无线传感器网络的MAC协议全解课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,无线传感器网络,的,MAC,协议,无线传感器网络的MAC协议,MAC,协议概述,无线传感器网络的,MAC,层协议,决定了,如何使用无线信道进行通信,，以确保,不同节点,在同一时间进行消息收发时,不会造成碰撞,。,降低能耗：,MAC,协议应在保持正常通信的前提下尽量降低设备的忙闲比,。,可扩展性：,MAC,协议必须能够适应无线传感器网络拓扑结构的动态变化。,错误处理,：,MAC,协议必须避免那些已知的和可能出现的错误情况，以保证通信的可靠。,MAC协议概述无线传感器网络的MAC层协议决定了如何使用无线,CSMA,机制,CSMA,机制（虚拟载波监听）,虚拟载波监听,源站将还需占用信道的时间在,MAC,帧头字段“持续时间”中指示给所有其他站，其他站会在这段时间都停止发送数据。,“虚拟”是指其他站未真正监听信道，而是检测源站发送帧中的“持续时间”才不发送数据。,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(Network Allocation Vector),。,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。,CSMA机制CSMA机制（虚拟载波监听）虚拟载波监听,CSMA,机制,CSMA,机制的原则,先听后讲,信道空闲则发送,边听边讲,发送信号时不断检测信道是否碰撞,碰撞即停,信道发生碰撞，则停止发送,退避重传,多次碰撞，放弃发送,最多重传,16,次,CSMA机制CSMA机制的原则先听后讲边听边讲碰撞即停退避重,CSMA,机制,CSMA,机制中的三种,IFS,SIFS(Short IFS),：,最短帧间隔，优先级最高，用于需要立即响应的服务，如,ACK,帧、,CTS,帧等。,PIFS(PCF IFS),：,点协调模式下节点使用的帧间隔，用来获得在无竞争周期启动时访问信道的优先权。,DIFS(DCF IFS),：分布式协调模式下节点使用的帧间隔，用以发送数据帧和管理帧。,CSMA机制CSMA机制中的三种IFSSIFS(Short,CSMA,机制,MAC,层“隐藏节点”效应,如只使用,CSMA,机制,，,侦听到信道“闲”可能结果不正确，由于：,1.,隐蔽站问题,-,发送方侦听不到:,A,C,不能互相听到，中间有障碍物、信号衰减，,A、C,于是都发给,B,，,B,处此时会产生冲突。,2.,信号强度衰减问题,-,C,在发送,，,由于信号传输衰减，传到,A,处时，,A,听不到，,A,以为听到信道闲，也发，接收站,B,处此时产生冲突。,隐终端,是指,在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端,。,Location,Signal strength,A,B,C,CSMA机制MAC层“隐藏节点”效应如只使用 CSMA机制，,CSMA/CA,:CSMA with Collision Avoidance,冲突避免:增加,RTS-CTS,交互,CSMA/CA,:,信道预约,发送站:发出短的,RTS,帧,(,request to send,),预约信道,接收站:应答短的,CTS,帧(,clear to send,),同意预约,CTS,为发送站保留信道,起了通知其它(可能隐蔽的)站点的效果,避免了隐蔽站点造成的冲突,MAC,层,CSMA/CA,机制,CSMA,机制,CSMA/CA:CSMA with Collision,MAC,层,CSMA/CA,机制,CSMA,机制,数个节点进入退避阶段，如选择的退避时间一致，有可能会发生碰撞，,CSMA,采用二进制指数退避机制规避再次碰撞。,确定基本退避时间（基数），一般定为,2T,，即一个竞争窗口,定义,K,为重传次数，,K,=min,重传次数，,10,从集合,0,1,2,2,k-1,中，随机取出一个数,R,，令退避时间为,t,=,R,2,T,如数据帧在重传,16,次后仍无法成功发送，则认为传输失败并报告给高层协议,MAC层CSMA/CA机制CSMA机制数个节点进入退避阶段，,MAC,层能耗来源,射频模块处于活动状态会消耗大量的能源。这是节点能量消耗的最主要来源，射频收发器处于接收模式时消耗的能量比其处于待命模式多两个数量级。,为避免冲突，节点也需要不断的侦听信道，查询信道是否被占用。空闲侦听的代价也是很大的。,空闲侦听,(I,dlelistening,),MAC层能耗来源射频模块处于活动状态会消耗大量的能源。这是节,碰撞冲突(,C,ollision),MAC,层能耗来源,两个以上节点在同时向一个节点发送数据帧，目的点发生数据冲突，信号相互干扰，数据帧被破坏，源节点需重新发送。发送和接收错误数据的能量被损耗，造成了能量浪费和信息延迟。,利用RTSCTS握手机制可解决冲突问题，但带来额外的协议开销。,碰撞冲突(Collision)MAC层能耗来源两个以上节点在,串扰,(,O,verhearing),MAC,层能耗来源,节点是以广播的形式发送消息的，广播范围内的节点就可能接收到发向其他节点的数据包，造成串音干扰。,当节点密度很大或者需要传输的数据很多的时候，串扰消耗的能量也是很可观的。为尽量避免这种情况，节点应该在无数据收发时关闭其接收器。,串扰(Overhearing)MAC层能耗来源节点是以广播的,控制信息开销,(C,ontrol packet overhead),MAC,层能耗来源,MAC层协议需要节点间交换控制信息，造成能量损耗，MAC的报头和控制包(如RTSCTSACK)非有效数据，消耗的能量对用户来说是无效的。当数据帧较小时，协议开销很大。,节点确认其邻居节点所处状态(是否存活等)，进行同步等，也需发送或接收一些消息，要消耗能量。,控制信息开销(Control packet overhead,节能策略,MAC,层能耗来源,尽量让传感器节点处于睡眠状态,减少碰撞,减少控制消息的能量开销,减少接收到无需接收的数据分组,节能策略MAC层能耗来源减少碰撞减少控制消息的能量开销减少接,基于竞争的,MAC,层协议,S-MAC,协议,被同步节点,：节点在决定自身调度计划前接受到其他节点的调度计划，将收到的计划作为自身的调度计划。,同步者,：侦听过了既定时间段后，未收到其他调度计划，即将自身的调度计划广播出去。,在簇状拓扑结构时，簇内节点的调度计划是一致的。,边界节点,：节点在设置了自身调度计划后，又收到一份不同的调度计划，则会同时采纳两种调度计划。边界节点多见于桥接两个不同簇的节点，会按照两个簇的唤醒时间进行睡眠管理。,基于竞争的MAC层协议S-MAC协议被同步节点：节点在决定自,基于竞争的,MAC,层协议,S-MAC,协议,基于竞争的MAC层协议S-MAC协议,基于竞争的,MAC,层协议,有“自适应侦听”机制的,S-MAC,协议,节点,A,、,B,确立通信关系时，节点,C,通过,B,的,CTS,帧内,duration(,持续时间,),字段得知信道通信结束时间。,在节点,A,、,B,传输结束时，,C,立即唤醒自己，与,B,建立通信关系。,两跳外的节点不参与其中。,优点：提高通信效率。,缺点：所有接收到,RTS,和,CTS,帧的节点，都会被唤醒，增加了能耗和串音的几率；缺乏多跳感知能力。,基于竞争的MAC层协议有“自适应侦听”机制的S-MAC协议节,基于竞争的,MAC,层协议,有“消息传递”机制的,S-MAC,协议,无需在每个数据帧传送的过程中都发送,RTS,、,CTS,管理帧,当有突发大量数据传输时，在第一个数据帧发送,RTS-CTS,管理帧，目的节点对每个数据帧逐个确认。,源节点和目的节点发送的每个帧都包含消息的剩余时间域。,基于竞争的MAC层协议有“消息传递”机制的S-MAC协议无需,基于竞争的,MAC,层协议,S-MAC,协议,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）,基本思想,S-MAC,协议的优势,扩展性好,载荷不大的情况下，能耗较少,串音避免,适应上层协议的分簇机制,S-MAC,协议的不足,忙闲比固定，无法适应载荷的动态变化,节点休眠带来时延，不适合实时性要求高的网络,网络复杂、规模大的网络，能耗较大,基于竞争的MAC层协议S-MAC协议周期性侦听/睡眠的工作方,基于竞争的,MAC,层协议,T-MAC,协议,T-MAC,（,Timeout MAC,）,协议,，实际上是,S-MAC,协议的一种改进。,S-MAC,协议的周期长度受限于延迟要求和缓存大小，而侦听时间主要依赖于消息速率。为保证消息的可靠传输，节点的周期活动时间必须适应最高的通信负载，造成网络负载较小时，节点空闲侦听时间的相对增加。,对以上不足的改进，提出了,T-MAC,协议：在保持周期侦听长度不变的情况下，根据,通信流量动态调整节点活动时间,，用突发方式发送消息，,减少空闲侦听时间,。其主要特点是,引入了一个,TA,时隙,。,基于竞争的MAC层协议T-MAC协议T-MAC（Timeou,基于竞争的,MAC,层协议,T-MAC,协议,在节点活动周期内,(,SYNC,、,DATA,),，如果在一个给定的时间段,TA,内,没有发生特定事件,(,定时器超时、接收到数据、发现无线信道、监听,RTS/CTS,，确认邻居节点完成数据传输等,),，则,节点提前结束活动进入睡眠状态,。,Active,Active,Active,Sleep,Sleep,S-MAC,Active,Active,Active,Sleep,Sleep,TA,TA,TA,T-MAC,基于竞争的MAC层协议T-MAC协议在节点活动周期内(SYN,基于竞争的,MAC,层协议,T-MAC,协议,早睡问题,节点,A,获得发送数据到节点,B,的机会，节点,A,发送,RTS,节点,B,，节点,B,应答,CTS,。节点,C,收到,B,发出的,CTS,而转入睡眠状态，在,B,接收完数据后醒来，以接收,B,发送给它的数据。,D,可能不知道,A,和,B,的通信存在，在,AB,通信结束后已经进入睡眠状态，节点,C,只有等到下一个周期才能传输数据到节点,D,。,基于竞争的MAC层协议T-MAC协议,基于竞争的,MAC,层协议,T-MAC,协议,解决早睡问题的方法之一,FRTS(Future Request To Send),节点,C,监听到,B,发送给,A,的,CTS,时，立即向,D,发送,FRTS,，告知,D,所需等待时间，,D,睡眠后醒来与,C,通信。,A,在发送,DS,占用信道，,DS,与,FRTS,长度相同无有效信息，,DS,发送后，,A,开始发送数据。,FRTS,机制提高了网络吞吐量，增大了数据量和碰撞概率,基于竞争的MAC层协议T-MAC协议解决早睡问题的方法之一,基于竞争的,MAC,层协议,T-MAC,协议,解决早睡问题的方法之二,满缓冲区优先,(Full Buffer Priority,FBP),节点,C,的,TA,时间即将结束时，收到,B,发来的,RTS,。,节点,C,对,B,的,RTS,不做,CTS,回应，而是向目标节点,D,发出,RTS,。,节点,C,与,D,开展通信。,避免了,D,的早睡问题。,控制了网络流量，但增加了碰撞的可能性。,基于竞争的MAC层协议T-MAC协议解决早睡问题的方法之二,基于竞争的,MAC,层协议,DMAC,协议,DMAC,（,Dynamic SMAC,）,基于,SMAC,和,TMAC,思想，,采用预先分配方法,来避免睡眠延迟，在信道分配方面引入一种,交错呼醒机制,。,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，保持网络在较长时间内路径不发生变化,假设数据有传感器节点向唯一的,Sink,单向传输,假设各节点间保持时间同步,在一条多跳传输路径上，各节点交替唤醒，如同锁链一样环