无线传感器网络MAC协议.docVIP

无线传感器网络MAC协议 MAC协议在WSN中，介质访问控制（Medium AessControl，MAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。 多点通信在局部范围内需要MAC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议选择通信路径。 在设计WSN的MAC协议时，需要着重考虑一下几个方面A、节省能量。 MAC协议应在满足应用要求的前提下，尽量节省使用节点的能量。 B、可扩展性。 由于WSN的拓扑结构具有动态性，因此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。 C、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。 而在WSN中，人们总结出可能导致网络能量浪费的主要原因如下 一、如果MAC协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的过程中，可能会引起多个节点发送数据的碰撞，这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。 二、节点接受并处理不必要的数据。 这种串音（overhearing）现象导致无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。 三、节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听（idle listening），以便接受可能传输给自己的数据。 四、在控制节点间信道分配时，如果控制信息过多，也会消耗较多的网络能量。 传感器节点无线通信模块的状态包括发送状态、接受状态、侦听状态和睡眠状态。 能量消耗依次减少，因此通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道使用策略。 当有数据收发时，节点就开启无线通信模块进行发送或侦听；如果没有数据需要收发，节点就控制无线通信模块进入睡眠状态。 部分学者提出引入休眠机制来减少能量消耗、串音和冲突的发生，但这是以牺牲信息时延为代价的。 当然，MAC协议应该简单高效，避免协议本身开销大、消耗过多的能量。 下面重点介绍传感器协议(S-MAC协议)。 传感器协议（SMAC协议）SMAC协议设计的主要目的是节能。 该协议通过周期性休眠获得低占空比运行；通过选择并维护休眠调度表实现信息传输的同步；通过串音避免机制延长网络生存周期；通过自适应监听机制降低由周期性休眠而引起的通信时延。 优点在于形成了能使彼此自由通信的平面拓扑结构，使之很容易适应拓扑结构的改变。 缺点在于节点周期性休眠增加了通信时延，并且时延会再每跳中积累。 1选择和维护休眠调度表所有节点可以自由选择自己的休眠调度表。 为了减少控制开销，S-MAC采用邻节点同步的方法，使得节点同时处于监听或休眠状态。 节点通过周期地对其所有直接邻节点广播同步帧SYNC帧的方式交换休眠调度表，每个节点发送SYNC帧的周期称为同步周期。 而选择建立邻节点的步骤如下step1节点首先监听至少为一个同步周期，如果没有监听到邻节点的休眠调度表，则立即随机选择一个，同时向邻节点广播SYNC帧来宣布自己的休眠调度表。 step2如果节点在选择和宣布自己休眠调度表前收到邻节点的休眠调度表，则将邻节点休眠调度表设定为自己的休眠调度表，在下一个监听时间宣布其休眠调度表。 step3如果节点在宣布了自己的休眠调度表后收到不同的休眠调度表，一方面如果节点没有邻节点，它将丢弃已宣布了的调度表并追随接收到的调度表。 另一方面如果节点有一个或多个邻节点，它将会按照这两个不同休眠调度表被唤醒。 2维持同步当邻节点同时监听或休眠时，每个节点会由于时钟漂移而引起同步误差。 SMAC协议采用相对的时间戳，且监听时间远大于时钟误差和漂移，以此来减少同步误差。 相邻节点仍然需要定期更新它们的休眠调度表来避免长时间的时钟漂移，通过发送SYNC帧（帧里包括了发送者的地址及下次休眠的时间）完成。 SMAC协议把监听间隔分成两部分。 第一部分接受SYNC帧，第二部分接收RTS帧，如下图1所示，其中CS表示载波监听。 图1接受节点与发送节点间的时序图例如发送者想发送SYNC帧，它在接受者开始监听时载波监听，并随机选择一个时隙来完成载波监听。 如果时隙结束没有检测到信息传输，则发送者赢得信道并同时发送它的SYNC帧。 3自适应监听自适应监听方法的基本思想是，监听到邻节点间进行数据传输（监听RTS帧和CTS帧的传输）的节点在此次传输结束后，醒来后监听一小段时间（自适应监听时间）。 如果该节点是此次数据传输的目的节点的下一跳节点，则准备执行数据接收与转发。 如果该节点在自适应监听阶段没有收到任何信息，将进入休眠状态，直到下一监听时间。 如图1的时序图所示，如果节点是发送者的邻居，它将收到RTS帧；如果节点是接收者的邻居，它将收到接收者CTS帧。 这样，节点将根据RTS/CTS帧的时间域确定自己醒来的时间。 自适应时间不包括SYNC帧的传输时间，SYNC帧只在调度表中的监听时间发送，以确保所有邻节点能够收到。 4避免冲突SMAC协议采用虚拟和物理的载波监听及RTS/CTS转换机制。 每个传输帧都有一个时间域，用来标明剩余的传输时间。 如果一个节点收到发送至另一个节点的帧，它便会知道该沉默多久。 节点采用一个交做网络分配矢量NAV的变量来记录这个值，并为它设置了一个计时器。 每次NAV计时器启动时，节点NAV的值随时间递减，直至为0。 当节点有数据发送时，它通过查看NAV的值是否为0来确定信道的状态，这称为虚拟载波监听。 载波监听是在物理层实现的，通过监听信道来确定是否有信息在传输。 5避免串音所谓串音就是指节点接受或处理不必要的信息，特别是在节点密度高和通信负载重的时候能造成巨大的资源浪费。 S-MAC协议试图让相互干扰的节点在收到RTS帧或者CTS帧后进入休眠的方法来避免串音。 图2节点A在向节点B发送信息时谁将休眠如图2所示，节点A、B、C、D、E和F组成了一个多跳网络，其中每个节点只能接受直接邻节点的传输。 假定节点A向节点B发送消息，那么D节点应该进入休眠状态。 节点C距离节点B有两跳，且它的传输与节点B的接收无干扰，所以类似于节点E，它可以自由地向其邻居发送信息。 然而，节点C不能得到节点E的回复，然而，节点C不能得到节点E的回复，如CTS帧或者数据帧，因为节点E和节点A的传输在节点C出发生干扰。 所以节点C的传输只是浪费能源。 因此，发送者和接受者的所有直接邻居在接到RTS帧和CTS帧后都应该休眠，直到当前传输结束。 6信息传递SMAC协议兼顾节能和减少时延的需要，采用信息传递的方式来有效地传输一个