题协议面临的能量问题空闲监听：

空闲监听：

p因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损耗；冲突（碰撞）：

冲突（碰撞）：

p如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败，发送包被丢弃。

此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉控制开销：

控制开销：

p为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS，虽然没有数据在其中，但是我们必须消耗一定的能量来发送它们；串扰（串音）：

串扰（串音）：

p出于无线信道为共享介质，因此，节点也可以接收到不是到达自己的数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费。

10信道接入机制分类信道接入机制分类分配信道的方式：

竞争型、分配型、混合型分配信道的方式：

竞争型、分配型、混合型使用的信道数目：

单信道、双信道、多信道使用的信道数目：

单信道、双信道、多信道网络类型：

同步网络、异步网络网络类型：

同步网络、异步网络11各种各种MAC协议方案的比较协议方案的比较12协议方案出现时间类型需要精确同步信道接入机制SMAC2002竞争型否CSMATMAC2003竞争型否CSMAPMAC2005竞争型否CSMAWiseMAC2004竞争型否CSMASift2003竞争型否CSMASMACS2000分配性是TDMA/FDMATRAMA2003分配性是TDMA/CSMADMAC2004分配性是TDMA/SlotedALOHAZMAC2005混合性是TDMA/CSMA目录MACMAC协议概述协议概述竞争型竞争型MACMAC协议协议分配型分配型MACMAC协议协议混合型混合型MACMAC协议协议总结总结13竞争型MAC协议基本思想基本思想p发送时主动抢占，CSMA方式（载波侦听多路访问）lCSMA/CA主要使用两种方法來避免碰撞：

发送数据前，侦听信道状态，等沒有人使用信道，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然沒有人使用，才发送数据。

由于每个装置采用的随机时间不同，所以可以减少碰撞的机会。

l发送数据前，先发一段小小的请求传送封包（RTS:

RequesttoSend）给目标端，等待目标端回应封包后，才开始发送p按需分配优点优点p网络流量和规模变化自适应p网络拓扑变化自适应p算法较简单典型协议典型协议pSMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift14802.11MAC协议协议IEEE802.11MACIEEE802.11MAC协议有协议有分布式协调分布式协调DCFDCF和点协调（和点协调（pointpointcoordinationfunctioncoordinationfunction，PCFPCF）两种访问控制方式，其中两种访问控制方式，其中DCFDCF方式是方式是IEEE802.11IEEE802.11协议的基本访问控制方式。

协议的基本访问控制方式。

在在DCFDCF工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CACSMA/CA机制和随机退避时间机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。

，实现无线信道的共享。

另外，所有定向通信都采用立即的主动确认（另外，所有定向通信都采用立即的主动确认（ACKACK帧）机帧）机制：

如果没有收到制：

如果没有收到ACKACK帧，则发送方会重传数据。

帧，则发送方会重传数据。

PCFPCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的控制方式。

它通过访问接入点（控制方式。

它通过访问接入点（accesspointaccesspoint，APAP）协调节）协调节点的数据收发，通过轮询方式查询当前哪些节点有数据发点的数据收发，通过轮询方式查询当前哪些节点有数据发送的请求，并在必要时给予数据发送权送的请求，并在必要时给予数据发送权15RTS请求发送分组请求发送分组CTS清除发送分组清除发送分组NAV网络分配矢量网络分配矢量16AABBCCDD三种帧间间隔

（1）SIFS（shortIFS）：

最短帧间间隔。

使用SIFS的帧优先级最高，用于需要立即响应的服务，如ACK帧、CTS帧和控制帧等。

（2）PIFS（PCFIFS）：

PCF方式下节点使用的帧间间隔，用以获得在无竞争访问周期启动时访问信道的优先权。

（3）DIFS（DCFIFS）：

DCF方式下节点使用的帧间间隔，用以发送数据帧和管理帧。

上述各帧间间隔满足关系：

DIFSPIFSSIFS17CSMA/CA的基本访问方式：

主动检测信道，当空闲大于主动检测信道，当空闲大于DIFS时退避后访问信道时退避后访问信道二进制随机退避机制为避免碰撞，加入随机退避时间：

为避免碰撞，加入随机退避时间：

p退避时间=Random（）aSlottime18应答与预留机制801.11801.11主动应答与预留机制来提高性能主动应答与预留机制来提高性能p收到DATA后向源节点发送ACK应答（除广播外）pRTS和CTS中包含数据传输时间NAV,为节点的数据传输预留了信道（在这段时间不会有节点竞争）19SMAC协议-设计目标和基本思想设计目标设计目标p减少能量消耗l空闲监听（802.11）、冲突（碰撞）、控制开销、串音p较好扩展性和避免冲突基本思想基本思想p周期性睡眠和监听；协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇）p流量自适应的侦听机制（减少信息的传输延迟）p信令控制减少重传和避免监听不必要的数据p消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息的传递延迟20SMAC协议-关键技术1周期性睡眠和监听周期性睡眠和监听p一个周期内有睡眠和监听两种状态p开始时，全监听周期，保证邻居发现p节点之间协同，保持监听同步p同步调度，形成虚拟簇效果效果p降低功耗，增加延迟21SMAC协议-关键技术2流量自适应侦听流量自适应侦听p在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后唤醒并保持监听一段时间。

如果节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立即接收数据，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。

碰撞和串扰避免碰撞和串扰避免p采用与802.11相似的CSMA/CAl通信过程:

RTS/CTS/DATA/ACK（广播除外）p信道忙时睡眠l让收到CTS且处于侦听状态的邻居节点睡眠22SMAC协议-关键技术3消息传递消息传递（针对（针对WSNWSN误码率高问题）误码率高问题）p将长的信息包分成若干个短的DATA段p所有DATA使用一个RTSCTS控制分组占用信道p每个DATA都有ACK保障传输成功优点优点p减少消息延迟p减少控制开销缺点缺点p公平性降低（短信息包发送等待较长）23TMAC协议-基本思想SMACSMAC协议调度协议调度占空比固定占空比固定，不能很好的适应网络，不能很好的适应网络流量的变化流量的变化动态调整调度周期中的活跃时间长度动态调整调度周期中的活跃时间长度在在TATA（TimeActiveTimeActive）时间内没有发生激活事件则）时间内没有发生激活事件则进入睡眠进入睡眠24激活事件在活跃状态下，节点可能保持监听，也可能发送在活跃状态下，节点可能保持监听，也可能发送数据。

当在一个时间段数据。

当在一个时间段TATA内没有发生激活事件时，内没有发生激活事件时，节点进入睡眠状态。

激活事件的定义如下：

节点进入睡眠状态。

激活事件的定义如下：

p

（1）定时器触发周期性调度唤醒事件。

p

（2）物理层从无线信道接收到数据包。

p（3）物理层信