第3章 无线传感器网络MAC协议

1、第第 3 3 章章无线传感器网络的MAC协议1n传统无线网络中使用的MAC协议无法直接所用于无线传感器网络 n首先考虑网络的能量效率23.1.1无线传感器网络MAC协议的特点n无线信道通信的带来的问题n频谱资源有限n多个传感器节点同时访问信道时，会导致数据之间的相互冲突3必须采用有效的MAC协议4无线传感器网络MAC协议的主要特点1. 能量效率2. 可扩展性3. 公平性4. 传输效率3.1.2无线传感器网络MAC协议的分类56竞争型MAC协议n采用按需使用信道的方式，当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用信道。如果发生冲突，节点按照事先设定的某种策略重传数据，直到数据发送成功或放弃。n传统的无

2、线网络：n ALOHA(Additive Link On-Line Hawaii Syslem)n 载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)7ALOHA协议n纯ALOHA协议 当节点有数据需要发送时，直接向信道发送数据分组。 在发生数据冲突的情况下，各节点将对发生冲突的数据分组进行重发。n但在重传策略上，等待一段随机的时间，然后再进行重发n如果再发生冲突，则再等待一段随机的时间进行重发，直到发送成功为止8ALOHA协议n时隙ALOHA协议 将时间划分成一系列固定长度的时隙 各节点只能在每个时隙开始时才能发送数据9纯ALOHA和时隙ALOHA比较n

3、纯ALOHAn实现简单n信道利用率较低n时隙ALOHAn将信道利用率提高一倍以上n要求在各节点之间实现时间同步10CSMA协议n使用了一个载波侦听装置nCSMA协议的类型：n非坚持型n1-坚持型np-坚持型11非坚持CSMA 节点一旦一旦侦听到信道忙或发现其他节点在发送数据，就不再坚持侦听，而是根据协议的退避退避算法延迟一段随机的时间后重新开始侦听。 若侦听时发现信道空闲，则将数据发送出去。n优点：n提高了 信道的利用率 、网络的吞吐量n缺点：n无法及时发现信道状态的变化12坚持CSMA协议n发送数据时，节点先侦听信道n当侦听到信道忙时，仍坚持侦听，一直侦听到信道空闲为止n当侦听到信道空闲后，

4、节点可以采用2种不同的策略发送数据：n1-坚持CSMAnp-坚持CSMA13n1-坚持CSMAn以概率1，立即发送数据n优点：n能够充分抓紧时间发送数据。n缺点：n若有两个或多个节点同时在侦听信道，则一旦信道空闲，这些节点都会立即发送数据np-坚持CSMAn以概率p发送数据，以概率(1-p)延迟一段时间，再重新侦听信道CSMA/CD协议14n增加冲突检测nIEEE802.3标准n优点：发生冲突时，可以使信道很快地空闲下来n缺点：n节点必须能够同时接收和发送无线信号，增加节点成本n无线网络中，存在“隐终端问题”CSMA/CA协议n多跳的无线网络nCSMA/CAn在发送数据前，发送端先向接收端发送

5、一个请求发送报文(Request-To-Send，RTS)；n若信道空闲，接收端就响应一个允许发送报文(Clear-To-Send，CTS)；n然后开始传送。n通过一个RTS/CTS握手过程，可以使收发双方的相邻节点都能够了解到信道上即将要进行的数据传送，从而及时退避，避免发生冲突。15CSMA/CA的改进：冲突避免多路接入协议(Multiple Aecess with Collision Avoidance，MACA)n在RTS和CTS报文中增加了一个附加的域，用来指示所需传送的数据量，从而使其他节点能够了解所需退避的时间。1617非竞争型MAC协议n采用固定使用信道的方式，将共享信道根据时

6、间、频率或伪噪声码划分成一组子信道，并将这些子信道分配给各节点，使得每一个节点拥有一个专用的子信道，用于数据的发送。n相互不干扰 避免冲突n时分多路接入(TDMA)、频分多路接入(FDMA)和码分多路接入(CDMA)协议18时分多路接入(TDMA)协议n无线蜂窝系统n较高的能量效率n缺点n仅适用于簇形网络结构n各节点之间严格的时间同步19频分多路接入(FDMA)n实现简单n缺点n保护频带将浪费相当大的带宽n非常准确地控制发送功率20码分多路接入(CDMA)协议n采用正交伪随机码划分共享信道，所有节点可以在同一个信道内同时发送数据，但使用不同的伪随机码。n抗干扰能力强，系统容量较大，终端可以采取

7、较低的发射功率n终端设计复杂，同步精度要求高21n无线传感器网络也可以采用非竞争型MAC协议nTDMA DEANE、SMACS、DE-MAC、TRAMA协议22233.2无线传感器网络MAC协议设计n协调多个节点对共享媒体的访问，避免来自不同节点数据之间的冲突243.2.1 设计目标1. 提高能量效率能量效率n降低“成功传输单位数据所消耗的能量”2. 提高可扩展性可扩展性nMAC协议适应网络大小变化的能力3. 提高适应性适应性n适应节点密度和网络拓扑变化的能力4. 提向信道利用率n用于有效通信的带宽利用率253.2.1 设计目标5. 降低端到端传输迟延。n源节点发送一个分组到目的节点，成功接收

8、该分组所经历的迟延。6. 提高吞吐量。n单位时间内发送节点向接收节点成功传输的数据量7. 保证公平性n公平性是指不同传感器节点公平地获得共享公共传输信道的机会263.2.2 节能设计n数据通信是能量消耗最主要的来源n100m的距离上发送1kbit的数据需要消耗3J的能量n一个具有每秒处理100万条指令能力的通用处理器用3J能量能够处理300万条指令n传感器节点要先利用其处理能力先对数据进行局部、简单的处理，然后再将经过部分处理后的数据传送给汇聚节点27MAC层能量浪费的主要来源1. 冲突n分组出错或丢失n重传分组2. 串音n传感器节点接收到 发往其他节点的分组数据或消息283. 空闲侦听n为了

9、接收可能来到的数据，侦听无线信道，而网络中实际上并没有数据在传送nIEEE802.11 2Mbit/s，空闲侦听、接收、发送所消耗的能量比率为1:2:2.54. 控制开销29303.2.3 MAC协议设计的技术挑战n在传感器节点中，无线通信模块的状态： 发送、接收、侦听和休眠n单位时间内消耗的能量依次递减n为了保证节点能够及时地接收到发送给它的数据，无线传感器网络MAC协议通常采用“侦听/休眠”交替的机制访问无线信道31节点的休眠调度问题节点的休眠调度问题n要解决的问题n每个周期侦听多次时间n侦听的时间过长，能量浪费;n侦听时间过短，增大传输迟延n需要协调各节点的侦听和休眠周期，使收发节点保持

10、同步，避免节点在休眠时错过发送给它的数据32协议的复杂度问题n如果协议设计得过于复杂，这种协议开销就会非常大，将造成很大的能量浪费33复杂度与性能间的折中问题n在复杂度与性能之间寻找最佳折中方案34性能指标间的折中问题n为了降低功耗，可能会增大消息或数据的迟延353.3 无线传感器网络的MAC协议363.3.1竞争型MAC协议3738SMAC协议(Sensor MAC)n802.11 MAC协议+能量效率nSMAC协议基本思想n周期性睡眠和监听 n串扰避免n长消息传递39n一个周期内有睡眠和监听两种状态n节点之间协同，保持监听同步n调度方式：节点进行监听和睡眠的时间表n相邻节点间 尽可能“同时

11、监听、同时休眠”n为了建立协调或同步的休眠调度，每个节点需要向直接相邻节点广播SYNC 消息。n全监听周期，保证邻居发现n避免存在“节点互相发现不了对方”SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听 40SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听 nSMAC协议将监听时间分为两段n发送/接收SYNC包n发送/接收RTS和接收/发送CTS41SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听 n发送数据的 3 种可能情形42图3-2 接收节点与发送节点的关系SMAC协议关键技术-自适应监听 n多跳通信网络中，节点的周期性休眠会导致通信延迟延迟的累加的累加n流量自适应监听机制：n在一次通信过程中，通信节点的邻居邻居在此

12、次通信结束后唤醒唤醒并保持监听监听一段时间；n如果节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立即接收数据，而不需要等到下一个监听周期。n优点：减少了两个节点间的数据传输延迟43SMAC协议关键技术-消息冲突与串扰避免nSMAC协议中，在RTS/CTS帧中都带有目的地址和本次通信的持续时间信息n节点接收到RTS/CTS帧后，如果发现目的地址不是自己的地址n节点马上进入睡眠状态n将此次邻居节点间通信的持续时间持续时间存储到本地的网络分配网络分配向量向量(NAV)中nNAV会随着本地时钟的运行递减n在NAV值非零期间节点都处于睡眠状态44SMAC协议关键技术-长消息传递机制l将长的信息包分成若干个短的DA

13、TA段 l所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分组 占用信道 l每个DATA都有ACK保障传输成功n当一个分段没有收到ACK响应时，节点便自动将信道预留向后延长一个分段传输时间，并重传该分段。l整个传输过程中DATA和ACK都带有通信剩余时间信息，邻居节点可以根据此时间信息避免串扰。45SMAC协议关键技术-长消息传递机制n发送长信息时存在的问题：n几个比特错误造成重传n简单地将长包分段，RTS/CTS的使用形成过多的控制开销46SMAC协议关键技术-长消息传递机制nSMAC提出了“消息传递”机制：n将长的信息包分成若干个短的DATA段 n所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分组

14、占用信道 n每个DATA都有ACK保障传输成功n当一个分段没有收到ACK响应时，节点便自动将信道预留向后延长一个分段传输时间，并重传该分段。n整个传输过程中DATA和ACK都带有通信剩余时间信息，邻居节点可以根据此时间信息避免串扰。47SMAC协议n优点：1. 减少了节点空闲监听的能量损耗2. 减少了串扰和控制数据包带来的能量损耗n扰避免机制n长消息传递机制n缺点：额外的延迟，减小了系统吞吐量4849TMAC协议(Timeout MAC)nSMAC协议缺陷：侦听/休眠调度占空比固定，不能很好的适应网络流量的变化 。n侦听和休眠的时间的合理长度与网络负载的大小有关50TMAC协议-基本思想图 3

15、 4 TMAC基本机制n动态调整调度周期中的活跃时间长度 n各节点周期性地被唤醒，进入活动期n传送数据时，各节点采用RTS-CTS-DATA-ACK 的过程n在活动期间，可发送数据；n如果在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠 n在休眠期间，节点如果有数据消息需要发迭，则必须等到下一个活动期到来后再进行。51Ta :决定了每个节点在一个调度周期中进行空闲监昕的最短时间。TMAC协议-基本思想nT- MAC协议和S-MAC 协议的休眠机制比较图 3 4 TMAC基本机制52Ta :决定了每个节点在一个调度周期中进行空闲监听的最短时间TMAC协议-关键技术53n周期性监听同步 n延用SMAC协议思

16、想，周期性广播SYNC帧n节点上电启动后，要监听一段时间n如果该时间段内节点没有接收到SYNC帧，则节点自行选择一个默认的调度方式，并通过SYNC 帧广播该调度方式。n如果时间段内节点接收到SYNC帧，则节点采用该SYNC帧中指明调度方式n 如果节点接收到不同的调度方式，节点调整调度n使用“全监听周期”，发现邻居TMAC协议-关键技术-RTS操作操作n当节点发送RTS帧后，如果没有接收到相应的CTS帧，可能的原因: 接收节点处发生碰撞，没能正确接收RTS帧 接收节点处于睡眠状态n发送节点发送RTS后未收到CTS，应再发送一次RTS ，如果仍然未能接收到CTS，则转入休眠状态。n避免：增加传输额

17、外的延迟接收节点已处于侦听，但接收节点附近发生碰撞接收节点附近发生碰撞，没能正确接收RTS帧；而发送节点发送节点接着在Ta超时后进入睡眠进入睡眠54TMAC协议-关键技术nRTS操作和Ta的选择n发送RTS后未收到CTS，应再发送一次RTS ，如果仍然未能接收到CTS，则转人睡眠状态。n避免增加传输额外的延迟nTa 竞争信道时间 +RTS发送时间 +CTS准备时间 55图 5 TMAC基本数据交换TMAC协议-关键技术n可选的串扰避免机制n通信量较大时不采用n避免增大了碰撞的概率n通信量较小时采用。n进入休眠，节约能量56串扰避免机制：节点接收到RTS/CTS帧后，如果发现目的地址不是本地地址

18、，节点马上进人休眠状态TMAC协议存在的问题n早睡问题 u节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态 例如：设节点AB之间，BC之间，CD之间可以相互通信，假设将要进行的数据包的传输方向是A-B和C-D图 6 节点D早睡问题57早睡问题解决办法 n未来请求发送帧（Future request-to-send, FRTS） n当节点C收到B发给A的CTS后，立即向D发送一个FRTS帧nFRTS帧包含节点D接收数据前需要等待的时间长度，D在此时间内必须保持在监听状态。n由于C发送的FRTS可能干扰B接收A的数据，所以A需要将发送的数据延迟相应的时间。58图 7 FRTS帧交换n竞争型MAC 协议的

19、缺点：n随着网络通信流量的增加，冲突的可能性都会增加593.3.2 非竞争型MAC协议u基本思想w将一个物理信道分为多个子信道 w将子信道静态或动态地分配给需要通信的节点，避免冲突 w根据网络通信流量最大限度地节省能量 u优点w无冲突 w无隐藏终端问题w易于休眠6061DEANA协议n分布式能量感知节点激活(Distributed Energy-Aware Node Activation, DEANA)协议n是一种基于TDMA的非竞争型MAC协议n设计目标是：减少在一个特定时隙内非目的接收节点的能量消耗。62DEANA协议的时间帧63DEANA协议的时间帧n“调度访问”部分n由多个“调度访问”

20、时隙组成，其中每个时隙都可以分配给特定的节点发送数据n当节点在其分配的时隙内发送数据时，其他节点都处于休眠状态n调度访问部分由控制时隙和数据时隙构成64n控制时隙n如果节点有数据需要发送，则先在控制时隙发送一个控制消息，然后再发送数据n控制消息含有目的接收节点的身份信息n在控制时隙，发送节点的所有相邻节点必须处于接收状态n在得知自己不是数据的接收者，则会进入休眠状态。n数据时隙n只有目的接收节点需处于接收状态n其他相邻节点可以进入休眠状态DEANA协议的时间帧n“随机访问”部分n用于发送或接收网络正常工作所需的其他控制消息n时间同步n在随机访问期间，所有节点处于发送状态或接收状态65DEANA

21、协议优缺点66nDEANA协议在节点得知不需要接收数据时进人休眠状态；避免 串音n需要所有节点保持严格的时钟同步67SMACS协议-基本思想n结合TDMA、FDMA的基本思想 n要求每个节点都具有“打开和关闭其无线发送和接收器，并将其载波频率调谐到不同的频带上”的能力n将每个双向信道定义为两个时间段 n发现邻居后立即分配信道 n每条链路都选择一个随机的通信频率，相邻链路都有不同的通信频率68SMACS协议-关键技术69SMACS协议关键技术：70链路建立链路建立 链路建立 n引入超帧的概念，用固定参数Tframe表示 n在上电后先进行邻居发现，每发现一个邻居就有一对节点形成一个双向信道 n一条

22、链路建立方法：在两个节点的超帧中为该链路分配一对时隙用于双向通信n对在不同链路上的通信，节点会选择一个随机的频率，减少邻近链路冲突的可能 71举例：SMACS链路建立过程w节点A和D分别在Td和Ta时刻开始进行邻居发现 w节点B和C分别在Tb和Tc时刻开始进行邻居发现 wA和D通信时隙随机选择频率fx， B和C通信时隙随机选择频率fy图 3 17 异步分配通信 72SMACS链路建立n说明n由于节点间链路上时隙的约定彼此独立，所以有可能发生重叠；此时，如果各个时隙工作在同一频率上就会发生冲突。n每个节点有多个频点可选，在建立链路时都要选择一个随机的频点，这就大大减少了冲突发生的可能性。73SM

23、ACS协议关键技术： 邻居发现和信道分配 74邻居发现举例：节点B，C，G进行邻居发现1)节点B，C，G在随机的时间段内打开射频部分，在一个固定的频率监听一个随机长度的时间。75邻居发现节点B，C，G进行邻居发现：2) 如果在此监听时间内没有接收到其他节点发出的邀请消息，那么随后节点自己将发送一个邀请消息Type176图 节点C的邻居发现过程邻居发现节点B，C，G进行邻居发现：3) 如果节点B 和G 接收到C 发出的Type1 消息后，等待一个随机的时间，然后各自广播一个应答消息Type2 77图 节点C的邻居发现过程邻居发现节点B，C，G进行邻居发现：4）C收到应答消息Type2 后，可以选择最早到达的应答者，也可以选择接收信号强度最大的应答者。nC发送一个Type3 消息通知哪个节点被选为邻居78图 节点C的邻居发现过程信道分配1）如果节点C 已经选择了邻居B，将在Type3 消息中携带自己的超帧中时隙分配信息79信道分配n2）节点B将Type3 消息和本地的超帧起始时间进行比较，并找出两个共同的空闲时间段作为时隙对，分配给B和C之间的链路80信道分配3）节点B选择一个随机的频率，将“时隙对”在超帧中的位置信息以及选择的