无线传感器网络MAC层协议.

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1 无线传感器网络MAC层协议

2 提纲 MAC层概述 MAC相关概念 WSN的MAC协议 MAC层与跨层设计 设计方法（特征,因素,解决方法） 协议分类（三种分类）
协议实例（smac） MAC层与跨层设计

3 MAC层概述(1/5) ISO-OSI七层参考模型中的MAC层 LLC与MAC的关系 MAC子层提供了多种介质访问控制方法实现

4 MAC层概述(2/5) WSN协议栈中的MAC层 数据链路层分为两个子层 各层任务
LLC，logic link control 逻辑链路控制子层； MAC ， medium access control介质访问控制子层。 各层任务 能源管理平台：管理传感器节点如何使用能量； 移动管理平台：检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居； 任务管理平台：在一个给定的区域内平衡和调度监测任务

5 MAC层概述(3/5) WSN节点中的MAC模块 节点通信模块的工作状态 4种工作状态下的节点能耗依次降低。 Tx，发送； Rx，接收；
Idle，空闲； Sleep,休眠。 4种工作状态下的节点能耗依次降低。

6 MAC层概述(4/5) WSN数据链路层的作用 WSN数据链路层的主要研究方向
加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路，使之对网络表现为一条无差错的链路。 数据链路层向网络层提供透明的和可靠的数据传送服务，主要负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体接入和差错控制，保证了无线传感器网络内点到点及点到多点的连接。 WSN数据链路层的主要研究方向 媒体介入，MAC协议。 差错控制（后续讲解） ARQ，自动重发请求（WSNs中广泛使用）； FEC，前向纠错（例：海明码、循环冗余码等）。

7 MAC层概述(5/5) 介质访问控制协议MAC
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，实现信道资源共享。

8 提纲 MAC层概述 MAC相关概念 WSN的MAC协议 MAC层与跨层设计 设计方法（特征,因素,解决方法） 协议分类（三种分类）
协议实例（smac） MAC层与跨层设计

9 MAC相关概念(1/4) 隐藏终端 例：当A要向B发送分组时， C未侦听到同时向B发送分组，两分组在接收节点B处冲突。
在接收接点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点。 由于听不到发送节点的发送而可能向相同的接收节点发送分组，导致分组在接收节点处冲突；冲突后发送节点要重传冲突的分组，这降低了信道的利用率。 例：当A要向B发送分组时， C未侦听到同时向B发送分组，两分组在接收节点B处冲突。

10 MAC相关概念(2/4) RTS（Request to send）告知传送端传送范围内所有节点不要有任何传送操作
CTS（Clear to send）如果接收端是空闲的，则响应一个CTS封包，告诉传送端可以开始传送数据，同时告诉所有接收端传送范围内的节点不要有任何传送操作 DATA(数据包) ACK(确认包)

11 MAC相关概念(3/4) 暴露终端 例：当B向A发送分组时，C侦听到 ，使C无法向D发送分组（实际不影响时延），引入不必要的时延。
指在发送接点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围外的节点。 因听到发送节点的发送而可能延迟发送。但是，它其实是在接收节点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突。这就引入了不必要的时延。 例：当B向A发送分组时，C侦听到 ，使C无法向D发送分组（实际不影响时延），引入不必要的时延。

12 MAC相关概念(4/4) CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect）
载波监听多路访问/冲突检测方法 CSMA/CD工作原理是: 发送数据前先监听信道是否空闲,若空闲,则立即发送数据. 在发送数据时,边发送边继续监听.若监听到冲突,则立即停止发送数据.等待一段随机时间,再重新尝试. CSMA/CD用于总线式以太网

13 MAC相关概念(5/4) CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 载波监听多路访问/冲突避免方法 CSMA/CA工作原理 1.送出数据前，监听媒体状态，等没有人使用媒体，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有人使用，才送出数据。由於每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。 2.送出数据前，利用RTS-CTS握手程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。 RTS-CTS封包都很小，让传送的无效开销变小。 CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等

14 MAC相关概念(6/4) TDMA: time division multiple access （时分多路） “依次” 访问信道
每次每个节点分得固定长度的时隙 (时长 = 分组的单位传输时间) 未用的时隙被闲置和浪费

15 MAC相关概念(7/4) FDMA: frequency division multiple access（频分复用）
信道按频谱分成若干频段 每个节点分得固定的频段 在频段不用时该部分信道被闲置和浪费 frequency bands time

16 提纲 MAC层概述 MAC相关概念 WSN的MAC协议 MAC层与跨层设计 设计方法（特征,因素,解决方法） 协议分类（三种分类）
协议实例（smac） MAC层与跨层设计

17 设计方法 WSN能量无效消耗分析 空闲监听： 冲突 控制消耗 串扰 不知数据何时来，始终保持射频处于接收模式
同时发送，相互干扰，同时失败，发包丢弃 控制消耗 控制分组，保持可靠性，不包含数据，必须发送 串扰 共享介质，错误接收，丢弃封包

18 设计方法(1/2) WSN特征 协议功能 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 传统MAC协议不适合WSNs。 协议功能 无线信道的使用 建立传感器网络的基础结构

19 设计方法(2/2) 考虑因素 节能策略 MAC协议的设计 节省能量 可扩展性，适应网络拓扑的动态变化
链路带宽分配的公平性、带宽利用率、延时性能、数据吞吐量等 目前普遍认为这三个方面的重要性依次递减 节能策略 尽量让传感器节点处于睡眠状态（Sleep） 减少传感器节点之间的碰撞； 减少接收到自己不需要接收的数据分组（串音） 减少控制消息的开销 MAC协议的设计 不能求全，折中处理，中庸原则 根据不同应用的特点和需求进行参数和方法的优化 例：降低功耗，可以采用牺牲信道利用率和数据吞吐量的方法

20 MAC协议分类

21 MAC协议一览表 协议名称 出现时间 类型 同步与否 基本机制 SMAC 2002 竞争型 否 CSMA TMAC 2003 PMAC
2005 WiseMAC 2004 Sift SMACS 2000 分配型 是 TDMA/FDMA TRAMA TDMA/CSMA DMAC TDMA/Sloted ALOHA ZMAC 混合型

22 竞争型MAC协议 基本思想 优点 典型协议 发送数据时主动抢占共享无线信道，采用CSMA方式 CSMA主要使用以下方法來避免碰撞：
发送数据前，先侦听信道状态，等沒有人使用信道时，等待一段時间后，再等待一段随机的时间后依然沒有人使用，才开始传送数据。由于每个节点采用的随机时间不同，因而可以减少碰撞的机会。 发送数据前，先发送RTS给目标节点，等待目标节点回应CTS后，才开始传送数据。 基于竞争的MAC协议是根据需要分配信道的 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(Sensor Mac) TMAC(Timeout Mac)

23 SMAC协议(1/4) 前提条件 基本思想 数据量少，可进行数据的处理和融合 节点协作完成共同的任务 网络可以容忍一定程度的通信延迟
周期性睡眠和监听 ；协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇） 自适应的侦听机制，减少信息的传输延迟 带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据 消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息的传递延迟

24 SMAC协议(2/4) 周期性睡眠和监听 一个周期内有睡眠和监听两种状态 节点之间协同，保持监听同步 同步调度，形成虚拟簇
全监听周期，保证邻居发现 降低功耗，但增加了延迟

25 SMAC协议(3/4) 串扰避免 虚拟载波监听（控制信息） 信道忙时睡眠，避免接收串扰数据包

26 SMAC协议(4/4) 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唤醒并保持监听一段时间。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，从而减少了两个节点间的数据传输延迟。 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RTS／CTS控制分组占用信道 每个DATA都有ACK保障传输成功 缺点：节点长时间独占信道，不公平性

27 TMAC协议(1/5) 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

28 TMAC协议(2/5) 周期性监听同步 RTS操作和TA的选择 延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧
固定周期调度后全监听周期，发现邻居 RTS操作和TA的选择 发送RTS未收到CTS，应再发送一次 TA >竞争信道时间 +RTS发送时间 +CTS准备时间

29 TMAC协议(3/5) 早睡问题 节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态

30 TMAC协议(4/5) 早睡问题解决办法一 未来请求发送（Future request-to-send, FRTS）

31 TMAC协议(5/5) 早睡问题解决办法二 满缓冲区优先

32 分配型MAC协议 基本思想 优点 典型协议 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，适于低功耗网络 典型协议 基于分簇网络的MAC协议 DEANA协议

33 基于分簇网络的MAC协议 对于分簇结构的传感器网络，提出了基于TDMA机制的MAC协议。
所有传感器节点固定划分或自动形成多个簇，每个簇内有一个簇头结点。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。 节点状态：感应、转发、感应并转发、非活动状态。 为了适应簇内节点的动态变化，及时发现新的节点，簇头在刷新和重组阶段在簇内重新分配时槽。

34 混合型MAC协议 基本思想 典型协议 竞争型MAC协议 分配型MAC协议 混合型MAC协议 ZMAC协议
优点：适应网络规模、数据流量的变化，扩展性强；无需精确 的时钟同步机制，易于实现 缺点：能量效率低（冲突重传、空闲监听、串扰、控制开销） 分配型MAC协议 优点：能量效率高（无冲突、互不干扰） 缺点：不适应网络拓扑结构的变化，扩展性差 混合型MAC协议 包含竞争型协议和分配型协议的设计要素，竞争与分配的有效组合 既要保持组合中各型协议的优点延续，又要避免各自特点带来的缺点 典型协议 ZMAC协议

35 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

36 提纲 MAC层概述 MAC相关概念 WSN的MAC协议 MAC层与跨层设计 设计方法（特征,因素,解决方法） 协议分类（三种分类）
协议实例（smac） MAC层与跨层设计

37 MAC层的跨层设计 基本思想 典型跨层设计架构：MINA 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 跨层设计是WSNs研究的新方向 典型跨层设计架构：MINA

38 MINA(1/4) MINA (multi-hop infrastructure network architechture)是一种基于跨层设计的大规模无线网络架构 网络物理架构 网络协议框架

39 MINA(2/4) 网络物理架构 网络节点分类（3种） 通信方式 网络流量类型 网络分层架构
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 通信方式 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 网络流量类型 上行链路：传感器节点到基站；移动节点到基站 下行链路：基站到传感器节点；基站到移动节点 网络分层架构

40 MINA(3/4) 网络分层架构 例： MINA网络节点以层的形式来组织，距离基站跳数相同的节点组成一层 节点邻居分类（3类）
内部邻居：距离基站跳数比本地（自身节点）更小的邻居为内部邻居 同等邻居：跳数比本地相同的邻居为同等邻居 外部邻居：跳数比本地更大的邻居为外部邻居 例： 传感器节点、移动节点、基站节点 节点3的簇为阴影区域 第一层的节点距离基站跳数为一，第二层的节点距离基站跳数为二，依次类推 节点3的内部邻居为1、2；同等邻居为4、6、7；外部邻居为9

41 MINA(4/4) 网络协议架构 网络协议组成（3部分） 网络工作状态（2状态交替） 网络数据帧分类（3种） 网络的组织方式 路由协议
MAC协议 网络工作状态（2状态交替） 网络自组织状态：在此期间节点发现邻居，获得关于邻居的跳数、能量状态、可用缓存大小，本地网络拓扑等信息 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 网络数据帧分类（3种） 控制帧：从基站向传感器节点发送的控制信息，通过直接广播完成 信标帧：所有节点都需要在一个公共信道上周期性发送，包含有节点信息和本地TDMA分配给节点发送数据的时隙信息 数据帧：由传感器节点生成，感知的应用信息数据

42 小结 本章由传统的ISO-OSI模型的MAC层引入，对WSNs中MAC层做了概述，并简述了其相关概念，对MAC层协议分类归纳总结

43 参考文献 [1] 孙利民,李建中,陈渝,等. 无线传感器网络[M]. 北京:清华大学出版社,2005.
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