MAC协议和拓扑控制教案

序号5序号5周次3授课形式讲授授课章节名称MAC协议教学目的1、通过讲解，让同学们把握无线传感器网络MAC协议设计的根本内容，了解主流的一些MAC协议工作原理，以及MAC协议的分类等教学重点1、MAC协议的概念和工作原理教学难点1、MAC协议的概念和工作原理无MAC协议的根本学问课后体会通过讲解，同学们把握了无线传感器网络MAC协议的根本概念和工作原理。完成了教学任务，到达了教学效果。使用教具课外作业授课主要内容[旧课复习与课引入]根本功能，那么这一节课我们要学习数据链路层的一种重要的协议即为MAC协议，WSN中，介质访问掌握〔mediumaccesscontrol，MAC〕协议打算了无线信道的使用方式，在传感器节点间安排有限的通信资源，构建传感器网络的底层根底构造。MAC协议对传感器网络的性能有较大地影响WSN高效通信的关键协议之一。WSNWSN应用中首要的WSN通信协议，是目前的一个热点争论领域。[课讲解]争论现状和趋势目前，WSN吸引了越来越多的争论力气，很多MACWSN争论较多集中于能量有效性问题，MAC协议争论也侧重于能耗因素及相应节能策略，而其他方面并没有突破传统自组网MAC协议的设计策略。可以说，相当一局部WSNMAC协议主要争论如何将节能策略引入传统自组网MAC协议并避开对协议性能产生不利影响，其中休眠机制是被广泛承受的有效节能策略，并由此带来了如何使无业务节点最大可能进入休眠避开能耗，在业务到来时确保准时激活节点从而降低休眠机制对网络时延、吞吐等性能造成的损失问题。WSNMAC协议因素WSNMACWSNMAC协议性能WSNWSNWSN协议的适应性。关键因素主要有以下几方面：能量有效性。可扩展性。冲突避开。信道利用率。延迟。吞吐量。公正性。协议特点WSN广泛的应用领域使其面临多样和特别的应用需求和业务特性，从而激发了各种MACMAC协议设计从多个层面、多个角度动身，具有不同的特点，主要可归纳为以下内容：TDMA的接入方式利用分群构造群首局部集中掌握的机制与多跳转发相关的资源安排策略冗余相关数据的隐聚合MAC协议分类依据承受分布式掌握还是集中掌握，可分为分布式执行的协议和集中掌握的协议。这类协议与网络的规模直接有关，在大规模网络中通常承受分布式的协议。依据使用的信道数〔即物理层所使用的信道数，可分为单信道、双信道和多S-MACLEEMMACMACMAC协议可以解决这个问题，但增加了节点构造的简单性。依据信道的安排方式，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。基于TDMA的固定安排类MAC层协议，通过把时分复用(TDMA)和频分复用(FDMA)〔CDMA〕信道安排〔C-TDMA协议。依据接收节点的工作方式，可分为侦听、唤醒和调度三种。在发送节点有数据需要传递时，接收节点的不同工作方式直接影响数据传递的能效性和接入信道的时延等性能。接收节点的持续侦听，在低业务的WSNs网络中，造成节点能量的严峻铺张。MAC协议原理分析SMACS/EAR协议Sohrabi等提出的SMACS/EAR(Self-organizingmediumaccesscontrol/Eavesdropandregister，具有监听/WSNMAC协议)协议，是结合TDMA和FDMAMACSMACS协议主要用于静止的节点之间连接的建立，而对于静止节点与运动节点之间的通信，则需要通过EAR协议进展治理。其根本思想是，为每一对邻居节点安排一个特有频率进展数据传输，不同节点对间的频率互不干扰，从而避开同时传输的数据之间产生碰撞。SMACS协议假设节点静止，节点在启动时播送一个“邀请”消息，通知四周节点与本节点建立连接，接收到“邀请”消息的邻居节点，与发出“邀请”消息的节点交换信息，在二者之间安排一对时隙，供二者以后通信。EAR协议用于少量运动节点与静止节点之间进展通信，运动节点侦听固定节点发出的“邀请”消息，ID号等信息，打算是否建立连接。假设运动节点认为需要建立连接，则与对方交换信息，安排一对时隙和通信频率。S-MAC协议S-MAC(Sensormediumaccesscontrol)WeiIEEE802.11协议的根底上，针WSN的能量有效性而提出的专用于WSNMAC协议。S-MAC协议设计的主要目标是削减能量消耗，供给良好的可扩展性。它针对WSN消耗能量的主要环节，承受了以下三方面的技术措施来削减能耗：周期性侦听和休眠。消息分割和突发传输。避开接收不必要消息。[[本节小结]：WSNMAC协议设计相关的问题，探讨了MAC协议的分类方法，然后着重争论与论述了当前较为重要的一些MAC协议的核心实现机制和特点，进展了这些MACMAC协议的原理异同。通过教师的讲解。学生把握的总体状况良好。[作业]：查阅有关传感器网络的MAC协议设计的相关理论学问。序号6序号6周次3授课形式讲授授课章节名称第五章无线传感器网络的拓扑掌握教学目的1、通过讲解，让同学们把握无线传感器网络拓扑掌握设计的根本内容，了解主流的一些拓扑掌握的工作原理，以及相关的拓扑掌握算法。教学重点1、拓扑掌握的概念和工作原理教学难点1、拓扑掌握的概念和工作原理无到网上查阅无线传感器网络拓扑掌握的相关理论和根本知识课后体会本概念和工作原理。完成了教学任务，到达了教学效果。使用教具课外作业授课主要内容[旧课复习与课引入]MAC协议，了解了MAC协议是工作在数据链路层上的一种介质访问掌握算法MAC协议的概念和根本功能，那么这一节课我们要学习无线传感网络的一种重要的掌握技术即为拓扑掌握技术WSN一般具有大规模、自组织、随机部署、环境简单、传感器节点资源有限、网络拓扑常常发生变化的特点[1]。这些特点使拓扑掌握成为挑战性争论课题。同时，这WSN争论中的重要性，其主要表现在以下几个方面：拓扑掌握是一种重要的节能技术；拓扑掌握保证掩盖质量和连通质量；MAC(mediaaccesscontrol)协议和路由协议的效率、为数据融合供给拓扑根底；拓扑掌握能够提高网络的牢靠性、可扩展性等其他性能。总之，拓扑掌握对网络性能具有重大的影响，因而对它的争论具有格外重要的意义[课讲解]拓扑掌握概述目前，拓扑掌握争论已经形成功率掌握和睡眠调度两个主流争论方向[14]。所谓功率掌握，就是为传感器节点选择适宜的放射功率；所谓睡眠调度，就是掌握传感器节点在工作状态和睡眠状态之间的转换。传感器网络拓扑可以依据节点的可移动与否(动态的或静态的)和部署的可控与否(可控的或不行控的)4类：静态节点、不行控部署：静态节点随机地部署到给定的区域。这是大局部拓扑掌握争论所作的假设。对稀疏网络的功率掌握和对密集网络的睡眠调度是两种主要的拓扑掌握技术。(mobileadhocnetwork，简称MANET)。其挑战是无论独立自治的节点如何运动，都要保证网络的正常运转。功率掌握是主要的拓扑掌握技术。静态节点、可控部署：节点通过人或机器人部署到固定的位置。拓扑掌握主要是通过掌握节点的位置来实现的，功率掌握和睡眠调度虽然可以使用，但已经是次要的了。动态节点、可控部署：在这类网络中，移动节点能够相互定位。拓扑掌握机制融入到移动和定位策略中。由于移动是主要的能量消耗，所以节点间的能量高效通信不再是首要问题。由于移动节点的部署不太可能是密集的，所以睡眠调度也不重要。拓扑掌握的设计目标掩盖掩盖可以看成是对传感器网络效劳质量的度量。在掩盖问题中，最重要的因素是网络对物理世界的感知力量。掩盖问题可以分为区域掩盖、点掩盖和栅栏掩盖(barriercoverage)。连通传感器网络一般是大规模的，所以传感器节点感知到的数据一般要以多跳的方式传送到会聚节点。这就要求拓扑掌握必需保证网络的连通性。假设至少要去掉k个传感器节点才能使网络不连通，就称网络是k-连通的，或者称网络的连通度为k。拓扑掌握一般要保证网络是连通(1-连通)的。网络生命期网络生命期有多种定义。一般将网络生命期定义为直到死亡节点的百分比低于某个阈值时的持续时间[17]。也可以通过对网络的效劳质量的度量来定义网络的生命期[18]，可以认为网络只有在满足肯定的掩盖质量、连通质量、某个或某些其他效劳质量时才是存活的。功率掌握和睡眠调度是延长网络生命期的格外有效的技术。[本节小结]：WSNMAC协议设计相关的问题，探讨了MAC协议的分类方法，然后着重争论与论述了当前较为重要的一些MAC协议的核心实现机制和特点，进展了这些MACMAC协议的原理异同。通过教师的讲解。学生把握的总体状况良好。干扰和竞争减小通信干扰、削减MAC层的竞争和延长网络的生命期根本上是全都的。功率掌握1跳邻居节点的个数(也就是与它竞争信道的节点数)。事实上，对于功率掌握，网络无线信道竞争区域的大小与节点的放射半径r成正比[20]r就可以削减竞争。睡眠调度明显也可以通过使尽可能多的节点睡眠来减小干扰和削减竞争。拓扑掌握的争论现状功率掌握功率掌握是一个格外简单的问题。希腊佩特雷大学(UniversityofPatras)Kirousis等人将其简化为放射范围安排问题[23]RA(rangeassignment)该问题的计算简单性。设N={u1,…,un}是d(d=1,2,3)维空间中代表网络节点位置的点的集合，r(ui)ui的放射半径。RA问题就是要在保证网络连通的前提下，使网络的放射功率(各节点的放射功率的总和)最小，也就是要最小化，其中，是大于2的常数。在一维状况下，RA问题可以在多项式时间内解决；然而在二维[12]和三维[11]状况下，RANP难的。实际的功率掌握问题比RA问题更为简单。这个结论从理论上告知我们，试图查找功率掌握问题的最优解是不现实的，应当从实际动身，查找功率掌握问题的有用解。针对这一问题，当前已提出了一些解决方案，其根本思想都是通过降低放射功率来延长网络的生命期。下面是几个典型的解决方案，分别代表了目前功率掌握的几个典型的争论方向。睡眠调度功率掌握通过降低节点的放射功率来延长网络的生存时间，但却没有考虑空闲侦听时的能量消耗和掩盖冗余。事实上，无线通信模块在空闲侦听时的能量消耗与收发状态时相当，掩盖冗余也造成了很大的能量铺张。所以，只有使节点进入睡眠状态，才能大幅度地降低网络的能量消耗。这对于节点密集型和大事驱动型的网络格外有效。假设网络中的节点都具有一样的功能，扮演一样的角色，就称网络是非层次的或平面的，否则就称为是层次型的。层次型网络通常又称为基于簇的网络。下面分别介绍非层次网络和层次型网络的具有代表性的睡眠调度算法。非层次型网络的睡眠调度算法非层次型睡眠调度的根本思想是：每个节点依据自己所能获得的信息，独立地掌握自己在工作状态和睡眠状态之间的转换。它与层次型睡眠调度的主要区分在于：每个节点都不隶属于某个簇，因而不受簇头节点的掌握和影响。层次型网络的睡眠调度算法层次型网络睡眠调度的根本思想是(固然未必)进入睡眠状态。层次型网络睡眠调度的关键技术是分簇。拓扑模型与拓扑掌握算法随机图理论在信息科学中被广泛地应用，UDG、RNGMST等都是基于随机图理论的经典拓扑模型，很多的拓扑构造都是在它们的根底上演化而来的。从连通和抗干扰的角度对拓扑模型进展分类，拓扑掌握算法平面网络中的拓扑掌握—功率掌握在平面网络中，全部的节点都是同构的，具有同样的硬件、同样的力量，完成同样的任务。在平面网络中拓扑掌握最根本的方法是掌握与一个节点通