MAC协议报告5.16解读.ppt

无线传感器网络MAC协议研究,目录,引言,无线传感器网络MAC协议的重要性,无线信道具有广播特性，即一个传感器节点可以将数据传输给周围的多个节点。这导致传感器节点在其广播范围内与其他节点共享无线信道，所以MAC（MediaAccessControl，介质访问控制）协议的设计至关重要。MAC协议决定了无线信道的使用方式，MAC协议的效率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键网络协议之一。,WSN的MAC协议与传统MAC协议的比较,通信中主要的能量浪费,（1）冲突重发(re-transmissionsofcollision)。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之间同时发送数据产生碰撞。这就需要重传发送的数据，从而消耗节点更多的能量。（2）串音（overhearing）。节点接收到本不是发送给自己的数据包。这种串音现象造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量。（3）空闲侦听（idlelistening），节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的监听以便接收可能传输给自己的数据。（4）空传（overemitting），目标节点未准备好，发送节点就开始发送，这种收发不同步导致分组空传的状况也会浪费能量。,Ref：MACProtocolsforWirelessSensorNetworks:aSurvey,无线通信模块状态及耗能,无线通信模块四状态：发送状态接收状态侦听状态休眠状态耗能：发送状态接收状态侦听状态休眠状态当射频电路关闭时，称节点处于“休眠状态”；当射频电路开启时，处于“唤醒状态”。空闲时关闭收发机是WSN中的一种重要节能方式。理想的情况下，只有在发送和接收数据包时，传感器节点才处于“唤醒状态”，然而这种理想状态在分布式部署时很难实现。,通信模式,传感器网络是与应用高度相关的。不同的网络结构、不同的应用场景和目的，其业务特征呈现多样性，需要采用不同的通信模式，以更有效地交换业务。基于不同的业务特征，MAC协议对不同通信模式的支持，可以有效减少节点能耗。所以对不同通信模式的支持与否，也是衡量MAC协议能量有效性的重要因素。无线传感器网络的通信模式可分为三种：（1）广播模式（broadcast）（2）会聚模式（convergecast）（3）本地通信（localgossip）,Ref：MACProtocolsforWirelessSensorNetworks:aSurvey,MAC协议设计的要求,（1）节省能量。MAC协议在满足应用要求的前提下，应尽量节省使用节点的能量。（2）可扩展性。传感器节点数目、密度等有可能不断变化，节点位置也可能移动，从而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。（3）网络效率。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。（4）能支持不同通信模式。注意：上述要求中，节能是第一位的。,MAC协议分类,MAC协议分类,WSN的MAC协议可以按以下几种不同的方式进行分类：（1）根据控制方式，分为分布式协议和集中式的协议。在大规模网络中通常采用分布式的协议。（2）根据使用信道数，可分为单信道、双信道和多信道。如S-MAC和LEEM分别为单信道和双信道的MAC协议。（3）根据信道的复用方式，可分为基于TDMA的时分复用固定式、基于CSMA的随机竞争式和混合式三种。（4）根据接收节点的工作方式，可分为侦听、唤醒和调度三种。（5）按分配信道方式，分为竞争型、分配型（基于预留的）和混合型。,基于竞争的MAC协议,CSMA机制,WSN采用的MAC协议是基于无线局域网普遍采用的传统MAC协议，即载波侦听多路访问（CSMA）机制，在基于竞争的MAC协议中，普遍采用CSMA机制以保证基本的数据通信。CSMA是先侦听后发送的机制。CDMA的基本操作如下。,A,B,CSMA机制,CSMA分类（处理冲突方式不同）,CSMA退避机制,A-B（A向B发送数据）C、D、E-F（A仍在发送，CDE欲发送）AB（A发送完毕）CDE-F（CDE同时发送，产生冲突）,F,引入退避机制：一旦当前的传输结束，节点会等待另一个IFS。若信道在此期间空闲，则在发送数据包之前，节点会在一系列数值（竞争窗口）中随机选择一个作为等待时隙数目。退避通过定时器执行，第一个退出退避的节点在时钟计时结束后开始传输。其他节点检测到新的传输并暂停他们的计时器。在下一个竞争周期中重新开始计时。另有二进制指数退避，解决两个或多个节点选择相同的退避时期的问题。不再赘述。,6,7,10,CSMA确认机制,另外为了使节点获知数据包的传输情况，在CSMA中引入了确认机制，汇聚节点会等待一段比IFS短的时间（即SIFS）后接收发送节点的发送请求消息，即SIFSIFS，并反馈一个应答（ACK）消息，发送节点接收到ACK消息后，被告知数据包已被正确接收，否则传输出错。,隐终端问题,隐藏终端（HiddenStations）：在通信领域，基站A向基站B发送信息，基站C未侦测到A也向B发送，故A和C同时将信号发送至B，引起信号冲突，最终导致发送至B的信号都丢失了。隐藏终端多发生在大型单元中（一般在室外环境）。,B,C,F,E,A,D,I,H,G,节点GHI并不不知道节点A向B发送了数据，对于节点B来说，这种现象称为隐终端问题。,CSMA/CA机制,为了降低隐终端发生冲突的概率，引入了CSMA/CA机制，CA代表冲突避免。CSMA/CA机制原理如下，一般将CSMA/CA中的四次信息交换称为四次握手。,如图所示为四次握手原理，每次握手之前都等待一个SIFSIFS持续时间；我们可以发现，当CTS分组被传输之后，节点B的临节点被告知正在传输，因此，隐终端问题通过四次握手得到了基本解决。因为SIFSC+R+T，其中C是竞争间隔的长度，R是RTS分组的传输时间，T是CTS分组传输的准备时间。如果在TA时间内节点没有发生以下四个激活事件之一，则认为当前网络空闲，节点可以直接转入睡眠，否则重新记数TA。（1）帧长度超时；（2）在信道上接受到任何数据（3）侦听到信道上有数据通信（4）节点自身数据发送完毕（5）得知邻居节点通信完毕另外T-MAC协议会产生早睡问题，导致数据堆积在发送线路的前端，迟迟不能传送到目的节点。T-MAC采用未来发送请求（FutureRequest-To-Send,FRTS）和满缓冲区优先（FullBufferPriority,FBP）的方法来解决。,Ref：Anadaptiveenergy-efficientMACprotocolforwirelesssensornetworks,T-MAC总结,T-MAC解决了S-MAC中固定侦听长度的问题，使得协议更好的适应动态流量，特别是小流量下，节点将很快转入休眠。但T-MAC存在以下缺点。1、FTRS增加了控制开销；2、FBP方式增加了冲突概率；3、由于唤醒工作的时间比较短，所以每帧能传输的数据量比S-MAC有所减少；4、虽然采取了多种措施来降低早睡发生的概率，但