无线传感器网络智能技术与应用 课件 第5章WSN通信与组网技术-02

无线传感器网络中的介质访问控制(MediumAccessControl,MAC)协议决定无线信道的使用方式,通过在传感器节点之间建立链路来保证节点公平有效地分配有限的无线通信资源。

它决定了无线传感器网络的评价指标,如吞吐量、带宽利用率、公平性和延迟性能等,所以MAC协议是无线传感器网络中十分重要的协议。5.7MAC协议

5.7.1MAC协议的分类

一般可以按照下列几种方式进行分类。

1．信道数:单信道、双信道的MAC协议; 2．信道分配方式:基于TDMA的时分复用固定式、基于CSMA的随机竞争式和混合式3种; 3．节点的工作方式:侦听、唤醒和调度3种

; 4．控制方式:分布式执行的协议和集中控制的协议。IEEE802.11协议簇的MAC层协议支持多个用户来共享同一媒体资源。

具体做法：是由数据发送者在发送数据前先进行网络的可用性检查，采用了带冲突检测的载波监听(CSMA/CA)技术。

1.IEEE802.11网络拓扑结构IEEE802.11是无线局域网领域内的国际上第一个被认可的协议。802.11定义了两种类型的设备：

一种是无线站,通常是通过一台PC加上一块无线网络接口卡构成的；另一个称为无线接入点(AccessPoint,AP),它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。（1）AdHoc网络形式

AdHoc网络形式也叫点对点网络形式(PeartoPear,P2P)或独立基本服务集合.AdHoc网络是一种没有固定的、有线的基础设施构成的移动网络,网络中的节点均由移动主机构成。

Ad

Hoc网络的具体含义：是由若干带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时自治网络系统,如图4-7所示。5.7.2IEEE802.11协议（1）图4-7AdHoc网络（2）基础结构网络形式基础结构网络形式又称有中心的网络,它要求一个无线接入点(AP)充当中心站点,负责移动终端的管理以及协调无线与有线网络之间的通信,如图4-8所示。

通过在有线网络中接入一个无线接入点(AP),将无线网络连接至有线网络主干,IEEE802.11b把这种网络称为扩展服务集(ExtendedServiceSet,ESS)网络。扩展服务集通过扩展服务集识别号(ESSID)来区分,AP通过基本服务集识别号(BSSID)来区分。多个

AP工作在不同的无线信道,通过有线分布式系统互连。终端可以在ESS所覆盖的范围内自由移动,并随着移动从

ESS内的一个AP切换到另一个

AP,如图4-9所示。图4-9扩展服务集网络5.7.2IEEE802.11协议（2）图4-8（3）扩展服务集结构形式2IEEE802.1l协议MAC层的工作模式

载波监听多点接入CSMA(CarrierSenseMultipleAccess)是从ALOHA演变出的一种改进协议,又称为载波侦听多点访问协议。

当信道中有帧存在时,称信道是忙碌的,否则称为空闲的。每站发送前先检测信道状态,是否发送数据根据信道状态来决定。例如,当信道忙碌时,不急于发送而是先退避一段时间再发送,这样可以减少发送的盲目性,CSMA协议就是根据上述思想实现的。

802.11协议簇规定了两种不同的MAC层访问机制：

一种是分布式协调功能(DistributedCoordinationFunction,DCF),用来传输异步数据,同时也是支持PCF机制的基础。DCF机制可以应用于所有的站点,无论其拓扑结构是基本网络配置还是IBSS;

另一种访问机制称为点协调功能(PointCoordinationFunction,PCF),是可选的,它只可用于基本网络配置的拓扑结构。PCF的工作原理主要为轮询机制,即由一个点协调器(PointCoordinator,PC)来制令牌的循环。

两种工作模式关系如图4-10所示。＊3分布式协调功能(DCF)（1）图4-11DCF基本访问模式

DCF是IEEE802.11MAC层基本访问控制机制,提供异步数据服务,其基本访问模式如图4-11所示。

DCF是基于CSMA/CA的,它包括两种介质访问机制:基本访问机制(BasicAccessMechanism,BAM)和RTS/CTS机制,同时由于采用了退避规程,DCF实现了信道的良好利用率和数据可靠的传输。（1）基本访问基本访问被视为STA(站点)用于决定是否可以发送的核心机制。通常，一个STA在满足下列条件之一时，就可以发送一个MPDU(MACProtocolDataUnit)：①该STA在没有PC的情况下，按照DCF访问方式工作；②该STA处在PCF访问的竞争期间；③该STA确定当媒介的空闲时间大于或等于一个DIFS；④当STA上次收到一个没有正确FCS帧后，STA确定媒介空闲时间 大于或等于一个DIFS。＊3分布式协调功能(DCF)（2）

（2）RTS/CTS访问机制 在无线局域网中，经常会出现隐蔽终端的问题，如图4-12所示。为了解决这种隐蔽终端问题，DCF可利用RTS和CTS两个控制帧来进行信道预约。图5-12隐蔽终端问题＊3分布式协调功能(DCF)（3）

802.11MAC协议中通过立即主动确认机制和预留机制来提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发给它的有效数据帧(DATA)时，必须向源节点发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。

RTS/CTS访问机制工作原理如图4-13所示。图5-13

RTS/CTS访问机制

＊3分布式协调功能(DCF)（4）（3）退避算法 对于要发送帧的STA而言，当该STA通过物理或虚拟载波机制发现媒质忙时，或STA被指出发送没有成功时，STA将调用退避算法。退避算法过程如图4-14所示。图4-14退避算法过程＊3分布式协调功能(DCF)（5）＊4集中式协调功能(PCF)

PCF通过集中协调器(PC)控制下的轮询和应答机制提供无竞争的帧传输。（1）PCF基本访问;（2）无竞争期间的网络分配矢量操作;（3）PCF站点的帧发送过程。

图4-15为PCF工作模式下PC和STA间帧传输的例子。

（4）无竞争轮询列表 轮询列表是一个隐藏在PC处的逻辑结构，用于强制轮询无竞争可轮询的STA，而不管是否有数据要发送到该STA。＊5DCF与PCF机制的局限性

DCF机制支持异步数据传输，在低负载环境下性能较好，由于DCF机制仅仅支持尽力而为的服务，没有基于数据流的区分和优先级的规定。对于如VoIP电话、视频会议等需要特定的带宽、延迟和抖动的实时业务不太适合。但无线网络中的一些关键技术，比如RTS/CTS，分段/重组等在一定程度上进行了性能的弥补。

PCF机制通过轮询和应答机制提供无竞争的传输，在某种程度上这种方式类似于令牌网。控制器控制着令牌，使得这一机制适合特定延迟、抖动要求的传输。＊6IEEE802.11的QoS保障

普通的802.11无线局域网标准是没有QoS保障的，为了弥补这一不足，IEEE提出了802.11的增强型标准：802.11e。

802.1le增加了对QoS的定义，旨在保证语音和视频等高带宽应用的服务质量。

802.11e引入了EDCF和HCF两种机制，具有IEEE802.1leQoS功能的STA称为QSTA(QoS-capableSTA)，为其他STA提供集中控制的QSTA称为混合协调器(HC)，HC通常由AP担任，此AP也称为QAP。EDCF只在CP阶段使用，HCF在CP和CFP阶段都可以使用，因而是一种混合协调功能。＊5.7.3基于竞争的MAC协议

1.S-MAC协议（1）

S-MAC(sensorMAC)协议是在802.11MAC协议基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议。

S-MAC协议假设通常情况下传感器网络的数据传输量少，节点协作完成共同的任务，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能够容忍一定程度的通信延迟。

S-MAC协议的主要设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能量的消耗。（1）周期性侦听和睡眠每个节点独立地调度它的工作状态,周期性地转入睡眠状态,在苏醒后侦听信道状态,判断是否需要发送或接收数据。为了便于相互通信,相邻节点之间应该尽量维持睡眠/侦听调度周期的同步。

如图5-16中处于两个不同调度区域重合部分的节点,那么这个节点可以选择先收到的调度,并记录另一个调度信息。图5-16协议的虚拟簇1.S-MAC协议（2）

（2）流量自适应侦听机制传感器网络往往采用多跳通信,而节点的周期性睡眠会导致通信延迟的累加。在S-MAC协议中,采用了流量自适应侦听机制,减少通信延迟的累加效应。

（3）串音避免为了减少碰撞和避免串音,S-MAC协议采用与802.11MAC协议类似的虚拟和物理载波侦听机制,以及RTS/CTS的通告机制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程中时,S-MAC协议的节点进入睡眠状态。1.S-MAC协议（3）（4）消息传递因为传感器网络内部数据处理需要完整的消息,所以S-MAC协议利用RTS/CTS机制,一次预约发送整个长消息的时间;又因为传感器网络的无线信道误码率高,S-MAC协议将一个长消息分割成几个短消息在预约的时间内突发传送。图5-17S-MAC与IEEE802.11MAC协议的突发分组传送1.S-MAC协议（4）＊2.T-MAC协议（1）基本工作原理

T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少空闲侦听时间。如图5-18所示，T-MAC协议相对S-MAC协议减少了处于活动状态的时间。

T-MAC协议提出两种方法解决早睡问题。

第一种方法称为未来请求发送(futurerequest-to-send，FRTS)。

另一种方法称作满缓冲区优先(fullbufferpriority)。当节点的缓冲区接近占满时，对收到的RTS不作应答，而是立即向目标接收者发送RTS消息，并传输数据给目标节点。（2）早睡问题＊5.7.4基于时分复用的MAC协议

时分复用(timedivisionmultipleaccess，TDMA)是实现信道分配的简单成熟的机制，蓝牙(B1uetooth)网络采用了基于TDMA的MAC协议。在传感器网络中采用TDMA机制，就是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时槽，而节点在其他空闲时槽内转入睡眠状态。

TDMA机制的一些特点非常适合传感器网络节省能量的需求：TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输时不需要过多的控制信息；节点在空闲时槽能够及时进入睡眠状态。＊1.基于分簇网络的MAC协议

对于分簇结构的传感器网络，基于TDMA机制的MAC协议如图5-22所示。所有传感器节点同时划分或自动形成多个簇，每个簇内有一个簇头节点。

簇头负责为簇内所有传感器节点分配时槽，收集和处理簇内传感器节点发来的数据，并将数据发送给汇聚节点。协议将时间帧分为周期性的4个阶段:(1)数据传输阶段；(2)刷新阶段；(3)刷新引起