第14章-物联网通信技术VIP

第14章WSN中的MAC协议；基于14.1竞争的MAC协议基于14.2分时多路复用的MAC协议摘要；基于14.1竞争的MAC协议14.1.1IEEE802.11MAC协议目标IEEE802.11 MAC协议包括分布式协调(DCF)和点代码(PCF)其中DCF是IEEE 802.11协议的默认访问控制方法。无线信道中很难检测到信号冲突，因此只有随机退避方法才能降低数据冲突的概率。在DCF工作方式中，节点接收到使用中的无线信道后，可以使用CSMA/CA机制和随机退避时间技术共享无线信道。所有定向通信还使用立即主动发送ACK确认帧的机制，如果未接收到ACK帧，则发送方将重新发送数据分组。PCF的工作方式是无竞争、基于优先级的访问，可以选择性地控制。访问接入点(AP)以调整节点的数据发送和接收，通过轮询查看当前哪个节点有数据传输请求，并根据需要授予数据传输权限。在DCF操作模式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。物理托架侦听在物理层提供，而虚拟托架侦听在MAC层提供。如图14.1.1所示，节点a试图将数据发送到节点b，节点c在a的无线通信范围内，节点d在b的无线通信范围内，但不在a的无线通信范围内。图14.1.1CSMA/CA虚拟载波侦听示意图，节点a首先向b发送请求帧(Request-to-Send，RTS)，节点b发送清除帧(Clear-to-Send，CTS)两个帧都包含表示此数据交换所需持续时间的字段，称为网络分配向量(NAV)，此信息也传递到其他帧的MAC头。节点c和d收到此信息后，在此次数的交换完成之前，不会再发送任何数据。NAV可以看作是以统一速度计算为零的计数器。计数器为0表示通道空闲，否则表示通道正在使用中。IEEE802.11MAC协议提供了三个默认帧间空间(ifs)，可提供无线通道的访问优先级。三帧之间的间隔为：尾部SIFS(ShortIFS:最短帧之间的间隔)。使用SIFS的帧具有最高优先级，用于需要立即响应的服务，如ACK帧、CTS帧、控制帧等。PCF ifs(pifs):节点用于获取非竞争访问周期开始时访问通道的优先级的帧之间的间隔。随机difs(DCF ifs):DCF导向节点用于发送数据帧和管理帧的帧之间的间隔。上述帧之间的间隙满足关系：DIFSPIFSSIFS。根据CSMA/CA协议，节点在发送数据分组时首先接收通道状态。如果通道空闲，并且通道在一帧之间的间隔DIFS后仍然空闲，节点将立即开始发送数据分组。如果通道正在使用中，节点将等待通道，直到通道的空闲时间超过DIFS。如果通道最终空闲，节点将进入退避状态以避免冲突，另外使用二进制退避算法(BinaryBack-offAlgorithm)，如图14.1.2所示。随机退避时间为，退避时间=Random()aSlottime(14.1.1)表达式，Random()是在竞争窗口0，CW内均匀分布的伪随机整数。CW是其值介于标准中指定的aCWmin和aCWmax之间的整数随机数。ASlottime是插槽时间，包括发送开始时间、介质传送延迟和通道的响应时间检测。图14.1.2CSMA/CA访问机制时序图，在节点进入退避状态时启动退避计时器，在计时达到退避时间时结束退避状态。在后端状态下，只有检测到通道空闲时，才会执行计时。如果通道正在使用中，后端计时器将停止计时，直到检测到大于DIFS的通道空闲时间。如图14.1.3所示，多个节点延迟进入随机退格时，使用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争胜者。，图14.1.3IEEE802.11MAC协议的退避机制，IEEE802.11MAC协议通过主动检查机制和调度机制提高了性能，如图14.1.4所示。在主动验证机制中，如果目标节点收到有效的数据帧，则必须向源节点发送响应帧(ACK)，以确保正确接收数据。为了防止目标节点在ACK传输过程中与其他节点发生冲突，目标节点使用SIFS帧作为间隔。预确认机制只能用于具有明确目标地址的帧，不能用于多播消息和广播消息的发送。为了减少在节点之间使用共享通道的冲突概率，保留机制要求源节点和目标节点在发送数据帧之前交换短控制帧。也就是说，发送请求帧RTS并清除帧CTS。通道始终被此数据交换过程占用，从RTS(或CTS)帧的开始到ACK帧的结束。有关此期间的信息包含在RTS和CTS框架中。每个节点都维护一个记录网络分配矢量NAV的计时器，以表示通道消耗的剩馀时间。收到RTS或CTS帧后，必须更新所有节点上的NAV值。节点只能在NAV减少到0时发送信息。通过这种方式，RTS帧和CTS帧保留用于节点数据传输的无线通道。图14.1.4IEEE802.11MAC协议的响应域保留机制，14.1.2S-MAC协议-sensor MAC(sac)协议是基于IEEE802.11MAC协议的无线传感器网络MAC协议，用于WSN的节能要求。S-MAC协议通常假定WSN的数据传输量较小，而节点进行协作，通过在网络内执行数据处理和整合减少数据流量，网络可以允许一定程度的通信延迟。它的主要设计目标是提供良好的可扩展性，减少节点能耗。S-MAC协议使用周期性接收/睡眠的低负载工作方式，以减少节点能耗，前提是WSN由于冲突重发、串扰、空闲接收和控制消息等原因可能消耗更多能量。相邻节点通过协商一致的睡眠调度机制形成虚拟群集，从而减少节点的空闲接收时间。通过流量自适应接收机制减少网络上的信息传输延迟；频带内信令减少重传，防止接收不必要的数据。通过消息拆分和拆分转发机制减少控制消息的开销和消息的转发延迟。下面介绍S-MAC协议使用的主要机制。1 .为了减少周期性接收和睡眠能量消耗，节点必须处于可能的低功耗睡眠状态。每个节点独立调度其他作业状态，定期切换到节电状态，醒来后接收信道状态，以确定是否发送或接收数据。为了便于彼此通信，相邻节点之间的睡眠/接收计划周期必须尽可能地同步。每个节点维护一个批处理列表，用于存储所有相邻节点的调度信息，同时通过SYNC消息通知自己的调度信息。节点启动作业时，首先接收一段时间，如果在此接收时间内接收到其他节点的调度信息，则将该调度周期设置为与相邻节点相同的周期，并广播调度信息。如果节点接收多个相邻节点的不同调度信息，则可以选择第一次接收的调度信息，并记录所有接收的调度信息。在此接收期间，如果节点未收到其他节点的调度信息，则将生成并广播其自己的调度周期。节点创建并通知自己的调度后，如果收到邻居的其他调度，则可以通过两种方式处理。也就是说，如果节点没有收到与自己日程相同的其他邻居的通知，则采用邻居的日程，放弃自己创建的日程。如果节点已经从与自己具有相同计划的其他邻居处收到通知，则调度信息将记录在调度表中，以便与不同步的相邻节点通信。这样，具有相同时间表的节点将形成一个虚拟群集，边界节点将记录多个时间表。在部署区域较大的WSN中，S-MAC的可扩展性更高，因为可以配置多种虚拟群集。为了适应新节点的订阅，每个节点必须定期广播其自己的时间表，以便新节点与已存在的相邻节点同步。在图14.1.5中，如果两个不同调度区域匹配的节点同时接收了两个不同的调度，则此节点可以选择首先接收的调度并记录不同的调度信息。图14.1.5S-MAC虚拟群集形成图，2。流量自适应接收机制调度WSN通常以多跳方式通信，但是由于节点的周期性睡眠，通信延迟会累积。S-MAC协议采用流量自适应接收机制，减少通信延迟的累积效应。在一次性通信过程中，基本想法是节点的相邻节点在通信结束后不会立即转换到睡眠状态，而是等待一定时间。如果节点在此时间内接收到RTS分组，则立即接收数据，而无需等到下一个预定接收周期，从而减少了数据分组的发送延迟。如果在此时间内未接收到RTS分组，则进入休眠状态，直到下一个预定接收周期。3 .为了防止串扰和串扰，S-MAC协议采用了虚拟和物理载波侦听机制(类似于IEEE802.11MAC协议)和RTS/CTS的公告机制。两者的区别在于，当相邻节点正在通信时，S-MAC协议中的节点会进入休眠状态。每个节点在传输数据时都要经过RTS/CTS/数据传输/ACK授权通信过程(不包括广播)。在发送的每个组中，都有一个域值，该值表示剩馀通信进程必须持续的时间。当源节点和目标节点的相邻节点在侦听时接收分组时，在记录此时间长度值的同时进入睡眠状态。通信进程记录的剩余时间随时间减少。如果剩馀时间减少到0，当节点继续处于接收等待模式时，它将被唤醒。否则，节点将处于节能状态，直到下一个预定接收周期。每个节点在发送数据时首先执行载波侦听。仅当虚拟或物理载波侦听表明无线信道空闲时，才能竞争以获取通信。4。消息wsn内部数据处理需要完整的消息，因此S-MAC协议提供了使用RTS/CTS机制一次发送完整长信息的承诺。由于WSN无线通道位元错误率高，S-MAC通讯协定会在排定的时间内，将长资讯分割成几条短讯息，然后突然传送。每个组都有剩馀时间域，以便相邻节点可以及时获取通信进程的剩馀时间。目标节点向相邻节点发送响应消息，以可靠地发送和通知正在进行的通信过程。如果传输节点未收到响应消息，请立即重新发送该短消息。S-MAC协议的消息传递机制不同于IEEE802.11MAC协议，因为S-MAC协议的RTS/CTS控制消息和数据传输的时间信息是完整长信息传输的剩馀时间，其他节点接收到一条信息后，将知道完整长信息的剩馀时间，并进入休眠状态，直到发送信息。IEEE802.11MAC协议考虑网络的公平性，RTS/CTS仅调度下一个短消息发送时间，其他节点在每个短消息发送完成后无需醒来即可进入接收等待状态。只要发件人没有收到任何短消息的响应，连接就会断开，其他节点可能开始通道争用。S-MAC和IEEE802.11MAC传输包的比较，如图14.1.6所示。图14.1.6S-MAC与IEEE802.11传输包比较，14.1.3T-MAC协议1。基本原理如图14.1.7(a)所示，向上箭头表示发送消息，向下箭头表示接收消息，向上部分的信息流表示节点正在接收的消息发送和接收序列，而下面部分的信息流表示不使用S-MAC协议时的消息发送和接收序列。图14.1.7S-MAC与T-MAC协议基本机制的比较，S-MAC协议的周期长度受延迟要求和缓存大小的限制，活动时间主要取决于传输信息的速度。因此，延迟要求和缓存大小通常是固定的，而信息传输速度通常会发生变化。为了确保可靠、及时的信息传输，节点的工作时间必须适合最大通信负载。负载动态时，节点闲置时等待的时间会相对增加。对于此问题，T-MAC协议通过保持周期长度不变，根据通信流量的变化动态调整活动时间，并以突发方式发送信息，从而减少空闲接收时间。如图14.1.7(b)所示，T-MAC协议减少了与S-MAC协议相关的活动时间。在T-MAC协议使用RTS/CTS/DATA/ACK传输数据的过程中，节点将定期唤醒和接收，如果以下激活事件之一在给定时间内未发生在TA内，活动将终止：在每个事件期间开始时，T-MAC协议以突发方式传输所有数据。TA确定每个周期中最小的空闲接收时间。TA的值对于T-MAC协议性能非常重要，T限制了TAC R T(14.1.2)样式(如图14.1.8所示)、c是竞争通道时间、R是发送RTS分组的时间、T是RTS分组结束时间和CTS分组开始时间之间的关系。图14.1.8T-MAC协议数据传输时序图和TA、c、r和t之间的关系，2 .提前睡眠问题调度；通常，WSN具有单向通信方法，其中多个节点将数据发送到一个或多个聚合节点。假定数据传输方向为ABCD，如图14.1.9所示。如果节点a通过竞争获得了首先将数据发送到节点b的机会，则节点a将向节点b发送RTS消息，而b将通过CTS消息响应。节点c从节点b接收CTS消息，然后进入休眠状态，在b接收数据后，c唤醒，以便节点b接收发送的数据。d可能不知道A和B的通信存在，在AB的通信结束后，d已经处于休眠状态，因此节点c可以将数据传输到节点d，直到下一个周期。这种通信延迟被称为早睡问题(Early-SleepProblem)。图14.1.9T-MAC协议的数据传输和早期睡眠问题，T-MAC协议建议两种解决早期睡眠问题的方法。第一种方法称为未来请求发送(FRTS)。如图14.1.10(a)所示，当节点c收到b发送到a的CTS分组时，下一跳的接收方d立即发出FRTS分组。FRTS团队包括d在接收数据之前必须等待的时间段，d在该时间段内睡觉后起床接收数据。节点a需要延迟数据传输时间，因为从节点c发送的FRTS分组可能会干扰从节点a发送的数据。a收到CTS组后，发送与FRTS组长度相同的数据发送(DS)组以占用通道。DS分组不包含有