第3章MAC协议.ppt

无线传感器网络技术讲义,第三章、MAC协议,2013年3月7日,内容提要,概述竞争型MAC协议分配型MAC协议混合型MAC协议MAC的跨层设计主要参考文献,在无线传感器网络中，介质访问控制(MediumAccessControl)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。传感器网络的强大功能由众多节点协作实现。多点通信在局部范围需要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。,无线传感器网络MAC协议,无线传感器网络MAC协议,网络特征：传感器节点能量受限传感器节点失效概率大传感器节点计算处理能力有限通信带宽有限以数据为中心高密度、大规模随机分布对MAC协议的设计提出了新的挑战！,WSNMAC协议的考虑因素,能量效率可扩展性网络效率公平性、实时性、网络吞吐量、带宽利用率算法复杂度与其它层协议的协同目前普遍认为重要性依次递减！,MAC层的能量浪费因素以及节能策略,能量浪费因素：空闲侦听（忙闲）碰撞重传（随机竞争）控制消息（太多）串扰(overhearing),节能策略：尽量让传感器节点处于睡眠状态减少碰撞减少控制消息的开销减少接收到不需要接收的数据分组,WSNMAC协议分类,分配信道的方式竞争型分配型混合型使用的信道数目单信道多信道控制方式集中式分布式,竞争型MAC协议,基本思想发送时主动抢占，CSMA方式按需使用信道优点网络流量和规模变化自适应网络拓扑变化自适应算法较简单典型协议SMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift,竞争型MAC协议,典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问(carriersensemultipleaccess,CSMA)无线局域网将CSMA增加一个碰撞避免(CollisionAvoidance)功能。IEEE802.11MAC协议的分布式协调(distributedcoordinationfunction,DCF)工作模式采用CSMA/CA协议，还增加使用确认机制。研究者在802.11的MAC协议基础上提出了多个用于传感器网络的基于竞争的MAC协议。,802.11的MAC层,MAC层,无争用服务,争用服务,分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA),点协调功能PCF(PointCoordinationFunction),物理层,802.11b,802.11a,IEEE802.11,MAC层通过协调功能来确定在基本服务集BSS中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。,DCF子层在每一个结点使用CSMA机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此DCF向上提供争用服务。,MAC层,无争用服务,争用服务,分布协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)(CSMA/CA),点协调功能PCF(PointCoordinationFunction),物理层,802.11b,802.11a,IEEE802.11,802.11MAC协议,DCF工作方式的主要机制CSMA/CA随机退避时间主动确认机制（ACK帧）预留机制（RTS/CTS帧的NAV向量）,2.对信道进行预约,802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。,A,C,B,D,E,源站A在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送RTS(RequestToSend)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。,2.对信道进行预约,802.11允许要发送数据的站对信道进行预约。,CTS,A,C,B,D,E,CTS,若媒体空闲，则目的站B就发送一个响应控制帧，叫做允许发送CTS(ClearToSend)，它包括这次通信所需的持续时间（从RTS帧中将此持续时间复制到CTS帧中）。,A收到CTS帧后就可发送其数据帧。,虚拟载波监听,虚拟载波监听(VirtualCarrierSense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。这样就大大减少了碰撞的机会。“虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。这种效果好像是其他站都监听了信道。所谓“源站的通知”就是源站在其MAC帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。,网络分配向量,当一个站检测到正在信道中传送的MAC帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量NAV(NetworkAllocationVector)。NAV指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。,争用窗口,信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个DIFS的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。802.11使用二进制指数退避算法。,802.11MAC协议总结,DCF模式采用CSMA/CA方式-随机退避时间通过RTS/CTS解决隐终端和进行预留通过预留机制和主动确认机制来提高性能不适应WSN：假设网络流量的产生是完全随机的；节点是公平的；而在WSN中一般认为网络流量具有很大的相关性，网络流量的相关性使得多个相邻的节点竞争使用信道；侦听载波所消耗的能量为接收信号所耗能量的50%-100%。,SMAC协议-基本思想,在802.11MAC协议基础上针对WSN设计；假设条件:传感器网络的数据传输量少；节点协作完成共同的任务；网内处理减少数据通信量；网络能够容忍一定程度的通信延迟。它的主要设计目标：减少节点能量的消耗；提供良好的扩展性。,SMAC协议-基本思想,周期性侦听/睡眠的工作方式（能量）一致性的睡眠调度机制（空闲侦听）流量自适应的侦听机制（减少延迟）消息分割和突发传递（控制消息和消息延迟）,SMAC协议-关键技术1,周期性睡眠和侦听节省能量一致性睡眠调度机制形成虚拟簇扩展性节点调度表形成和维护边界节点,SMAC协议-关键技术2,自适应监听在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间。如果节点在这段时间接收到RTS帧，则立即接收数据，而不需要等到下一个监听周期，从而减少了两个节点间的数据传输延迟。如果在这段时间内没有接到RTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。,SMAC协议-关键技术3,串扰避免采用与802.11MAC协议类似的虚拟载波侦听机制、RTS/CTS的通告机制。区别在于当邻居节点处于通信过程中，S-MAC的节点进入睡眠状态。,SMAC协议-关键技术4,消息传递将长的信息包分成若干个短的DATA段所有DATA使用一个RTSCTS控制分组占用信道每个DATA都有ACK保障传输成功,S-MAC与802.11消息传递机制的不同,TMAC协议-基本思想,SMAC协议调度占空比固定，不能很好的适应网络流量的变化动态调整调度周期中的活跃时间长度在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠,图34TMAC基本机制,TMAC协议的早睡问题,如果节点A通过竞争首先获得发送数据到节点B的通信机会，节点A发送RTS信息给节点B，节点B应答CTS消息。节点C收到节点B发出的CTS消息而转入睡眠状态，在节点B接收完数据后醒来，以便接收节点B发送给它的数据。D可能不知道节点A和B的通信存在，在节点AB通信结束后已经进入睡眠状态，这样，节点C只有等到下一个周期才能传输数据到节点D。,PMAC协议-基本思想,SMAC调度占空比固定，TMAC早睡问题引入模式信息，节点能够通过模式信息提前获知邻居的下一步活动，调度都根据模式信息来进行,图39空闲监听周期长度比较,WiseMAC协议-基本思想,基于CSMA机制，使用前导采样技术通过本地同步的广播获得最小的前导长度随机的前导长度保证冲突避免,Sift协议-基本思想1,应用适用于事件驱动型传感器网络出发点空间和时间相关性并非每个节点都要报告事件感知事件的节点密度随时间变化目标N个节点同时监测到一个事件，希望在最短时间内有R个节点(R=N)无冲突发送事件消息。,Sift协议-基本思想2,常规竞争的CSMA协议802.11MAC在1，CW时间长度窗口内等概率选择发送时槽冲突时就倍增时间窗口CW大小，等概率选取发送时间不适合WSNCW值的调整：太大/太小；WSN应用不需要所有节点都发送。Sift协议固定长度的竞争窗口不等概率选择时隙，在不同时隙采用不同的选择概率,Sift协议-关键技术,假设目前参与竞争的节点数N，竞争时间窗口1，CW中的时隙。如果第一个时隙没有节点发送数据，节点减小假设的竞争发送节点数目，增加在第二个时隙中的传输概率，这一过程中每个时隙中都重复执行。当信道空闲时，节点根据概率分布在传输之前退避随机长度。假设每个节点选择时隙r1，CW发送数据的概率为Pr。Pr的概率分布如下：（r=1,CW）,分配型MAC协议,基本思想将一个物理信道分为多个子信道将子信道静态或动态地分配给需要通信的节点，避免冲突根据网络通信流量最大限度地节省能量优点无冲突无隐藏终端问题易于休眠典型协议SMACS、TRAMA、DMAC、BMAC,DMAC协议-基本思想,适合于节点采集数据后，向一个sink节点汇聚的单向树状模式采用预先分配的方法来避免睡眠延迟引入了一种交错的监听睡眠调度机制，保证数据在多跳路径上的连续传输,DMAC协议-关键技术1,交错调度机制假设网络中的节点保持静止，且每个路由节点有足够的存活时间，可以在较长时间内保持网络路径不发生变化假设数据由传感器节点向唯一的sink单向传输假设各个节点之间保持时钟同步,DMAC协议-关键技术2,交错调度机制将节点周期划分为接收时间、发送时间和睡眠时间。每个节点的调度具有不同的偏移，下层节点的发送时间对应于上层节点的接收时间。,图DMAC协议基本机制,DMAC协议-关键技术4,自适应占空比机制如果节点在一个发送周期内有多个数据包要发送，就需要该节点和树状路径上的上层节点一起加大发送周期占空比通过在MAC层数据帧的帧头加入一个标记(moredataflag)，以较小的控制开销发送占空比更新请求。在ACK帧中加入同样的标记位,DMAC协议-关键技术5,数据预测机制在数据采集树中，越靠近上层的节点，汇聚的数据越多，对树的底层节点适合的占空比不一定适合中间节点如果一个节点在接收状态下接收到一个数据包，该节点预测子节点仍有数据等待发送。在发送周期结束后再等待3u个周期，节点重新切换到接收状态,DMAC协议-关键技术6,MTS(MoretoSend)帧机制必要性：虽然自适应占空比机制和数据预测机制考虑了冲突避免，数据采集树中不同分枝节点仍有冲突的可能MTS帧只包含目的地址和MTS标志位。标志位为1时称为MTS请求，标志位为0时称为MTS清除发送或接收到MTS请求的节点每隔3u个周期就唤醒一次，只有MTS请求已经被清除时，节点才回到原来的占空比方式,SMACS协议-基本思想1,结合TDMA、FDMA的基本思想假设每个节点都能在多个载波频点上进行切换将每个双向信道定义为两个时间段发现邻居后立即分配信道每个链路都分配一个随机选择的频点，相邻链路都有不同的工作频点,TRAMA协议-基本思想,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，随机接入时隙也称为信令时隙，分配接入时隙也称为传输时隙节点交换两跳内邻居信息和分配信息采用流量自适应的分布式选举算法选择在每个时隙上的发送节点和接收节点,图319时隙分配,DEANA,Distributedenergy-awarenodeactivation分布式能量感知节点活动协议,内容提要,概述竞争型MAC协议分配型MAC协议混合型MAC协议MAC的跨层设计主要参考文献,ZMAC协议-基本思想,采用CSMA机制作为基本方法竞争加剧时使用TDMA机制引入时间帧，为节点分配时隙节点可以选择任何时隙发送数据在分配的时隙发送优先级更高,ZMAC协议-关键技术1,邻居发现周期性发送PING消息包含本地发现的所有一跳范围内的邻居时隙分配DRAND算法,ZMAC协议-关键技术2,本地时间帧交换节点维持一个本地的时间帧长度帧长度与两跳范围内的节点数相对应实现时隙的同步需要运行时钟同步算法,ZMAC协议-关键技术3,传输控制低冲突级别(LCL)和高冲突级别(HCL)两种工作模式时隙拥有者，短时间监听，优先发送非时隙拥有者LCL模式，退避较长时间再监听非时隙拥有者HCL模式，等待下个时隙,ZMAC协议-关键技术4,局部同步完全失去时钟同步时，退化为CSMA协议维护临近的发送节点之间的时间同步周期性的发送时间同步包根据时间同步包修正时间偏差,内容提要,概述竞争型MAC协议分配型MAC协议混合型MAC协议MAC的跨层设计主要参考文献,MAC层的跨层设计,基本思想为了提高能量效率，能量管理机制、低功耗设计等在各层设计中都有所体现传统方法中各层的设计相互独立，因此各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优实现逻辑上并不相邻的协议层次间的设计互动与性能平衡典型协议MINA,MINA网络架构1,节点分成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(PDA)静止的大容量基站节点每个传感器节点都带有一个半双工或全双工的射频收发器，节点之间都能进行双向通信每个节点都有一个唯一的网络地址一个传感器节点的簇定义为在该节点广播传输范围内的节点的集合基站是无线传感器网络的数据汇聚节点，可以将数据发送到有线网络中去，基站节点必须具有超长的传输距离，通过一个广播可将数据发送给网络中的所有节点,图MINA架构组网示例,MINA网络架构2,流量类型主要为传感器节点到基站的上行链路网络帧类型有三种控制帧信标帧数据帧分层架构距离基站跳数相同的节点组成一层每个节点的邻居也可以分为三类：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,图MINA架构组网示例,UNPF协议框架1,网络主要工作在两个交替的状态网络自组织状态，在此期间节点发现邻居数据传输状态，在此期间节点进行数据的发送或接收，需要路由协议来确定目的地址，MAC协议来完成信道访问MAC协议超帧,图325MAC协议帧结构,UNPF协议框架2,网络自组织在每个超帧的起始阶段，基站广播一个控制帧CR(ControlPacket)。CR包括传感器节点同步需要的时间信息，以及传感器节点在信标帧BI(BeaconPacket)内传输各自的信标信息的序号BI紧跟在CR后，每个节点根据CR中的顺序发送BI，帧格式如图325示。BI包含了节点的能量状态、距离基站的跳数、节点的接收信道信息在信标帧后紧跟着就是数据传输帧。每个数据帧包括个时隙，由MAC协议来负责分配基站启动后第一个超帧期间进行第一轮BI信息交互时，基站获得了第一层节点的信息。第二个超帧期间重复上述步骤，第一层节点发送带有跳数信息为1的BI信息。第二层的节点接收到该信息并将自己的跳数设置为2，第二层节点就形成了。超帧周期性的重复，假设网络最大跳数为N，第N个超帧完毕后，整个网络的自组织过程就完成了,UNPF协议框架3,MAC协议DTROC假设网络总共有L层，节点i位于l层，且lLSi表示第l+1层中将节点i选择为下一跳地址的节点的集合分配一个信道Ci给节点i的接收机，同时Si中每个节点都将发射机调整到这个信道主要解决两个问题：在Si中共享信道Ci；分配信道时避免相互干扰,内容提要,概述竞争型MAC协议分配型MAC协议混合型MAC协议MAC的跨层设计主要参考文献,主要参考文献,1Demirkol,I.Ersoy,C.AlagozF.“MACprotocolsforwirelesssensornetworks:asurvey”,CommunicationsMagazine,IEEEApril2006,Volume:44,Issue:4,Onpage(s):115-1212W.Ye,J.HeidemannandD.Estrin,“AnEnergy-EfficientMACProtocolforWirelessSensorNetworks,”inINFOCOM2002,NewYork,Jun.2002,pp.1567-1576.(SMAC)3W.Ye,J.Heidemann,D.Estrin,“MediumAccessControlWithCoordinatedAdaptiveSleepingforWirelessSensorNetworks”,IEEE/ACMTransactionsonNetworking,Volume:12,Issue:3,Pages:493-506,June2004.4YuanLiWeiYeHeidemann,“EnergyandlatencycontrolinlowdutycycleMACprotocols”,WirelessCommunicationsandNetworkingConference,2005IEEE,PublicationDate:13-17March2005.Volume:2,Page(s):676-682Vol.25T.V.DamandK.Langendoen,“AnAdaptiveEnergy-EfficientMACProtocolforWirelessSensorNetworks”,TheFirstACMConferenceonEmbeddedNetworkedSensorSystems(Sensys03),LosAngeles,CA,USA,November,2003.6ZhengT,RadhakrishnanS,SaranganV.PMAC:anadaptiveenergy-efficientMACprotocolforwirelesssensornetworksA.Proceedingsofthe19thIEEEInternationalParallelandDistributedProcessingSymposiumC.Piscataway,USA:IEEE,2005.237.7EI-HoiydiA,DecotignieJD.WiseMAC:AnUltraLowPowerMACProtocolfortheDownlinkofInfrastructureWirelessSensorNetworksA.Proceedingsof9thInternationalSymposiumonComputersandCommunications,Vol1C.8C.C.Enz,A.El-Hoiydi,J-D.Decotignie,V.Peiris,“WiseNET:AnUltralow-PowerWirelessSensorNetworkSolution”,IEEEComputer,Volume:37,Issue:8,August2004.9K.Jamieson,H.Balakrishnan,andY.C.Tay,“Sift:AMACProtocolforEvent-DrivenWirelessSensorNetworks,”MITLaboratoryforComputerScience,Tech.Rep.894,May2003,/publications/pubs/pdf/MIT-LCS-TR-894.pdf.,主要参考文献,10SohrabiKAilawadhiVAilawadhiV,“Protocolsforself-organizationofawirelesssensornetwork”,IEEEPersonalCommMag,2000/7/5P16-27.11V.Rajendran,K.Obraczka,J.J.Garcia-Luna-Aceves,“Energy-Efficient,Collision-FreeMediumAccessControlforWirelessSensorNetworks”,Proc.ACMSenSys03,Pages:181-192,LosAngeles,California,5-7November2003.12L.BaoandJ.Garcia-Luna-Aceves.Hybridchannelaccessschedulinginadhocnetworks.Proc.IEEETenthInternationalConferenceonNe