無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議

1、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的MAC協(xié)議 MAC協(xié)議概述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議層協(xié)議決定了如何使用無線如何使用無線 信道進(jìn)行通信信道進(jìn)行通信，以確保不同節(jié)點(diǎn)不同節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間進(jìn)行消 息收發(fā)時(shí)不會造成碰撞不會造成碰撞。 降低能耗：降低能耗：MAC協(xié)議應(yīng)在保持正常通信的前提下盡量降低設(shè)備的忙 閑比。 可擴(kuò)展性：可擴(kuò)展性：MAC協(xié)議必須能夠適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài) 變化。 錯(cuò)誤處理錯(cuò)誤處理：MAC協(xié)議必須避免那些已知的和可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤情況， 以保證通信的可靠。 CSMA機(jī)制 CSMA機(jī)制（虛擬載波監(jiān)聽） 虛擬載波監(jiān)聽虛擬載波監(jiān)聽 n源站將還需占用信道的時(shí)間在 MAC 幀頭字段“持續(xù)時(shí)間”中指

2、示給所有其他站，其他站會在這 段時(shí)間都停止發(fā)送數(shù)據(jù)。 n“虛擬”是指其他站未真正監(jiān) 聽信道，而是檢測源站發(fā)送幀中 的“持續(xù)時(shí)間”才不發(fā)送數(shù)據(jù)。 n 當(dāng)一個(gè)站檢測到正在信道中傳 送的 MAC 幀首部的“持續(xù)時(shí)間” 字段時(shí)，就調(diào)整自己的網(wǎng)絡(luò)分配 向量 NAV (Network Allocation Vector)。 nNAV 指出了必須經(jīng)過多少時(shí)間才能 完成數(shù)據(jù)幀的這次傳輸，才能使信道 轉(zhuǎn)入到空閑狀態(tài)。 CSMA機(jī)制 CSMA機(jī)制的原則 先聽后講先聽后講 信道空 閑則發(fā)送 邊聽邊講邊聽邊講 發(fā)送信號 時(shí)不斷檢測 信道是否碰 撞 碰撞即停碰撞即停 信道發(fā)生 碰撞，則停 止發(fā)送 退避重傳退避重傳 多次

3、碰撞，多次碰撞， 放棄發(fā)送放棄發(fā)送 最多重傳 16次 CSMA機(jī)制 CSMA機(jī)制中的三種IFS SIFS(Short IFS)：最短幀間隔，優(yōu)先級最高，用于需要立即響應(yīng)的服 務(wù)，如ACK幀、CTS幀等。 PIFS(PCF IFS)：點(diǎn)協(xié)調(diào)模式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間隔，用來獲得在無競 爭周期啟動(dòng)時(shí)訪問信道的優(yōu)先權(quán)。 DIFS(DCF IFS)：分布式協(xié)調(diào)模式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間隔，用以發(fā)送數(shù) 據(jù)幀和管理幀。 CSMA機(jī)制 MAC層“隱藏節(jié)點(diǎn)”效應(yīng) 如只使用 CSMA機(jī)制，偵聽到信道 “閑” 可能結(jié)果不正確，由于： 1.隱蔽站問題 - 發(fā)送方偵聽不到: A, C 不能互相聽到，中間有障礙物、信 號衰減，A、

4、C 于是都發(fā)給 B， B 處此時(shí)會產(chǎn)生沖突。 2.信號強(qiáng)度衰減問題 - C 在發(fā)送，由于信號傳輸衰減，傳到 A 處時(shí)，A 聽 不到，A 以為聽到信道閑，也發(fā)， 接收站 B 處此時(shí)產(chǎn)生沖突。 隱終端是指是指在接收者的通信范圍內(nèi)而在發(fā)送者通信范圍外的終端在接收者的通信范圍內(nèi)而在發(fā)送者通信范圍外的終端。 Location Signal strength ABC CSMA/CA: CSMA with Collision Avoidance 沖突避免沖突避免: 增加增加 RTS-CTS 交互交互 nCSMA/CA: 信道預(yù)約 發(fā)送站: 發(fā)出短的 RTS幀(request to send)預(yù)約信道 接收站

5、: 應(yīng)答短的 CTS幀 (clear to send)同意預(yù)約 nCTS 為發(fā)送站保留信道, 起了通 知其它(可能隱蔽的)站點(diǎn)的效果 n避免了隱蔽站點(diǎn)造成的沖突 MAC層CSMA/CA機(jī)制 CSMA機(jī)制 MAC層CSMA/CA機(jī)制 CSMA機(jī)制 數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入退避階段，如選擇的退避時(shí)間一致，有可能會發(fā)生數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入退避階段，如選擇的退避時(shí)間一致，有可能會發(fā)生 碰撞，碰撞，CSMA采用二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制規(guī)避再次碰撞。采用二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制規(guī)避再次碰撞。 確定基本退避時(shí)間（基數(shù)），一般定為2T，即一個(gè)競爭窗口 定義K為重傳次數(shù)，K=min重傳次數(shù)，10 從集合0,1,2,2k-1中，隨機(jī)取出一個(gè)數(shù)R

6、，令退避時(shí)間為 t=R2T 如數(shù)據(jù)幀在重傳16次后仍無法成功發(fā)送，則認(rèn)為傳輸失敗并報(bào)告 給高層協(xié)議 MAC層能耗來源 射頻模塊處于活動(dòng)狀態(tài)會消耗大量的能源。這是節(jié)點(diǎn)能量消耗的 最主要來源，射頻收發(fā)器處于接收模式時(shí)消耗的能量比其處于待命 模式多兩個(gè)數(shù)量級。 為避免沖突，節(jié)點(diǎn)也需要不斷的偵聽信道，查詢信道是否被占用。 空閑偵聽的代價(jià)也是很大的。 空閑偵聽(Idlelistening) 碰撞沖突(Collision) MAC層能耗來源 兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)在同時(shí)向一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，目的點(diǎn)發(fā)生數(shù)據(jù)沖 突，信號相互干擾，數(shù)據(jù)幀被破壞，源節(jié)點(diǎn)需重新發(fā)送。發(fā)送和接 收錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的能量被損耗，造成了能量浪費(fèi)和信息延遲

7、。 利用RTSCTS握手機(jī)制可解決沖突問題，但帶來額外的協(xié)議開銷。 串?dāng)_(Overhearing) MAC層能耗來源 節(jié)點(diǎn)是以廣播的形式發(fā)送消息的，廣播范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)就可能接收 到發(fā)向其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，造成串音干擾。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度很大或者需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很多的時(shí)候，串?dāng)_消耗的能 量也是很可觀的。為盡量避免這種情況，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在無數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí) 關(guān)閉其接收器。 控制信息開銷(Control packet overhead) MAC層能耗來源 MAC層協(xié)議需要節(jié)點(diǎn)間交換控制信息，造成能量損耗，MAC的報(bào)頭 和控制包(如RTSCTSACK)非有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對用戶來說 是無效的。當(dāng)數(shù)據(jù)幀較小時(shí)，協(xié)議開銷很大

8、。 節(jié)點(diǎn)確認(rèn)其鄰居節(jié)點(diǎn)所處狀態(tài)(是否存活等)，進(jìn)行同步等，也需 發(fā)送或接收一些消息，要消耗能量。 節(jié)能策略 MAC層能耗來源 盡量讓傳 感器節(jié)點(diǎn) 處于睡眠 狀態(tài) 減少碰撞 減少控制 消息的能 量開銷 減少接收 到無需接 收的數(shù)據(jù) 分組 基于競爭的MAC層協(xié)議 S-MAC協(xié)議 被同步節(jié)點(diǎn)被同步節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)在決定自身調(diào)度計(jì)劃前接受到其他節(jié)點(diǎn)的調(diào)度 計(jì)劃，將收到的計(jì)劃作為自身的調(diào)度計(jì)劃。 同步者同步者：偵聽過了既定時(shí)間段后，未收到其他調(diào)度計(jì)劃，即將自 身的調(diào)度計(jì)劃廣播出去。 在簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度計(jì)劃是一致的。 邊界節(jié)點(diǎn)邊界節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)在設(shè)置了自身調(diào)度計(jì)劃后，又收到一份不同的調(diào) 度計(jì)劃，則會同

9、時(shí)采納兩種調(diào)度計(jì)劃。邊界節(jié)點(diǎn)多見于橋接兩個(gè)不 同簇的節(jié)點(diǎn)，會按照兩個(gè)簇的喚醒時(shí)間進(jìn)行睡眠管理。 基于競爭的MAC層協(xié)議 S-MAC協(xié)議 基于競爭的MAC層協(xié)議 有“自適應(yīng)偵聽”機(jī)制的S-MAC協(xié)議 節(jié)點(diǎn)A、B確立通信關(guān)系時(shí)，節(jié)點(diǎn)C通過B的CTS幀內(nèi)duration(持續(xù) 時(shí)間)字段得知信道通信結(jié)束時(shí)間。 在節(jié)點(diǎn)A、B傳輸結(jié)束時(shí)，C立即喚醒自己，與B建立通信關(guān)系。 兩跳外的節(jié)點(diǎn)不參與其中。 優(yōu)點(diǎn)：提高通信效率。 缺點(diǎn)：所有接收到RTS和CTS幀的節(jié)點(diǎn)，都會被喚醒，增加了能 耗和串音的幾率；缺乏多跳感知能力。 基于競爭的MAC層協(xié)議 有“消息傳遞”機(jī)制的S-MAC協(xié)議 無需在每個(gè)數(shù)據(jù)幀傳送的過程中

10、都發(fā)送RTS、CTS管理幀 當(dāng)有突發(fā)大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在第一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送RTS-CTS管理 幀，目的節(jié)點(diǎn)對每個(gè)數(shù)據(jù)幀逐個(gè)確認(rèn)。 源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的每個(gè)幀都包含消息的剩余時(shí)間域。 基于競爭的MAC層協(xié)議 S-MAC協(xié)議 周期性偵聽/睡眠的工作方式（能量） 一致性的睡眠調(diào)度機(jī)制（空閑偵聽） 流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制（減少延遲） 消息分割和突發(fā)傳遞（控制消息和消息延遲） 基本思想基本思想 S-MAC協(xié)議的優(yōu)勢協(xié)議的優(yōu)勢 擴(kuò)展性好 載荷不大的情況下，能耗 較少 串音避免 適應(yīng)上層協(xié)議的分簇機(jī)制 S-MAC協(xié)議的不足協(xié)議的不足 忙閑比固定，無法適應(yīng)載 荷的動(dòng)態(tài)變化 節(jié)點(diǎn)休眠帶來時(shí)延，不適 合實(shí)時(shí)性要求高的

11、網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、規(guī)模大的網(wǎng)絡(luò)， 能耗較大 基于競爭的MAC層協(xié)議 T-MAC協(xié)議 T-MAC（Timeout MAC）協(xié)議協(xié)議，實(shí)際上是S-MAC協(xié)議的一種改進(jìn)。 S-MAC協(xié)議的周期長度受限于延遲要求和緩存大小，而偵聽時(shí)間主 要依賴于消息速率。為保證消息的可靠傳輸，節(jié)點(diǎn)的周期活動(dòng)時(shí) 間必須適應(yīng)最高的通信負(fù)載，造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)空閑偵 聽時(shí)間的相對增加。 對以上不足的改進(jìn)，提出了T-MAC協(xié)議：在保持周期偵聽長度不 變的情況下，根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)活動(dòng)時(shí)間通信流量動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)活動(dòng)時(shí)間，用突發(fā)方式 發(fā)送消息，減少空閑偵聽時(shí)間減少空閑偵聽時(shí)間。其主要特點(diǎn)是引入了一個(gè)引入了一個(gè)TA時(shí)隙時(shí)隙

12、。 基于競爭的MAC層協(xié)議 T-MAC協(xié)議 在節(jié)點(diǎn)活動(dòng)周期內(nèi)(SYNC、DATA)，如果在一個(gè)給定的時(shí)間段TA內(nèi) 沒有發(fā)生特定事件沒有發(fā)生特定事件(定時(shí)器超時(shí)、接收到數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)無線信道、監(jiān) 聽RTS/CTS，確認(rèn)鄰居節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，則節(jié)點(diǎn)提前結(jié)束活動(dòng)節(jié)點(diǎn)提前結(jié)束活動(dòng) 進(jìn)入睡眠狀態(tài)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。 ActiveActiveActive SleepSleep S-MAC ActiveActiveActive SleepSleep TATATA T-MAC 基于競爭的MAC層協(xié)議 T-MAC協(xié)議 早睡問題早睡問題 節(jié)點(diǎn)A獲得發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)B的機(jī)會，節(jié)點(diǎn)A發(fā)送RTS節(jié)點(diǎn)B，節(jié)點(diǎn)B 應(yīng)答CTS。節(jié)點(diǎn)

13、C收到B發(fā)出的CTS而轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，在B接收完數(shù)據(jù) 后醒來，以接收B發(fā)送給它的數(shù)據(jù)。D可能不知道A和B的通信存在， 在AB通信結(jié)束后已經(jīng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)C只有等到下一個(gè)周期才 能傳輸數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)D。 基于競爭的MAC層協(xié)議 T-MAC協(xié)議 解決早睡問題的方法之一解決早睡問題的方法之一FRTS(Future Request To Send) 節(jié)點(diǎn)C監(jiān)聽到B發(fā)送給A的CTS時(shí)，立即向 D發(fā)送FRTS，告知D所需等待時(shí)間，D睡眠 后醒來與C通信。 A在發(fā)送DS占用信道，DS與FRTS長度相 同無有效信息，DS發(fā)送后，A開始發(fā)送數(shù) 據(jù)。 FRTS機(jī)制提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增大了數(shù) 據(jù)量和碰撞概率 基于競爭

14、的MAC層協(xié)議 T-MAC協(xié)議 解決早睡問題的方法之二解決早睡問題的方法之二滿緩沖區(qū)優(yōu)滿緩沖區(qū)優(yōu) 先先(Full Buffer Priority, FBP) 節(jié)點(diǎn)C的TA時(shí)間即將結(jié)束時(shí)，收到B發(fā)來 的RTS。 節(jié)點(diǎn)C對B的RTS不做CTS回應(yīng)，而是向目 標(biāo)節(jié)點(diǎn)D發(fā)出RTS。 節(jié)點(diǎn)C與D開展通信。 避免了D的早睡問題。 控制了網(wǎng)絡(luò)流量，但增加了碰撞的可能 性。 基于競爭的MAC層協(xié)議 DMAC協(xié)議 DMAC（Dynamic SMAC）基于SMAC和TMAC思想，采用預(yù)先分配方采用預(yù)先分配方 法法來避免睡眠延遲，在信道分配方面引入一種交錯(cuò)呼醒機(jī)制交錯(cuò)呼醒機(jī)制。 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)保持靜止，且每個(gè)路由

15、節(jié)點(diǎn)有足夠的存活時(shí)間， 保持網(wǎng)絡(luò)在較長時(shí)間內(nèi)路徑不發(fā)生變化 假設(shè)數(shù)據(jù)有傳感器節(jié)點(diǎn)向唯一的Sink單向傳輸 假設(shè)各節(jié)點(diǎn)間保持時(shí)間同步 在一條多跳傳輸路徑上，各節(jié)點(diǎn)交替喚醒，如同鎖鏈一樣環(huán)環(huán)相 扣，保證數(shù)據(jù)在樹狀結(jié)構(gòu)上持續(xù)傳輸，不被睡眠所中斷 每個(gè)間隔分為接收、發(fā)送和睡眠三個(gè)周期 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度具有不同的偏移，下層節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間對應(yīng)于上 層節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)間 基于競爭的MAC層協(xié)議 DMAC協(xié)議 DMAC協(xié)議基本機(jī)制 基于競爭的MAC層協(xié)議 DMAC協(xié)議 自適應(yīng)忙閑比機(jī)制自適應(yīng)忙閑比機(jī)制 如果節(jié)點(diǎn)在一個(gè)發(fā)送周期內(nèi)有多個(gè)數(shù)據(jù)包要發(fā)送，就需要該節(jié) 點(diǎn)和樹狀路徑上的上層節(jié)點(diǎn)一起加大發(fā)送周期占空比 通過在MA

16、C層數(shù)據(jù)幀的幀頭加入一個(gè)標(biāo)記(more data flag)，以較 小的控制開銷發(fā)送占空比更新請求。在ACK幀中加入同樣的標(biāo)記位 節(jié)點(diǎn)提高忙閑比的條件：節(jié)點(diǎn)將相關(guān)標(biāo)志位置1，或收到了該標(biāo) 志位置1的ACK幀，傳輸路徑上的節(jié)點(diǎn)依次提高忙閑比，增加了網(wǎng) 絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量。 基于競爭的MAC層協(xié)議 DMAC協(xié)議 數(shù)據(jù)預(yù)測機(jī)制數(shù)據(jù)預(yù)測機(jī)制 在數(shù)據(jù)采集樹中，越靠近上層的節(jié)點(diǎn)，匯聚的數(shù)據(jù)越多，對樹的 底層節(jié)點(diǎn)適合的占空比不一定適合中間節(jié)點(diǎn) 如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)（父節(jié)點(diǎn)）在接收狀態(tài)下接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，該節(jié) 點(diǎn)預(yù)測子節(jié)點(diǎn)仍有數(shù)據(jù)等待發(fā)送。在發(fā)送周期結(jié)束后再等待3個(gè)周 期，節(jié)點(diǎn)重新切換到接收狀態(tài) 在前一周期競爭信道失敗的

17、子節(jié)點(diǎn)偵聽到父節(jié)點(diǎn)的ACK幀，知道 父節(jié)點(diǎn)將在3后醒來，據(jù)此調(diào)整自身調(diào)度計(jì)劃，在3后喚醒自己與 父節(jié)點(diǎn)建立通信 基于競爭的MAC層協(xié)議 DMAC協(xié)議 MTS(More To Send)幀機(jī)制幀機(jī)制 必要性：雖然自適應(yīng)占空比機(jī)制和數(shù)據(jù)預(yù)測機(jī)制考慮了沖突避免， 數(shù)據(jù)采集樹中不同分枝節(jié)點(diǎn)仍有沖突的可能 MTS幀只包含目的地址和MTS標(biāo)志位。標(biāo)志位為1時(shí)稱為MTS請求， 標(biāo)志位為0時(shí)稱為MTS清除 發(fā)送或接收到MTS請求的節(jié)點(diǎn)每隔3個(gè)周期就喚醒一次，只有 MTS請求已經(jīng)被清除時(shí)，節(jié)點(diǎn)才回到原來的忙閑比方式 基于競爭的MAC層協(xié)議 B-MAC協(xié)議 S-MAC協(xié)議采用忙閑比模式忙閑比模式，忙閑比模式在能耗

18、方面主要問題： 1、節(jié)點(diǎn)需要定期發(fā)送消息，如SMAC中的SYNC數(shù)據(jù)包； 2、節(jié)點(diǎn)在偵聽期間需要開啟接收機(jī)等待可能到來的數(shù)據(jù)包。 B-MAC協(xié)議基于兩種機(jī)制： 低功耗偵聽（Low Power Listening，LPL）的休眠/喚醒調(diào)度機(jī)制， 也稱前同步碼采樣機(jī)制 空閑信道評估（Clear Channel Assessment，CCA）機(jī)制 基于競爭的MAC層協(xié)議 B-MAC協(xié)議LPL機(jī)制 B-MAC協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)不需要同時(shí)被喚醒不需要同時(shí)被喚醒，每個(gè)節(jié)點(diǎn) 可以自行制定自己的休眠和喚醒時(shí)間調(diào)度表自行制定自己的休眠和喚醒時(shí)間調(diào)度表，不需要跟其他節(jié)點(diǎn) 保持同步。 一個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)有兩種

19、方法，一種是喚醒它的目標(biāo)匯聚節(jié)點(diǎn)， 另一種是等待目標(biāo)匯聚節(jié)點(diǎn)自己醒來。 LPL的主要思想是在發(fā)送數(shù)據(jù)包前發(fā)送一個(gè)前導(dǎo)序列（在發(fā)送數(shù)據(jù)包前發(fā)送一個(gè)前導(dǎo)序列（Premble） 來喚醒目標(biāo)接收機(jī)，這樣可以減少固定占空比協(xié)議中的來喚醒目標(biāo)接收機(jī)，這樣可以減少固定占空比協(xié)議中的“偵聽功偵聽功 耗耗”。 基于競爭的MAC層協(xié)議 B-MAC協(xié)議LPL機(jī)制 LPL機(jī)制的工作流程機(jī)制的工作流程 假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間均為Tp ， Tp 時(shí)間后節(jié)點(diǎn)醒來，在Ta 時(shí)間內(nèi)偵聽信道活動(dòng)，令前導(dǎo)序列的時(shí)長為Tp + Ta （即Tw ） 。 節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，A首先發(fā)送前導(dǎo)序列。 B醒來后偵聽到前導(dǎo)序列，判斷出自己

20、是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入工作狀 態(tài)接收數(shù)據(jù)。 其他節(jié)點(diǎn)如也偵聽到前導(dǎo)序列，但發(fā)現(xiàn)自己并非目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，返 回睡眠狀態(tài)。 基于競爭的MAC層協(xié)議 B-MAC協(xié)議LPL機(jī)制 LPL機(jī)制的能耗情況機(jī)制的能耗情況 每個(gè)數(shù)據(jù)幀前都發(fā)送前導(dǎo)序列，如數(shù)據(jù)量大，則發(fā)送前導(dǎo)序列能耗 較大。 數(shù)據(jù)量小時(shí)，前導(dǎo)序列少，節(jié)點(diǎn)免去多次偵聽的過程，能耗較少。 LPL機(jī)制的機(jī)制的Tw 的取值的取值 如Tw 取值過大，會造成傳輸過程較大的時(shí)延。 如Tw 取值過小，節(jié)點(diǎn)在頻繁的喚醒-睡眠過程中會增大能耗。 Tw 的取值應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載的具體情況確定。 基于競爭的MAC層協(xié)議 B-MAC協(xié)議CCA機(jī)制 LPL機(jī)制的問題機(jī)制的問題 節(jié)點(diǎn)偵聽

21、完前導(dǎo)序列發(fā)現(xiàn)自己不是目的節(jié)點(diǎn)，造成能耗。 節(jié)點(diǎn)偵聽前導(dǎo)序列失敗，造成能耗和延遲。 源節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤判斷信道狀態(tài)發(fā)送前導(dǎo)序列，導(dǎo)致傳輸碰撞 CCA機(jī)制機(jī)制 為解決LPL機(jī)制的問題。 動(dòng)態(tài)本底噪聲評估。 信號偵測。 基于競爭的MAC層協(xié)議 B-MAC協(xié)議CCA機(jī)制 CCA機(jī)制的工作原理機(jī)制的工作原理 在一次傳輸結(jié)束后，節(jié) 點(diǎn)立即對信道采樣更新本 底噪聲估計(jì)值。 在下次傳輸數(shù)據(jù)前，對 信道進(jìn)行多次采樣。 發(fā)現(xiàn)異常，則信道空閑， 可發(fā)送數(shù)據(jù)。 未發(fā)現(xiàn)異常，則信道忙 碌，進(jìn)行退避。 傳輸 采取信道樣本 更新噪聲基準(zhǔn) 采樣確定是否存在異常 需要傳輸數(shù)據(jù) 發(fā)現(xiàn)異常 未發(fā)現(xiàn)異常 信道空閑 傳輸數(shù)據(jù) 信道忙碌 采取

22、退避 噪聲基準(zhǔn)估計(jì) 信號檢測 基于競爭的MAC層協(xié)議 B-MAC協(xié)議 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 提供一個(gè)有效的載波偵聽機(jī)制，大部分錯(cuò)誤可以被檢測； 噪聲基準(zhǔn)評估機(jī)制使MAC協(xié)議能夠適應(yīng)周邊環(huán)境； 輕量級協(xié)議，占用空間較小； 靈活多變，為上層用戶提供各種接口，方便再次開發(fā)。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 未解決隱終端問題，在高密度高流量的網(wǎng)絡(luò)中信道不能充分利用 同步前導(dǎo)碼過長，在流量負(fù)載較高時(shí)產(chǎn)生較大開銷； CCA機(jī)制引入了額外的復(fù)雜性，也在一定程度上增加了接入時(shí)延。 基于競爭的MAC層協(xié)議 X-MAC協(xié)議 B-MAC協(xié)議節(jié)點(diǎn)接收前導(dǎo)序列消耗能量和造成時(shí)延 X-MAC是針對B-MAC協(xié)議的改進(jìn)和優(yōu)化。 將較長的前導(dǎo)序列分成若干連續(xù)

23、短序列，在這些前導(dǎo)序列之間 有段空隙，節(jié)點(diǎn)在空隙處處于監(jiān)聽狀態(tài)。 目的節(jié)點(diǎn)只需接收一個(gè)短前導(dǎo)序列即可確認(rèn)，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送 ACK幀后，源節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送剩余前導(dǎo)序列。 數(shù)據(jù)傳輸后，目的節(jié)點(diǎn)不立即睡眠，保持偵聽，以便接受其他 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。 多節(jié)點(diǎn)對一節(jié)點(diǎn)請求發(fā)送時(shí)，最先發(fā)送前導(dǎo)序列的節(jié)點(diǎn)獲得優(yōu) 先權(quán)，其他節(jié)點(diǎn)等待下次競爭機(jī)會。 CSMA 加入沖突避免 CSMA/CA SMAC 偵聽/休眠機(jī)制 同步 異步 LPL算法 BMAC DSMAC 根據(jù)流量動(dòng)態(tài) 改變占空比 XMAC 引入閃頻前導(dǎo) 減少前導(dǎo)碼長度 加入TA間隔 減少空閑偵聽 T-MAC 同步異步 基于競爭的MAC協(xié)議 基于競爭的MAC層協(xié)議 基于保

24、留時(shí)隙的MAC層協(xié)議 TDMA技術(shù) 節(jié)點(diǎn)通信基于超級幀節(jié)點(diǎn)通信基于超級幀(Superframe)，超級幀包括預(yù)留時(shí)段預(yù)留時(shí)段(節(jié)點(diǎn) 間通過特點(diǎn)機(jī)制決定各自時(shí)隙)和數(shù)據(jù)時(shí)段數(shù)據(jù)時(shí)段(多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙 內(nèi)特點(diǎn)節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行通信)。 優(yōu)勢優(yōu)勢 無需競爭信道，無碰撞問題。 控制信息少，消耗能量小。 節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)隙進(jìn)入睡眠，節(jié)能。 劣勢劣勢 節(jié)點(diǎn)需同步，時(shí)隙和幀長度固定，對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化適應(yīng)性差。 流量低時(shí)，信道利用率低。 基于保留時(shí)隙的MAC層協(xié)議 TRAMA協(xié)議 n每個(gè)時(shí)間幀分為隨機(jī)訪問和調(diào)度訪問兩部分，隨機(jī)訪問包含多個(gè)信令時(shí)隙 ，調(diào)度訪問時(shí)隙包含多個(gè)傳輸時(shí)隙 n節(jié)點(diǎn)交換兩跳內(nèi)鄰居信息和分配信息 n流

25、量自適應(yīng)的分布式選舉算法選擇在每個(gè)時(shí)隙上的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn) 鄰居協(xié)議鄰居協(xié)議(NP) 節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后處于隨機(jī)接入時(shí)隙，此時(shí)節(jié)點(diǎn)為接收狀態(tài)。 通過在隨機(jī)訪問中交換控制信息，NP協(xié)議實(shí)現(xiàn)鄰居信息的交 互。控制信息中攜帶了增加的鄰居的更新，如果沒有更新，控制 信息作為通知鄰居自己存在的信標(biāo)。 節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步信息也是在隨機(jī)訪問中發(fā)送 每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送關(guān)于自己下一跳鄰居的增加更新，可以用來保持 鄰居之間的連通性。如果節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)都沒有再收到某個(gè)鄰 居的信標(biāo)，則該鄰居失效。 基于保留時(shí)隙的MAC層協(xié)議 TRAMA協(xié)議 基于保留時(shí)隙的MAC層協(xié)議 TRAMA協(xié)議 調(diào)度交換協(xié)議調(diào)度交換協(xié)議(SEP) 建立和

26、維護(hù)發(fā)送者和接收者選擇時(shí)需要的調(diào)度信息 ，包括調(diào) 度信息生成和調(diào)度的信息交換與維護(hù)。 根據(jù)高層應(yīng)用產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率計(jì)算出一個(gè)調(diào)度間隔，確定可調(diào) 度的時(shí)隙數(shù)，生成調(diào)度信息。 節(jié)點(diǎn)通過分配幀廣播調(diào)度信息。 節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的廣播維護(hù)下一跳鄰居的調(diào)度信息。 基于保留時(shí)隙的MAC層協(xié)議 TRAMA協(xié)議 自適應(yīng)選舉算法自適應(yīng)選舉算法(AEA) 確定節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)隙應(yīng)處于發(fā)送、接收還是睡眠狀態(tài)。 得到節(jié)點(diǎn)行為的預(yù)測。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)在本地計(jì)算自己和鄰居節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙的AEA算法輸 出并決定自己的行為。 差錯(cuò)控制 傳輸能量控制 調(diào)節(jié)天線消耗的能量控制節(jié)點(diǎn)有效通信距離 增加傳輸能量會 增大能耗 配合前向糾錯(cuò)機(jī)制減少 傳輸錯(cuò)誤率，提高能量 利用效率 提高信噪比可以降低數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤率 定定 位位 ARQ功能功能：室外遠(yuǎn)距離條件下，無線信道的衰落現(xiàn)象非常顯著。在 鏈路層加入了ARQ機(jī)制，減少到達(dá)網(wǎng)路層的信息差錯(cuò)，可大大提 高系統(tǒng)的業(yè)務(wù)吞吐量。 ARQ類型類型 SAW（Stop-and-wait）：發(fā)送端每發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包就停下來，等待接收端）：發(fā)送端每發(fā)一個(gè)數(shù)