竞争型MAC协议.ppt

基于竞争的MAC协议,MAC协议的分类,基于单信道使用信道数目基于双信道基于多信道基于竞争的分配信道方式基于预留的混合的网络类型同步异步,基于竞争的MAC协议,基本思想一般所有节点共享一个信道。当无线节点需要发送数据时，主动抢占无线信道，当在其通信范围内的其他无线节点需要发送数据时，也会发起对无线信道的抢占。因此，需要依赖节点之间受控的竞争机制来建立通信连接。,基于竞争的MAC协议,优点可根据需要分配信道，所以能较好的满足节点数量和网络负载的变化。能较好地适应网络拓扑的变化。不需要复杂的时间同步和控制调度算法。比如说：基于调度的MAC协议必须保存并维持用来指示传输规则的调度方式或者时间表。而大多数基于竞争的协议则不需要保存，维持，或者共享状态信息。这就使得基于竞争的协议能更快的适应于网络拓扑和通信特征的变化。,S-MAC基本简介,简介S-MAC（SensorMAC）是一种基于CSMA随机竞争方式的MAC协议，其冲突避免机制类似于IEEE802.11，并在此基础上加以改进。目标减少不必要的能量损耗同时提供良好的扩展性（scalability）和碰撞避免机制,S-MAC基本简介,基本思想当节点不需要发送数据时，尽可能地让它处于功耗较低的睡眠状态。S-MAC提出了“适合于多跳无线传感器网络的竞争型MAC协议的节能方法”。采用周期性睡眠和监听方法可减少空闲监听带来的能量消耗。当节点正在发送数据时，根据数据帧特殊字段让每个与此通信无关的邻居节点进入睡眠状态，以减少串扰带来的能量消耗。采用消息传递机制，减少控制数据带来的能量损耗。,S-MAC的关键技术,周期性监听与睡眠串音避免多跳感知自适应监听消息传递,周期性监听与睡眠,由于空闲侦听消耗大量的能量资源，S-MAC协议引入了占空比技术（duty-cycleapproach），节点在监听状态和睡眠状态周期性的转换。监听时间和整帧持续时间之比称为占空比。,图1周期性监听和睡眠时间表,在休眠期间，节点的无线收发机关闭以节省能量，即这些节点与网络断开。每个节点周期地在一段时间内侦听信道，等待业务的到来，然后进入休眠直到下一激活期。,周期性监听与睡眠,每个节点可以选择自己进行监听和睡眠的时间表，使用相同时间表的节点被认为属于同一虚拟簇（不是真正的聚集在一起），所有节点都可以和它簇以外的节点自由通信。如下图所示，监听阶段又被分为两部分，分别用于同步（SYNC）消息和数据（DATA）分组的发送和接收。构建虚拟簇可通过周期同步消息实现。,图2S-MAC的监听和睡眠时间间隔,周期性监听与睡眠,节点通过SYNC消息周期性地交换它们的时间表。（每个节点都知道其邻居节点何时唤醒）。,图3S-MAC同步包结构,传感器节点号,下一个睡眠时间,SYNC包括发送节点的身份认证和切换到睡眠状态的剩余时间。,周期性监听与睡眠,为了选择一个时间表，节点首先以一段确定的时间来监听（长度通常大于一个调度周期）。如果这个节点从邻居节点处获得了一个时间调度表，它就选择这个时间调度表为自己的，即这个节点成为一个跟随者（follower）。此外，节点在一个随机时延td后广播这个时间调度表，使得产生多个跟随者发生碰撞的可能性最小。如果一个节点在它选择了自己的调度时间表后又收到了邻居节点的调度时间表，节点也可以采用多个时间表。此时有两种情况：如果节点只有一个邻居节点，那么节点放弃自己当前的调度方式；如果节点还有其他邻居节点，那么节点将遵循着两个时间表，并且在两个时间调度表的监听阶段都会被唤醒。如果一个节点没有从其他节点那监听到时间表，它可以自己决定自己的时间表，然后广播这个时间表给它所有的潜在邻居节点，这个节点就成为了一个同步节点（synchronizer）。（因为其他节点将根据它来同步自己的时间表）,周期性监听与睡眠,图4S-MAC协议的虚拟簇,同步节点,跟随节点,边界节点,在部署区域广阔的传感器网络中，能够形成众多不同的虚拟簇，可使得S-MAC具有良好的扩展性。为了适应新加入的节点，每个节点都要定期广播自己的调度。,串音避免,调度表一旦建立，在监听时段的数据时隙执行数据分组传输，同样使用CSMA/CA机制也就是说，在数据时隙期间，有数据传输的节点使用RTS-CTS机制竞争无线传输媒体RTS-CTS交换后，传输节点开始传输分组，虚拟簇中的其他节点切换到睡眠状态等待该周期结束这种机制避免了空闲侦听期间的能量消耗，被称为是串音避免,多跳感知,S-MAC协议的主要缺点是它仅仅控制网络中局部节点间的交互，也就是维护单跳操作。无线传感器网络的多跳本质要求对为单跳无线局域网设计的CSMA/CA机制作改进。然而，传统的分层体系结构多跳通信在网络层处理。MAC层处理多跳通信任务被称为多跳感知（Multi-hopAwareness）。,多跳感知,图5多跳相关问题,多跳感知,多跳感知的理想解决方案需要很多前提：首先，整个网络必须保持时间同步，这样才能保证每个节点都能在精确的时间点被唤醒。其次，需获知数据包的传输路由。此外，还可能会有其他数据报在网络传输中发生信道竞争。,自适应监听,为了解决多跳感知问题，S-MAC采取了一种自适应监听机制。自适应监听不承担路由发现的任务，也不负责规划数据包发送的路由，而是提供了一个尽力而为的解决方案。自适应监听允许监听传输的数据包，若传输结束，则这些节点会被唤醒，将他们选为下一跳。,图6S-MAC自适应监听机制,自适应监听,自适应监听提供一个尽力而为的服务来减少基于占空比的MAC协议的时延。然而，这种方案可能并不总是降低时延。相反的，由于所有监听传输的邻居节点进行自适应监听，可能增加功耗。,消息传递,S-MAC协议采用消息传递(messagepassing)机制，很好地支持长消息传递。该机制是将长消息分为若干短包，采用RTS/CTS握手机制集中连续发送全部短包，即可提高发送成功率，又可减少控制开销。这种机制增加了其他节点的睡眠时间，但导致公平性问题。,消息传递,消息传递机制原理：长消息被分成几个小的分组，一旦通过RTS/CTS握手协议获得信道，则持续发送数据分组，即仅第一个数据分组需要RTS/CTS。每个数据包都伴随着一个来自汇聚节点的应答数据包。此外，发送节点和汇聚节点发出的数据包中包含突发数据包传输的剩余时间。这样，其他节点就可以根据这个时间来决定是否访问信道。,图7S-MAC的消息传递机制,S-MAC总结,使用占空比技术，能量消耗更少。同步机制形成虚拟簇，基于簇的协议可以很容易的纳入其中。假定网络数据流量恒定，所以不能为突发流量提供灵活性，同时还可能增加通信时延。不适应于对时延敏感的实时数据传感网和高密度高负载的网络。,T-MAC协议,为了减少能耗，T-MAC协议针对S-MAC协议进行了改进，在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态的调整活动时间，以突发方式发送信息，减少空闲侦听时间。如图8所示，T-MAC协议相对S-MAC协议减少了处于活动状态的时间。,图8S-MAC和T-MAC的基本机制,载波检测机制,为了减少空闲监听，提出了一种载波检测机制，通过使节点的无线收发装置有规律地处于“工作”、“待命”状态，而不丢失发送给该节点的数据，以减少空闲侦听的能量消耗。这种机制工作在物理层，它在每个无线数据包的前面附加了一个前导载波Preamble，这个前导载波Preamble的主要作用是通知接收节点将有数据发送过来，使其调整为接收模式准备接收数据。,载波检测机制,图9低功耗前导载波周期侦听机制,这种机制的主要思想是减少接收节点在空闲侦听上的能耗，使接收节点能周期性地开启无线收发装置，侦听是否有前导载波Preamble，从而决定是否要接收数据。如果接收节点在工作状态检测到前导载波Preamble，它就会一直侦听信道，直到数据被正确地接收；如果节点没有检测到前导载波，接收节点的无线装置将被置于“待命”状态，直到下一个前导载波检测周期到来，如图9所示。,LPL协议,这种有效的载波侦听方法可以和任何一种基于竞争的MAC协议相结合，将其与ALOHA协议结合，提出了前导字段侦听(Preamblesampling)协议；将其与CSMA协议结合，提出了低功耗侦听(Lowpowerlistening)协议。这两种协议统称为LPL协议。LPL协议通过周期性关闭无线装置节省节点的能耗，对节点的存储能力要求很低，并且不需要周期性的信息交换和维护邻居节点的状态信息，节省了协议的控制开销，具有良好的可扩展性，但减小了数据成功发送的概率。前导字段的长度与节点的无线模块通断时间有关。节点周期睡眠的时间越长，发送节点发送数据时前导字段的长度就越长。因此，随着前导字段长度的增加，发送节点的能量消耗也随之增加。,WiseMAC,由于唤醒前导会随着节点周期休眠时间的增加而变长，增加了发送节点的控制开销，因此必须压缩前导序列的长度。WiseMAC采用动态调整前导长度方法减少控制开销，其基本思想是通过在数据确认包中携带节点下次信道侦听时间，节点获得所有邻居的信道侦听时间。在发送数据时，可以将唤醒前导序列压缩到最短。WiseMAC协议可以很好地适应网络流量变化，它是针对WiseNET设计的MAC协议。但是由于节点需要存储邻居节点的信道侦听时间，会占用宝贵的存储空间，增加协议实现复杂度，尤其是在节点密度较高的网络内这个问题尤为突出。,B-MAC,B-MAC协议是加州大学伯克利分校开发的伯克利媒介访问控制协议(BerkeleyMediaAccessControl,B-MAC)，该协议是一个设计和实现简单，且可配置的MAC协议。B-MAC协议采用空闲信道评估CCA(ClearChannelAssess)技术进行信道监测，采用低功耗侦听LPL(LowPowerListening)机制实现低功耗通信，采用退避算法减少碰撞，使得其性能远高于S-MAC协议。B-MAC协议无需共享调度信息，可以有效缩短唤醒时间，因此，在吞吐量和延迟等方面优于S-MAC协议，但在减少能耗方面并没有太大优势，对B-MAC协议和S-MAC协等协议进行比较后得出，B-MAC协议更适合于延迟要求不高的应用，在延迟要求较高的情况下，S-MAC等同步MAC协议更节能。,X-MAC协议,X-MAC是一种基于异步竞争的MAC协议，是LPL方法基础上的一种改进，通过占空比周期性侦听、频闪前导、前导码嵌入目的地址等技术，使得节点只需串听一个频闪前导就能快速进入休眠，发送延时和收发能量消耗都比较小。为了缩短前导长度，减少能耗，X-MAC协议将前导序列分为若干个较小的频闪前导(strobedpreamble)，每个频闪前导中都包含有目的地址，便于非接收节点尽早丢弃分组进入休眠。利用频闪前导之间的时间间隔，接收节点可以向源节点发送早期确认，发送节点接收到早期确认后立刻发送数据分组，从而避免发送节点过度前导和接收节点过度侦听。图9比较了B-MAC、WiseMAC等一般扩展前导MAC协议和X-MAC协议的时序关系。X-MAC协议还设计了一种自适应算法，根据网络流量变化动态调整占空比以减少单跳延迟。,X-MAC协议,图10LPL与X-MAC时序关系,X-MAC工作过程,图11X-MAC工作过程,发送节点定时唤醒，如果有数据包要发送，就在信道上发送嵌入地址信息的短频闪前导码，等待目标节点的应答。如果目的节点在其唤醒时期时接到，就给发送节点返回ACK应答，表明已经唤醒可以开始数据交换。,发送节点接收到此应答后开始数据传输。非目的节点在唤醒时期接收到此前导码则立即休眠以节省能量。,X-MAC的优点,X-MAC协议在能量效率、吞吐量和延迟等性能上优于B-MAC协议和WiseMAC协议。与传统的基于LPL的MAC协议相比，X-MAC协议更易于被支持分组无线收发器的无线传感器节点所实现。但是X-MAC协议对时间同步精度要求高于WiseMAC，分组长度、数据发送速率等协议参数还需进一步确定。田海涛等人在一种低功耗的无线传感器网络MAC协议一文中，在采用低功耗侦听机制基础上，为了进一步节省能耗，结合了X-MAC协议和WiseMAC协议的优点，提出了优化低功率侦听扩展前导序列机制XW-MAC。XW-MAC协议中还增加了自适应机制，以适应不同的网络流量。,X-MAC的缺点,首先，各个节点在有数据包要传输的时候，需要立即发送前导码报文，如果不能及时被目标节点接收到，就会造成前导码过长的情况。而且节点为了接收一个完整的短频闪前导必须在每个调度周期的开始都唤醒一段足够长的时间。另外，由于传感器节点采用的晶振固有频率的偏斜和相位偏移等，会造成各个传感器节点之间的休眠唤醒周期的误差越来越大因此，随着X-MAC的运行，会有很大的能量浪费，而且随着运行时间的累积，性能逐渐变差。针对X-MAC的这些不足，朱宝晖等人在面向输电线路监测网络混合MAC协议改进方法一文中，借鉴同步MAC协议S-MAC的思想，设计出一种新SX-MAC。该协议每隔一段固定的时间进行一次簇内同步操作。通过同步操作，发送节点能够根据簇内邻居节点间的同步误差，大幅度地削减数据传送时前导码发送的长度。SX-MAC还引入了簇间数据传输的休眠/唤醒交错调度机制，以尽