第3章 无线传感器网络数据链路层设计.ppt

第三章无线传感器网络数据链路层设计 无线传感器网络数据链路层概述无线传感器网络数据链路层关键问题无线传感器网络的MAC协议竞争型分配型混合型 第三章无线传感器网络数据链路层设计 数据链路层 就是利用物理层提供的数据传输功能 将物理层的物理连接链路转换成逻辑连接链路 从而形成一条没有差错的链路 保证链路的可靠性 数据链路层也向它的上层 网络层提供透明的数据传送服务 主要负责数据流多路复用 数据帧监测 媒体介入和差错控制 保证无线传感器网络内点到点以及点到多点的连接 无线传感器网络的数据链路层研究的主要内容就是MAC和差错控制 怎样实现无线传感器网络中无线信道的共享 即介质控制协议 MAC 的实现是无线传感器网络数据链路层研究的一个重点 MAC协议的好坏直接影响网络的性能优劣 无线传感器网络数据链路层概述 第三章无线传感器网络数据链路层设计 1 网络性能的优化在MAC协议中 无线传感器网络的关键性能指标不是独立存在的 而是互相影响的 在提高一种性能的同时可能会降低其他性能 现在所提出来的MAC协议往往只考虑一种或两种性能指标 没有综合各种指标使之达到更好的性能 2 跨层优化无线传感器网络区别于传统的无线网络最重要的就是无线传感器网络各层之间能够实现合作和信息共享 在无线传感器网络中采用了跨层设计 各层之间能够通过共享一些信息来共同调节网络的性能 无线传感器网络数据链路层关键问题 第三章无线传感器网络数据链路层设计 3 能量效率问题在无线传感器节点中 能量消耗主要用于无线信号的收发 无线通信模块一般有4个状态 即发送 接收 空闲和休眠 在这4个状态中 能量消耗逐级递减 协议必须合理选择节点侦听和休眠的时间比例 还需考虑休眠期间节点的接收问题和唤醒期间节点收发的最大利用率问题 以最大限度地节省能量 无线传感器网络数据链路层关键问题 第三章无线传感器网络数据链路层设计 在无线传感器网络的链路层上 MAC协议的多余能量开耗主要体现在以下几个方面 碰撞 在无线信道上 如果有两个节点同时发送数据 那么这两个发送节点都将发射不成功 这会造成能量的大量浪费 持续侦听 在无线传感器网络中的接收节点无法预测数据何时到达 另外每个节点还需要侦听各节点的拥塞状况 因此节点必须始终保持侦听状态 以防特殊情况的发生 但这里包含了许多没必要的侦听 从而浪费了许多能量 控制开销 为了保证无线传感器网络的可靠性 MAC层协议需要使用一些控制分组来调节节点状态 但这些控制分组中不存在有用的数据 因此也要消耗一部分的能量 无线传感器网络数据链路层关键问题 第三章无线传感器网络数据链路层设计 3 公平性每个节点都有相同的权利来访问信道 每个节点的能量消耗保持大概的平衡 从而延长整个网络的寿命 5 可扩展性无线传感器网络域与其他无线网络相比 具有规模大 分布密集等特点 网络的节点分布结构会动态性地变化 因此无线传感器网络的MAC协议必须具备可扩展性 4 信道共享问题一般来说 在无线网络中存在三种信道共享方式 即点对点 点对多点 多点对多点 无线传感器网络采用的就是多点对多点共享方式 更准确地说应该是以一种多跳共享方式 也可以说这是一种信道的空间复用方式 无线传感器网络数据链路层关键问题 第三章无线传感器网络数据链路层设计 信道共享容易造成两个问题 数据的冲突 当同一信道上有两个节点都在发送数据时 若它们相互干扰则将导致数据包发送不成功 这会使数据的时延增加 也将消耗一些不必要的能量 因此避免信道的上冲突是信道共享所必须考虑的一个问题 串扰 在一个共享的无线信道中 每个节点都能够接收到在信道中传输的数据 但是有许多数据是自己不需要的 接收之后再将其抛弃 在这个过程中也将造成能量的大量浪费 无线传感器网络数据链路层关键问题 第三章无线传感器网络数据链路层设计 无线传感器网络MAC协议 分类 1 按节点接入方式划分发送节点发送数据包给目的节点 目的节点接收到数据包的通知方式通常可分为侦听 唤醒和调度三种MAC协议 侦听MAC协议主要采用间断侦听的方式 唤醒MAC协议主要采用基于低功耗的唤醒接收机来实现 当然也有集合侦听和唤醒两种方式的MAC协议 如低功耗前导载波侦听MAC协议 调度MAC协议主要使用广播中 广播的数据信息包含了接收节点何时接入信道与何时控制接收节点开启接收模块 第三章无线传感器网络数据链路层设计 2 按信道占用数划分在无线传感器网络中 按物理层所采用的信道划分方法 可以分为单信道 双信道和多信道三种方式 目前无线传感器网络中采用的主要是单信道MAC协议 3 按分配信道方式划分在无线传感器网络中 竞争性是区分MAC协议最重要的一个依据 竞争是指节点在接入信道的过程中采用的是随机竞争方式还是有计划的竞争方式 因此MAC协议可以分为固定接入和随机接入两种 竞争MAC协议基本上都属于随机接入协议 其实现非常简单 能灵活地解决无线节点移动的问题 能量波动非常小 无线传感器网络MAC协议 分类 第三章无线传感器网络数据链路层设计 基于竞争的MAC协议基于分配的MAC协议混合型MAC协议跨层MAC协议 无线传感器网络MAC协议 分类 第三章无线传感器网络数据链路层设计 根据无线传感器网络负载量小 针对节点间的公平性及通信延时要求不高等特点来设计的 其主要的设计目标是提供大规模分布式网络所需的可扩展性 并同时降低能耗 S MAC协议做出如下假设 大多数节点之间是进行多跳短矩离通信 节点在无线传感器网络中的作用是平等的 即一般情况下没有基站 为了减少通信量 采用网内数据处理 运用信号的协作处理 改善感知信息的质量 节点具有较长的空闲时间而且可以容忍一定的延时 网络寿命是首要考虑的问题 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 S MAC协议采用的机制有以下几种 将节点的工作模式分为侦听和睡眠两个状态 并让节点尽可能长时间睡眠以达到节能的目的 通过协商的一致性睡眠调度机制让相邻节点在相同时间活动 相同时间睡眠 从而形成虚拟簇 通过突发传递和消息分割机制来减少消息的传输延时和控制消息的开销 通过流量自适应的侦听机制 减少网络延时在传输过程中的累加效应 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 1 周期性地侦听和睡眠 睡眠侦听机制 S MAC协议基本的节能手段是依靠传感器节点定期进入睡眠状态从而减少节点空闲侦听的时间来实现的 S MAC协议把时间分割成许多时隙 在每个时隙中又划分为侦听和睡眠两个状态 在侦听状态 节点可以和其通信范围内的邻居节点自由地进行通信 在睡眠状态 为了减少节点功耗 不参与任何的数据传递活动 只是设定计时器开始计时 这样在经过一段时间后自己就能自动醒来 醒来后则立刻查看是否有消息传递给自己 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 S MAC协议将节点的活动状态分为两个部分以保证节点能接收到数据包和同步包 第一个部分用于发送和接收同步包 第二部分用于发送和接收数据包 每个部分都设有载波帧听时间 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 理论上 网络中所有的节点都需要遵守相同的调度时间 不能有丝毫的误差 但是由于传感器节点的时间表本身就是随时变化的 而且无线传感器网络还是多跳地传递数据 所以只有在局部节点之间才有可能形成同步 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 2 冲突避免 如果有两个或两个以上的邻居节点想同时与一个节点进行通信 那么它们都会试图在该节点的侦听时段发送消息 在这种情况下必然发生冲突和碰撞 于是它们就需要开始争夺对信道的使用权 如下所示的多跳网络 它由节点A B C D E F构成 每个节点只能和其一跳以内的邻居节点进行数据的传输 假设此时节点A正向节点B发送数据 那么显然节点D应该睡眠 因为它的传输干扰了B正确接收A发出的数据 而节点E和F不会影响其他节点 所以它们不需要睡眠 C和B之间的距离有两跳远 即使它传输数据也不会干扰到B接收 所以它可以自由地向其他节点 如E 发送数据 但是 C却无法接收E的应答 CTS或其他数据等 这是因为E和A同时传输会在节点C处产生冲突 所以即使C传输 也是浪费能量 总而言之 不管是发送者还是接收者 它们之间相邻的节点在听到CTS或RTS包后都需要睡眠 一直要等到传输结束才可以醒来 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 3 自适应侦听 S MAC协议中 节点周期性地进入睡眠状态会增加延时 这种延时并不会自动消除 反而会在每跳中累积 所以S MAC采用自适应侦听策略来减少这种累加的效应 它的基本思想是当一个节点在其通信范围内得知相邻的节点要传输数据时就睡眠并记录其传输数据的时间 只有当其相邻的节点传输数据结束后才能醒来一个短暂的时间 这时它可以通过侦听信道查看信道的状态 忙或空闲 判断是否有数据需要传输 在这种方式下 如果此时正好有一个消息需要传递给该节点 那么它就可以立刻接收 而不用等到该节点的睡眠结束后再进行传递 假如没有任何消息需要传递给该节点 那么它就继续睡眠 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 4 消息传递 S MAC传输大量数据 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 T MAC协议1 基本思想相对于S MAC协议来说 保持了S MAC的周期 根据网络负载的流量自适应地调整激活的时间 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 T MAC协议规定 当邻居节点还没有结束通信时 节点不能进入到睡眠状态 因为该节点很有可能就是下一个数据的目的节点 假设节点检测到串扰以后能够触发一个空闲间隔TA TA必须要足够大 以保证节点能够监测到串扰的CTS T MAC协议规定TA取值约束为TA C R T式中 C为竞争信道的时间 R为发送RTS的时间 T为RTS分组发送结束到开始发出CTS的时间 节点发送完RTS分组之后 如果未收到对应的CTS分组 那么就有三种情况 由于无线信道发生碰撞 目的节点没有接收到RTS分组 目的节点已经收到串扰的分组 目的节点正处于睡眠状态 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 如果发送节点在TA时间间隔内没有收到CTS分组 它就会进入睡眠 但是从上面的前两种情况可以看出节点还没有收到CTS分组 直接进入睡眠会导致实时性降低 接收节点一直都处于空闲监听 浪费大量的能量 因此TMAC协议规定 节点发送RTS分组之后没有收到CTS分组 则重新发送一次RTS分组 还没有收到则进入休眠状态 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 2 需要解决的主要问题 早睡问题 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 未来请求发送 采用提前通知需要接收数据的节点的方法来实现早睡的避免 如上页中的a所示 当节点C接收到CTS后 除了触发自己保持监听状态之外 还发送一个FRTS分组给节点D FRTS分组中含有节点D需要等待的时间 在此空闲状态中 节点D必须要保持侦听状态 在节点C发送FRTS时看哪个节点会干扰节点A发送的数据 因此节点A需要延迟原数据的发送响应的时间 但是又必须保持对信道的占用 因此节点A在这段时间内发送一个与FRTS一样长度的分组 该分组不包含任何有用的数据 然后才接着发送有用数据信息 从而数据传到节点C之后节点D还是处于唤醒状态 保证数据的实时传输 由于采用了未来请求发送机制 协议需要增加一个FRTS分组传输的时间 该方法提高了系统吞吐量和实时性 但是多了一些控制消息 相应地要消耗能量 第三章无线传感器网络数据链路层设计 满缓冲区优先 当节点的缓冲区快满时 节点对收到的RTS分组不回复CTS 而是立即向缓冲区内数据的接收节点发送RTS 建立连接之后发送数据 以减轻缓冲区负载 如前页中的b所示 节点B向节点C发送RTS 而节点C因为缓冲区满不回复一个CTS分组 而是向节点D发送RTS以求数据传输 这种方法在一定程度上减少了早睡问题的发生概率 并可控制网络负载流量 但在网络负载过大时更容易发生冲突 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 Sift协议对CSMA CA机制进行修改 竞争窗口的大小是原本就设定好的 采用非均匀概率来决定是否发送数据 它具有以下几个特点 1 无线传感器网络中基于空间的竞争 一般来说 许多无线传感器网络都在某一区域放置了多个节点 利用多个节点监测到同一事件来保证数据的可靠性 这种冗余数据的发生将导致邻居节点间相互抢占信道 从而造成基于空间的竞争 2 基于事件的报告方式 在无线传感器网络中 并非所有的节点都需要报告事件 汇聚节点只需接收到所发生事件的相关信息即可 3 感知事件的节点密度的自适应调整 大量的无线传感器节点接收到同一事件后 随着目标的移动或者时间的推移 传感器网络感知到事件的节点也会相应地发生变化 从而能够更好地观测目标事件 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 无线传感器网络MAC协议 基于竞争的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 SMACS协议 1 基本思想SMACS协议假设每个节点都能够在多个载波频点上进行切换 该协议将每个双向信道定义为两个时间段 这类似于TDMA机制中分配的时隙 SMACS协议是一种分布式协议 允许一个节点集发现邻居并进行信道分配 由于邻近节点分配的时隙有可能产生冲突 为了减少冲突的可能性 每个链路都分配一个随机选择的频点 相邻的链路都有不同的工作频点 当链路建立后 节点在分配的时隙中打开射频部分 与邻居进行通信 如果没有数据收发 则关闭射频部分进行睡眠 在其余时隙节点关闭射频部分 降低能量损耗 无线传感器网络MAC协议 基于分配的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 2 关键技术 节点在上电后先进行邻居发现 每发现一个邻居 这一对节点就形成一个双向信道 即一个通信链路 在两个节点的超帧中为该链路分配一对时隙用于双向通信 随着邻居的增加 超帧慢慢地被填满 每对时隙都会选择一个随机的频点 减少邻近链路冲突的可能 这样全网很快就能在初始化建立链路 这种不同步的时隙分配称为异步分配通信 SMACS协议 无线传感器网络MAC协议 基于分配的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 如图所示 假设节点B C G进行邻居发现 这些节点在随机的时间段内打开射频模块 在一个固定的频点监听一个随机长度的时间 如果在此监听时间内节点没有接收到其他节点发出的邀请消息 那么随后节点将发送一个邀请消息 图中 节点C就是在监听结束后广播的一个邀请消息Type1 节点B和节点G接收到节点C发出的Type1消息后 等待一个随机的时间 然后各自广播一个应答消息Type2 如果两个应答消息不冲突 节点C将接收到节点B和节点G发来的邀请应答 节点C在这里进行一个选择 可以选择最早到达的应答者 也可以选择接收信号强度最大的应答者 在选择了应答者后 节点C将立即发送一个Type3消息通知哪个节点被选择 此处选择最早到达的节点B作为应答者 节点G将关闭射频部分进入睡眠 并在一个随机的时间后重新进行邻居发现 SMACS协议 无线传感器网络MAC协议 基于分配的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 如果节点C已经选择了邻居 将在消息Type3中携带分配信息 该信息包含节点C的下一个超帧的起始时间 在收到该分配消息后 节点B将和本地的超帧起始时间进行比较 得到一个时间偏移 并找出两个共同的空闲时间段作为时隙对 分配给节点B和节点C之间的链路 在确定了时隙对后 节点B选择一个随机的频点 将时隙对在超帧中的位置信息以及选择的频点通过消息Type4发送给节点C 经过这些测试信息的成功交换后 节点B和节点C之间就完成了时隙分配和频率选择 在SMACS形成的网络中 与超帧同步的节点组成一个子网 如图3 10所示 节点A 节点D和节点B 节点C分别组成子网 随着邻居的增加 子网的规模会变大 并且会和其他子网的节点建立链路 实现整个网络的无缝连接 两个不同子网的节点在建立通信链路时 如果超帧有重叠的空闲时段 可以为新链路分配时隙 则可以成功建立链路 否则 节点只能放弃并寻找其他节点来建立链路 无线传感器网络MAC协议 基于分配的MAC SMACS协议 第三章无线传感器网络数据链路层设计 3 移动性管理 EAR算法EAR算法定义了一种新的信令机制 主要使用4种消息 建立移动节点和静止节点之间通信链路的机制主要有以下步骤 1 静止节点会每间隔固定个超帧发送一次BI消息 移动节点在接收到静止节点的BI消息后将开始连接过程 2 静止节点在接收到MI消息后需要检查连接是否可以建立 3 连接建立后 移动节点在移动过程中会接收到新的邻近静止节点发送的BI消息 移动节点会根据信道质量选择淘汰邻居节点记录中连接质量较差的邻居节点 SMACS协议 无线传感器网络MAC协议 基于分配的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 TRAMA协议 在NAMA协议的基础上引入了睡眠机制 该协议的信道分配机制不仅能够保证能量效率 而且对于带宽利用率 延迟和公平性也有很好的支持 1 基本思想 TRAMA协议采用了流量自适应的分布式选举算法 节点交换两跳内的邻居信息 传输分配时指明在时间顺序上哪些节点是目的节点 然后选择在每个时隙上的发送节点和接收节点 TRAMA协议由三个部分组成 近邻协议 NP 和分配交换协议 SEP 允许节点交换两跳内的邻居信息和分配信息 自适应选举算法 AEA 利用邻居和分配信息选择当前时隙的发送者和接收者 让其他与此次通信无关的节点进入睡眠状态以节省能量 无线传感器网络MAC协议 基于分配的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 TRAMA协议将一个物理信道分成多个时隙 通过对这些时隙的复用为数据和控制信息提供信道 每个时间帧分为随机接入和分配接入两部分 无线传感器网络MAC协议 基于分配的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 TRAMA协议 2 关键技术 1 NP协议 在无线传感器网络中 由于节点失效或者新节点加入等现象存在 网络拓扑在动态地变化 TRAMA协议需要适应这种变化 2 分配交换协议 SEP 分配交换协议用于建立和维护发送者和接收者选择时隙要分配的信息 首先每个节点生成分配信息 然后通过广播实现分配信息交换和维护 无线传感器网络MAC协议 基于分配的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 为了提高能量效率 TRAMA尽可能地让节点处于睡眠状态 通过重用已经分配但未使用的时隙来提高带宽利用率 在分配接入周期任一给定的时隙t中 任一节点的状态是由该节点的两跳邻居信息和该节点的一跳邻居发布的分配信息来确定的 有发送 接收 睡眠三种中的一个状态 TRAMA协议 无线传感器网络MAC协议 基于分配的MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 竞争型MAC协议能很好地适应网络规模和网络数据流量的变化 可以更灵活地适应网络拓扑结构的变化 无须精确的时钟同步机制 较易实现 但存在能量效率不高的缺点 如冲突重传 空闲监听 串扰 控制开销引起的能量消耗分配型MAC协议将信道资源按时隙 频段或码型分为多个子信道 各个子信道之间无冲突 互不干扰 数据包在传输过程中不存在冲突重传 所以能量效率较高 此外 在分配型MAC 如TDMA 中 节点只在分配给自己的时隙中打开射频部分 其他时隙关闭射频部分 可避免冗余接收 进一步降低能量损耗 但是分配型MAC协议通常需要在网络中的节点形成簇 不能灵活地适应网络拓扑结构的变化混合型MAC协议根据通信情况自适应的采取竞争方式或分配方式 无线传感器网络MAC协议 混合型MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 1 基本思想ZMAC协议是一种混合型MAC协议 采用CSMA机制作为基本方法 在竞争加剧时使用TDMA机制来解决信道冲突问题 ZMAC引入了时间帧的概念 每个时间帧又分为若干个时隙 在ZMAC中 网络部署时每个节点执行一个时隙分配的DRAND算法 在时隙分配完成后 每个节点都会在时间帧中拥有一个时隙 分配了时隙的节点成为该时隙的所有者 所有者在对应的时隙中发送数据的优先级最高 ZMAC协议 无线传感器网络MAC协议 混合型MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 2 关键技术在网络部署阶段 节点启动以后ZMAC协议将顺序执行以下步骤 邻居发现 时隙分配 本地时间帧交换 全局时间同步 在网络的运行过程中 除非网络拓扑结构发生重大变化 否则节点不会重复上述步骤 避免浪费能量 1 邻居发现和时隙分配 2 本地时间帧交换 每个节点在分配了时隙后需要定位时间帧 常规的方法就是所有的网络节点都保持同步 并且所有的节点对应的时间帧都相同 也就是具有同样的起始时刻和结束时刻 ZMAC协议 无线传感器网络MAC协议 混合型MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 3 传输控制在网络的初始化阶段完成之后 每个节点都同步到了一个全局的时钟 并且都拥有了自己的时间帧和时隙 可以对外提供服务 在ZMAC协议下 每个节点可以工作在两个模式 低冲突级别和高冲突级别 4 局部同步由于使用了载波侦听和拥塞退避机制 在发生时钟错位的情况下 ZMAC协议比TDMA协议有更强的生命力 在完全失去时钟同步的情况下 ZMAC退化为CSMA协议 在低的冲突情况下 ZMAC可以不需要时钟同步 此时协议的性能和CSMA相仿 在高冲突的情况下 ZMAC协议需要在时间同步的基础上实现HCL ZMAC协议 无线传感器网络MAC协议 混合型MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 MINA是一种基于跨层设计的大规模无线网络协议架构 网络通常由数百个低电量低运算能力的传感器节点组成 同时网络中还有一些基站节点 基站通常具有较强的运算能力 并具有充足的能量 在MINA架构中 节点分为三种类型 大量静止的低容量 内存 CPU 能量 传感器节点 少量手持移动节点 静止的大容量基站节点 MINA协议 无线传感器网络MAC协议 混合型MAC 第三章无线传感器网络数据链路层设计 MINA架构中网络节点是以层的形式来组织的 距离基站跳数相同的节点组成一层 第一层节点距离基站跳数为1 第二层节点距离基站跳数为2 依次类推 如图3 16所示 网络共有三层 根据距离基站的跳数 每个节点的邻居也可以分为三类 即内部邻居 同等邻居 外部邻居 距离基站跳数比本地更小的邻居为内部邻居 跳数相同的邻居为同等邻居 跳数更大的邻居为外部邻居 MINA协议 无线传感器网络MAC协议