第14章-物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(曾憲武)LXX2014.7

1、第14章的協(xié)議1 1 第14章WSN的MAC協(xié)議14.1基于競(jìng)爭(zhēng)的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議協(xié)議14.2基于時(shí)分復(fù)用的基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議協(xié)議本章小結(jié)本章小結(jié)第14章的協(xié)議2 2 14.1 基于競(jìng)爭(zhēng)的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議協(xié)議14.1.1 IEEE802.11 MAC協(xié)議協(xié)議IEEE802.11 MAC協(xié)議包括分布式協(xié)調(diào)（DCF）和點(diǎn)協(xié)調(diào)(Point Coordination Function, PCF)兩種訪問控制方式， 其中DCF是IEEE802.11協(xié)議的基本訪問控制方式。 由于在無線信道中難以檢測(cè)到信號(hào)的碰撞， 因而只能采用隨機(jī)退避的方式來減少數(shù)據(jù)碰撞的概率。第14章的協(xié)議3 3在DCF工

2、作方式下， 節(jié)點(diǎn)在偵聽到無線信道忙之后， 采用CSMA/CA機(jī)制和隨機(jī)退避時(shí)間技術(shù)， 以實(shí)現(xiàn)無線信道的共享。 另外， 所有定向通信都采用立即主動(dòng)發(fā)送ACK確認(rèn)幀的機(jī)制， 如果沒有收到ACK幀， 則發(fā)送方會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)分組。 PCF工作方式是基于優(yōu)先級(jí)的無競(jìng)爭(zhēng)訪問， 是可選的控制方式。 它通過訪問接入點(diǎn)(AP)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)， 通過輪詢方式查詢當(dāng)前哪些節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送的請(qǐng)求， 并在必要時(shí)給予數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)。第14章的協(xié)議4 4在DCF工作方式下， 載波偵聽機(jī)制通過物理載波偵聽和虛擬載波偵聽來確定無線信道的狀態(tài)。 物理載波偵聽由物理層提供， 而虛擬載波偵聽由MAC層提供。 如圖14.1.1所示， 節(jié)

3、點(diǎn)A欲向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)， 節(jié)點(diǎn)C在A的無線通信范圍內(nèi)， 節(jié)點(diǎn)D在B的無線通信范圍內(nèi)， 但不在A的無線通信范圍內(nèi)。 第14章的協(xié)議5 5圖14.1.1 CSMA/CA虛擬載波偵聽示意圖第14章的協(xié)議6 6節(jié)點(diǎn)A首先向B發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求幀(Request-to-Send， RTS)， 節(jié)點(diǎn)B返回一個(gè)清除幀(Clear-to-Send， CTS)給予應(yīng)答。 在這兩個(gè)幀中都有一個(gè)字段表示這次數(shù)據(jù)交換需要的時(shí)間長(zhǎng)度， 稱為網(wǎng)絡(luò)分配矢量(Network Allocation Vector， NAV)， 其他幀的MAC頭也會(huì)攜帶這一信息。 節(jié)點(diǎn)C和D在偵聽到這個(gè)信息后， 就不再發(fā)送任何數(shù)據(jù)， 直到這次數(shù)交換完成

4、為止。 NAV可看做一個(gè)計(jì)數(shù)器， 以均勻速率遞減計(jì)數(shù)到零。 當(dāng)計(jì)數(shù)器為零時(shí)， 虛擬載波偵聽指示信道為空閑狀態(tài)， 否則， 指示信道為忙狀態(tài)。 第14章的協(xié)議7 7IEEE802.11 MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔(Inter-frame Spacing, IFS)， 用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級(jí)。 三種幀間的間隔分別如下： SIFS(Short IFS)： 最短幀間間隔。 使用SIFS的幀的優(yōu)先級(jí)最高， 用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)， 如ACK幀、 CTS幀和控制幀等。 第14章的協(xié)議8 8PIFS(PCF IFS)： PCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔， 用于獲得在無競(jìng)爭(zhēng)訪問周期啟動(dòng)時(shí)訪問信道的優(yōu)先

5、權(quán)。 DIFS(DCF IFS)： DCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔， 用于發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。 上述各幀間間隔滿足關(guān)系： DIFSPIFSSIFS。 第14章的協(xié)議9 9根據(jù)CSMA/CA協(xié)議， 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)分組時(shí)， 它首先偵聽信道狀態(tài)。 如果信道空閑， 而且經(jīng)過一個(gè)幀間間隔時(shí)間DIFS后信道仍然空閑， 則節(jié)點(diǎn)立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)分組。 如果信道忙， 則節(jié)點(diǎn)一直偵聽信道直到信道的空閑時(shí)間超過DIFS。 當(dāng)信道最終空閑時(shí)， 節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步使用二進(jìn)制退避算法(Binary Back-off Algorithm)， 進(jìn)入退避狀態(tài)來避免發(fā)生碰撞， 如圖14.1.2所示。 隨機(jī)退避時(shí)間按下列公式計(jì)算

6、： 第14章的協(xié)議10 10退避時(shí)間=Random（）aSlottime(14.1.1)式中， Random()是在競(jìng)爭(zhēng)窗口0, CW內(nèi)均勻分布的偽隨機(jī)整數(shù)； CW是整數(shù)隨機(jī)數(shù)， 其值處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的aCWmin和aCWmax之間； aSlottime是一個(gè)時(shí)隙時(shí)間， 包括發(fā)射啟動(dòng)時(shí)間、 媒體傳播時(shí)延、 檢測(cè)信道的響應(yīng)時(shí)間等。 第14章的協(xié)議11 11圖14.1.2 CSMA/CA訪問機(jī)制時(shí)序圖第14章的協(xié)議12 12節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入退避狀態(tài)時(shí)， 啟動(dòng)一個(gè)退避計(jì)時(shí)器， 當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到退避時(shí)間后結(jié)束退避狀態(tài)。 在退避狀態(tài)下， 只有當(dāng)檢測(cè)到信道空閑時(shí)才進(jìn)行計(jì)時(shí)。 如果信道忙， 則退避計(jì)時(shí)器中止計(jì)時(shí)， 直到檢測(cè)

7、到信道空閑時(shí)間大于DIFS后才繼續(xù)計(jì)時(shí)。 當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)推遲且進(jìn)入隨機(jī)退避時(shí)， 利用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時(shí)間的節(jié)點(diǎn)作為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勝者， 如圖14.1.3所示。 第14章的協(xié)議13 13圖14.1.3 IEEE802.11 MAC協(xié)議的退避機(jī)制第14章的協(xié)議14 14IEEE802.11 MAC協(xié)議中通過主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制和預(yù)留機(jī)制來提高性能， 如圖14.1.4所示。 在主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制中， 當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)發(fā)給它的有效數(shù)據(jù)幀時(shí)， 必須向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀(ACK)， 確認(rèn)數(shù)據(jù)已被正確接收。 為了保證目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送ACK過程中不與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突， 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用SIFS幀作為間隔。 主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制只能用于有明確

8、目標(biāo)地址的幀， 不能用于組播報(bào)文和廣播報(bào)文傳輸。 第14章的協(xié)議15 15為了減少節(jié)點(diǎn)間使用共享信道的碰撞概率， 預(yù)留機(jī)制要求源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前交換簡(jiǎn)短的控制幀， 即發(fā)送請(qǐng)求幀RTS和清除幀CTS。 從RTS（或CTS）幀開始到ACK幀結(jié)束的這段時(shí)間， 信道將一直被這個(gè)數(shù)據(jù)交換過程占用。 RTS幀和CTS幀中包含有關(guān)這段時(shí)間長(zhǎng)度的信息。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)定時(shí)器， 記錄網(wǎng)絡(luò)分配向量NAV， 指示信道被占用的剩余時(shí)間。 一旦收到RTS幀或CTS幀， 所有節(jié)點(diǎn)都必須更新它們的NAV值。 只有在NAV減至零時(shí)，節(jié)點(diǎn)才可能發(fā)送信息。 通過此種方式， RTS幀和CTS幀為節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸預(yù)留了

9、無線信道。 第14章的協(xié)議16 16圖14.1.4 IEEE802.11 MAC協(xié)議的應(yīng)答域預(yù)留機(jī)制第14章的協(xié)議17 1714.1.2 S-MAC協(xié)議協(xié)議S-MAC(Sensor MAC)協(xié)議是在IEEE802.11 MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上， 針對(duì)WSN的節(jié)省能量需求而提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。 S-MAC協(xié)議假設(shè)在通常情況下， WSN的數(shù)據(jù)傳輸量較少， 而節(jié)點(diǎn)能協(xié)作完成共同的任務(wù)， 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量， 網(wǎng)絡(luò)能夠容忍一定程度的通信延遲。 它的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性， 減少節(jié)點(diǎn)能量的消耗。 第14章的協(xié)議18 18針對(duì)碰撞重傳、 串音、 空閑偵聽和控制

10、消息等可能造成WSN消耗更多能量等因素，S-MAC 協(xié)議采用了周期性偵聽/睡眠的低占空比工作方式， 控制節(jié)點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)以便能降低節(jié)點(diǎn)能量的消耗； 相鄰節(jié)點(diǎn)通過協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機(jī)制形成虛擬簇， 減少節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽時(shí)間； 通過流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制， 減少信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲； 通過帶內(nèi)信令， 減少重傳和避免監(jiān)聽不必要的數(shù)據(jù)； 通過消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制， 減少控制消息的開銷和消息的傳遞延遲。 以下介紹S-MAC協(xié)議所采用的主要機(jī)制。 第14章的協(xié)議19 191. 周期性偵聽和睡眠為了減少能量消耗， 節(jié)點(diǎn)要盡量處于低功耗的睡眠狀態(tài)。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地調(diào)度其他的工作狀態(tài)， 周期性地轉(zhuǎn)入睡眠

11、狀態(tài)， 在蘇醒后偵聽信道狀態(tài)， 判斷是否要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。 為了便于相互通信， 相鄰節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)該盡量維持睡眠/偵聽調(diào)度周期的同步。第14章的協(xié)議2020每個(gè)節(jié)點(diǎn)用SYNC消息通告自己的調(diào)度信息， 同時(shí)維護(hù)一個(gè)調(diào)度表， 以保存所有相鄰節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)工作時(shí)， 首先在一固定的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)進(jìn)行偵聽， 如果在這段偵聽時(shí)間內(nèi)收到其他節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息， 則將它的調(diào)度周期設(shè)置為與鄰居節(jié)點(diǎn)相同的周期， 并在等待一段隨機(jī)時(shí)間后廣播它的調(diào)度信息。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的不同調(diào)度信息時(shí)， 可以選擇第一個(gè)收到的調(diào)度信息， 并記錄收到的所有調(diào)度信息。 第14章的協(xié)議21 21如果節(jié)點(diǎn)在這段偵聽時(shí)間內(nèi)沒有收到其他節(jié)

12、點(diǎn)的調(diào)度信息， 則產(chǎn)生自己的調(diào)度周期并廣播。 在節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生和通告自己的調(diào)度后， 如果收到鄰居的不同調(diào)度， 可分兩種情況進(jìn)行處理： 如果節(jié)點(diǎn)沒有收到過與自己調(diào)度相同的其他鄰居的通告， 則采納鄰居的調(diào)度而丟棄自己生成的調(diào)度； 如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到過與自己調(diào)度相同的其他鄰居的通告， 則在調(diào)度表中記錄該調(diào)度信息， 以便能夠與非同步的相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。第14章的協(xié)議2222這樣， 具有相同調(diào)度的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)虛擬簇， 邊界節(jié)點(diǎn)記錄兩個(gè)或多個(gè)調(diào)度。 在部署區(qū)域較廣的WSN中， 能夠形成眾多不同的虛擬簇， 從而使得S-MAC具有良好的擴(kuò)展性。 為了適應(yīng)新節(jié)點(diǎn)的加入， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要定期廣播自己的調(diào)度， 使新節(jié)點(diǎn)可以與

13、已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步。 如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到兩種不同的調(diào)度， 如圖14.1.5中處于兩個(gè)不同調(diào)度區(qū)域重合部分的節(jié)點(diǎn)， 那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選擇先收到的調(diào)度， 并記錄另一個(gè)調(diào)度信息。第14章的協(xié)議2323圖14.1.5 S-MAC虛擬簇形成示意圖第14章的協(xié)議24242. 流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制WSN一般采用多跳方式進(jìn)行通信， 但節(jié)點(diǎn)的周期性睡眠會(huì)導(dǎo)致通信延遲的累加。 S-MAC 協(xié)議采用了流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制， 以減少通信延遲的累加效應(yīng)。 其基本思想是： 在一次通信過程中， 節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)在通信結(jié)束后不馬上進(jìn)入睡眠狀態(tài)， 而是保持偵聽一段時(shí)間。 如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)接到RTS分組， 則立即接收數(shù)據(jù)

14、， 無須等到下一次調(diào)度偵聽周期， 從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。 如果在這段時(shí)間內(nèi)沒有接到RTS分組， 則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。 第14章的協(xié)議25253. 串音避免為了減少碰撞和避免串音， S-MAC協(xié)議采用了與IEEE802.11 MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波偵聽機(jī)制， 以及RTS/CTS的通告機(jī)制。 兩者的區(qū)別在于當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)處于通信時(shí)， S-MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。第14章的協(xié)議2626每個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)， 都要經(jīng)歷RTS/CTS/數(shù)據(jù)傳輸/ACK確認(rèn)的通信過程（除廣播外）。在傳輸?shù)拿總€(gè)分組中， 都有一個(gè)域值表示剩余通信過程需要持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度。 源和目的節(jié)點(diǎn)的鄰居

15、節(jié)點(diǎn)在偵聽期間偵聽到分組時(shí)， 記錄這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度值， 同時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。 通信過程記錄的剩余時(shí)間會(huì)隨著時(shí)間不斷減少。 當(dāng)剩余時(shí)間減至零時(shí)， 若節(jié)點(diǎn)仍處于偵聽周期， 就會(huì)被喚醒， 否則， 節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)直到下一個(gè)調(diào)度的偵聽周期。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都要先進(jìn)行載波偵聽。 只有虛擬或物理載波偵聽表示無線信道空閑時(shí)， 才可以競(jìng)爭(zhēng)獲得通信。 第14章的協(xié)議27274. 消息傳遞 因?yàn)閃SN內(nèi)部數(shù)據(jù)處理需要完整的消息， 所以S-MAC協(xié)議利用RTS/CTS機(jī)制， 一次預(yù)約發(fā)送整個(gè)長(zhǎng)信息的時(shí)間； 又因?yàn)閃SN無線信道誤碼率較高， S-MAC協(xié)議將一個(gè)長(zhǎng)信息分割成幾個(gè)短信息在預(yù)約的時(shí)間內(nèi)突發(fā)傳送。 為了能

16、讓鄰居節(jié)點(diǎn)及時(shí)獲取通信過程的剩余時(shí)間， 每個(gè)分組都帶有剩余時(shí)間域。 為了可靠傳輸以及通告鄰居節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行的通信過程， 目的節(jié)點(diǎn)對(duì)每個(gè)短消息都要發(fā)送一個(gè)應(yīng)答消息。 如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有收到應(yīng)答消息， 則立刻重傳該短消息。 第14章的協(xié)議2828S-MAC協(xié)議的消息傳遞機(jī)制與IEEE802.11 MAC協(xié)議的不同之處在于， S-MAC協(xié)議的RTS/CTS控制消息和數(shù)據(jù)攜帶的時(shí)間信息是整個(gè)長(zhǎng)信息傳輸?shù)氖Ｓ鄷r(shí)間， 其他節(jié)點(diǎn)只要接收到一個(gè)信息就能知道整個(gè)長(zhǎng)信息的剩余時(shí)間， 然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)直到信息發(fā)送完畢。IEEE802.11MAC協(xié)議考慮網(wǎng)絡(luò)的公平性， RTS/CTS只預(yù)約了下一個(gè)發(fā)送短信息的時(shí)間， 其他

17、節(jié)點(diǎn)在每個(gè)短信息發(fā)送完成后不必醒來即可進(jìn)入偵聽狀態(tài)。 只要發(fā)送方?jīng)]有收到某個(gè)短信息的應(yīng)答， 連接就會(huì)斷開， 其他節(jié)點(diǎn)便可以開始競(jìng)爭(zhēng)信道。 S-MAC與IEEE802.11MAC傳輸分組的對(duì)比如圖14.1.6所示。 第14章的協(xié)議2929圖14.1.6 S-MAC與IEEE802.11傳輸分組的對(duì)比第14章的協(xié)議3030 14.1.3 T-MAC協(xié)議協(xié)議1. 基本原理如圖14.1.7(a)所示， 向上的箭頭表示發(fā)送消息， 向下的箭頭表示接收消息， 上面部分的信息流表示節(jié)點(diǎn)一直處于偵聽方式下的消息收發(fā)序列， 下面部分的信息流表示不采用S-MAC協(xié)議時(shí)的消息收發(fā)序列。第14章的協(xié)議31 31圖14.

18、1.7 S-MAC與T-MAC協(xié)議基本機(jī)制對(duì)比第14章的協(xié)議3232S-MAC協(xié)議的周期長(zhǎng)度受限于延遲要求和緩存大小， 活動(dòng)時(shí)間主要依賴于傳輸信息的速率。 這樣就存在一個(gè)問題， 即延遲要求和緩存大小通常是固定的， 而信息傳輸速率通常是變化的。 如果要保證可靠及時(shí)的信息傳輸，節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)間必須適應(yīng)最高通信負(fù)載。 當(dāng)負(fù)載動(dòng)態(tài)較小時(shí)， 節(jié)點(diǎn)處于空閑偵聽的時(shí)間相對(duì)增加。 第14章的協(xié)議3333針對(duì)這個(gè)問題， T-MAC協(xié)議在保持周期長(zhǎng)度不變的基礎(chǔ)上， 根據(jù)通信流量的變化動(dòng)態(tài)地調(diào)整活動(dòng)時(shí)間， 用突發(fā)方式發(fā)送信息， 以減少空閑偵聽時(shí)間。 如圖14.1.7(b)所示， T-MAC 協(xié)議相對(duì)S-MAC協(xié)議減少

19、了處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間。 第14章的協(xié)議3434在T-MAC 協(xié)議中， 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)仍采用 RTS/CTS/DATA/ACK的通信過程， 節(jié)點(diǎn)周期性地喚醒并進(jìn)行偵聽， 如果在一個(gè)給定時(shí)間TA內(nèi)沒有發(fā)生下面任何一個(gè)激活事件， 則活動(dòng)結(jié)束。 在每個(gè)活動(dòng)期間的開始， T-MAC協(xié)議按照突發(fā)方式發(fā)送所有數(shù)據(jù)。 TA決定了每個(gè)周期內(nèi)最小的空閑偵聽時(shí)間。第14章的協(xié)議3535TA的取值對(duì)于T-MAC協(xié)議性能至關(guān)重要， 其取值約束為TAC+R+T (14.1.2)式中， C為競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)間， R為發(fā)送RTS分組的時(shí)間， T為RTS分組結(jié)束到發(fā)出CTS分組開始的時(shí)間， 它們之間的關(guān)系如圖14.1.8所示。第14章的

20、協(xié)議3636圖14.1.8 T-MAC協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖及TA、 C、 R及T間關(guān)系第14章的協(xié)議37372. 早睡問題通常， 在WSN中存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)向一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的單向通信方式。 如圖14.1.9所示， 假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸方向是ABCD。 如果節(jié)點(diǎn)A通過競(jìng)爭(zhēng)首先獲得發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)B的機(jī)會(huì)， 則節(jié)點(diǎn)A發(fā)送RTS消息給節(jié)點(diǎn)B， B用CTS消息應(yīng)答。 節(jié)點(diǎn)C收到節(jié)點(diǎn)B發(fā)出的CTS消息后而轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)， 在B接收完數(shù)據(jù)后， C醒來， 以便接收節(jié)點(diǎn)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的通信結(jié)束后已經(jīng)處于睡眠狀態(tài)， 這樣， 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。

21、 這種通信延遲稱為早睡問題 (Early-Sleep Problem)。第14章的協(xié)議3838圖14.1.9 T-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸與早睡問題第14章的協(xié)議3939T-MAC協(xié)議提出兩種方法來解決早睡問題。 第一種方法稱為未來請(qǐng)求發(fā)送(Future RequesttoSend， FRTS)。 如圖14.1.10(a)所示， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)C收到B發(fā)送給A的CTS分組后，立刻向下一跳的接收者D發(fā)出FRTS分組。 FRTS分組包含D接收數(shù)據(jù)前需要等待的時(shí)間長(zhǎng)度， D要在睡眠相應(yīng)長(zhǎng)度時(shí)間后醒來接收數(shù)據(jù)。第14章的協(xié)議4040由于節(jié)點(diǎn)C發(fā)送的FRTS分組可能干擾節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)， 所以節(jié)點(diǎn)A需要推遲發(fā)送數(shù)據(jù)

22、的時(shí)間。 A通過在接收到CTS分組后發(fā)送一個(gè)與FRTS分組長(zhǎng)度相向的DS(Data-Send)分組實(shí)現(xiàn)對(duì)信道的占用。 DS分組不包含有用信息。 A在DS分組之后開始發(fā)送正常的數(shù)據(jù)信息。 FRTS方法可以提高吞吐率， 但DS分組和FRTS分組帶來了額外的通信開銷。第14章的協(xié)議41 41圖14.1.10 解決早睡問題的兩種方法第14章的協(xié)議4242另一種方法稱為滿緩沖區(qū)優(yōu)先(Full Buffer Priority)。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)接近滿時(shí)， 對(duì)收到的RTS不作應(yīng)答， 而是立即向目標(biāo)接收者發(fā)送RTS消息， 并傳輸數(shù)據(jù)給目的節(jié)點(diǎn)， 如圖14.1.10(b)所示。 節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送RTS分組，

23、節(jié)點(diǎn)C因其緩沖區(qū)快滿而不發(fā)送CTS， 只是向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送RTS， 將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)D。 第14章的協(xié)議434314.2 基于時(shí)分復(fù)用的基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議協(xié)議時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiple Access, TDMA)是實(shí)現(xiàn)信道分配的一種機(jī)制。 在WSN中采用TDMA機(jī)制， 就可以為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)隙， 于是節(jié)點(diǎn)可以在其他時(shí)隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)， 以達(dá)到節(jié)省能量的目的。 TDMA機(jī)制沒有競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制所產(chǎn)生的碰撞問題， 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要過多的控制信息， 節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)隙內(nèi)能及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。 第14章的協(xié)議4444TDMA機(jī)制需要節(jié)點(diǎn)之間要有比較嚴(yán)格的時(shí)

24、間同步， 這樣才能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)化，以及節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)同工作。 TDMA機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性方面存在著不足， 很難調(diào)整時(shí)間幀的長(zhǎng)度和時(shí)槽的分配。 對(duì)于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、 失效等動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性較差， 對(duì)于節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)量的變化也不敏感。 研究者利用TDMA機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)， 針對(duì)該機(jī)制的不足， 結(jié)合具體的應(yīng)用， 提出了多個(gè)基于TDMA的WSN MAC協(xié)議。 下面介紹幾種典型的協(xié)議。 第14章的協(xié)議454514.2.1 基于分簇網(wǎng)絡(luò)的基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議協(xié)議分簇網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照某種方式固定或自動(dòng)地被劃分為若干個(gè)簇， 在每個(gè)簇內(nèi)，由一個(gè)簇頭來控制所有節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)。 在基于分簇網(wǎng)絡(luò)的TDMA協(xié)議中，

25、簇頭負(fù)責(zé)為簇內(nèi)所有WSN節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙， 收集和處理簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。 分簇WSN的結(jié)構(gòu)如圖14.2.1所示。 第14章的協(xié)議4646圖14.2.1 分簇WSN結(jié)構(gòu)示意圖第14章的協(xié)議4747在基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議中， 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為感應(yīng)(Sensing)、 轉(zhuǎn)發(fā)(Relaying)、 感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)(Sensing and Relaying)和非活動(dòng)(Inactive)四種狀態(tài)。 節(jié)點(diǎn)在感應(yīng)狀態(tài)時(shí)， 采集數(shù)據(jù)并向其相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送所采集的數(shù)據(jù)； 在轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)， 接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)； 在感應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)， 節(jié)點(diǎn)需要完成上述兩項(xiàng)的功能； 節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)需要

26、接收和發(fā)送時(shí)， 自動(dòng)進(jìn)入非活動(dòng)狀態(tài)。 第14章的協(xié)議4848為了適應(yīng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化、 及時(shí)發(fā)現(xiàn)新的節(jié)點(diǎn)、 能量相對(duì)高的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等目的， 協(xié)議將時(shí)間幀分為周期性的四個(gè)階段。 第一階段， 數(shù)據(jù)傳輸階段。 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在各自分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送采集數(shù)據(jù)給簇頭。 第二階段， 刷新階段。 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)向簇頭報(bào)告其當(dāng)前狀態(tài)。第14章的協(xié)議4949第三階段， 刷新引起的重組階段。 緊接著刷新階段之后， 簇頭根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)， 重新給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙。 第四階段， 事件觸發(fā)的重組階段。 節(jié)點(diǎn)能量小于特定值、 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化等事件發(fā)生時(shí)， 簇頭就要重新分配時(shí)隙。 通常在多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸階段后會(huì)有這樣的事件發(fā)生。

27、 第14章的協(xié)議505014.2.2 DEANA協(xié)議協(xié)議分布式能量感知節(jié)點(diǎn)活動(dòng)(Distributed Energy Aware Node Activation， DEANA)協(xié)議將時(shí)間幀分為周期性的調(diào)度訪問階段和隨機(jī)訪問階段。 調(diào)度訪問階段由多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙組成， 在某個(gè)時(shí)隙分配給特定節(jié)點(diǎn)用來發(fā)送數(shù)據(jù)。 除相應(yīng)的接收節(jié)點(diǎn)外， 其他節(jié)點(diǎn)在此時(shí)隙內(nèi)處于睡眠狀態(tài)， 隨機(jī)訪問階段由多個(gè)連續(xù)的信令交換時(shí)隙組成， 用于處理節(jié)點(diǎn)的添加、 刪除以及時(shí)間同步等。第14章的協(xié)議51 51為了進(jìn)一步節(jié)省能量， 在調(diào)度訪問階段， 每個(gè)時(shí)隙又細(xì)分為控制時(shí)隙和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙。 控制時(shí)隙相對(duì)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙， 其長(zhǎng)度較短

28、。 如果節(jié)點(diǎn)在其分配的時(shí)隙內(nèi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送， 則在控制時(shí)隙發(fā)出控制消息， 指出接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)， 然后在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。 在控制時(shí)隙內(nèi)， 所有節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)。 如果發(fā)現(xiàn)自己不是數(shù)據(jù)的接收者， 節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入睡眠狀態(tài)。 只有數(shù)據(jù)的接收者才能在整個(gè)時(shí)隙內(nèi)保持在接收狀態(tài)。 這樣就可以有效減少節(jié)點(diǎn)接收不必要的數(shù)據(jù)。 DEANA協(xié)議的時(shí)間幀分配如圖14.2.2所示。 第14章的協(xié)議5252圖14.2.2 DEANA協(xié)議的時(shí)間幀分配第14章的協(xié)議535314.2.3 TRAMA協(xié)議協(xié)議1. NP協(xié)議 NP協(xié)議在隨機(jī)訪問周期內(nèi)執(zhí)行， 節(jié)點(diǎn)通過NP協(xié)議以競(jìng)爭(zhēng)方式使用無線信道。 協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)周期性通告自己的

29、節(jié)點(diǎn)編號(hào)ID， 是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送以及能夠直接通信的鄰居節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息， 并實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。第14章的協(xié)議5454在TRAMA協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一的節(jié)點(diǎn)編號(hào)ID。 節(jié)點(diǎn)根據(jù)編號(hào)獨(dú)立計(jì)算其兩跳內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙上的優(yōu)先級(jí)， 節(jié)點(diǎn)u在編號(hào)為t的時(shí)隙內(nèi)的優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式為priority(u, t)=hash(u + t) (14.2.1) 由于節(jié)點(diǎn)間獲取的鄰居節(jié)點(diǎn)信息是一致的， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立計(jì)算在每個(gè)時(shí)隙上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)也是一致的， 因此， 節(jié)點(diǎn)能夠確定每個(gè)時(shí)隙上優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)， 從而知道自己在哪些時(shí)隙上優(yōu)先級(jí)最高。 節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)最高的時(shí)隙稱為節(jié)點(diǎn)的贏時(shí)隙。第14章的協(xié)議55552. S

30、EP協(xié)議調(diào)度信息的產(chǎn)生過程如下： 節(jié)點(diǎn)根據(jù)上層應(yīng)用分組的速率， 首先計(jì)算它的調(diào)度間隔Tinterval（Tinterval代表一次調(diào)度對(duì)應(yīng)的時(shí)隙個(gè)數(shù)）， 然后， 節(jié)點(diǎn)計(jì)算在t, t+Tinterval內(nèi)它具有最高優(yōu)先級(jí)的時(shí)隙； 最后， 節(jié)點(diǎn)在贏時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)并通過調(diào)度消息告訴相應(yīng)的接收者。 如果節(jié)點(diǎn)沒有足夠多的數(shù)據(jù)需要發(fā)送， 應(yīng)及時(shí)通告放棄贏時(shí)隙，以便其他節(jié)點(diǎn)利用。 在節(jié)點(diǎn)的每個(gè)調(diào)度間隔內(nèi)， 最后一個(gè)贏時(shí)隙預(yù)留給節(jié)點(diǎn)廣播它的下一個(gè)調(diào)度間隔的調(diào)度信息。 第14章的協(xié)議5656由于節(jié)點(diǎn)間保持了一致的兩跳鄰居拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 因而可以將鄰居節(jié)點(diǎn)按照節(jié)點(diǎn)ID的升序或降序排列， 并采用位圖(Bitmap)指定

31、接收者。 位圖中的每一位代表一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)， 需要該節(jié)點(diǎn)接收信息則將該節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)位置置l， 這樣可以方便地實(shí)現(xiàn)單播、 廣播和組播。第14章的協(xié)議5757節(jié)點(diǎn)將放棄的贏時(shí)隙位圖置為全0。 最后一個(gè)非0時(shí)隙稱為變更時(shí)隙(Changeover Slot)。 節(jié)點(diǎn)通過調(diào)度分組廣播其調(diào)度信息。 調(diào)度分組的格式如圖14.2.3所示， 其中， SourceAddr是發(fā)送調(diào)度分組的節(jié)點(diǎn)編號(hào)； Timeout是從當(dāng)前時(shí)隙開始本次調(diào)度有效的時(shí)隙個(gè)數(shù)； Width是鄰居個(gè)數(shù)， 也就是鄰居位圖的字節(jié)長(zhǎng)度； NumSlot是贏時(shí)隙的個(gè)數(shù)。第14章的協(xié)議5858圖14.2.3 TRAMA協(xié)議中調(diào)度分組格式第14章的協(xié)議59

32、59節(jié)點(diǎn)采用攜帶技術(shù)在發(fā)送數(shù)據(jù)分組中攜帶節(jié)點(diǎn)調(diào)度摘要， 以減少調(diào)度分組在廣播過程中丟失分組所造成的影響。 調(diào)度摘要包括Timeout、 NumSlot以及接下來的一個(gè)贏時(shí)隙的位圖。 該贏時(shí)隙既可以解決調(diào)度分組丟失問題， 也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度變更。 如發(fā)送給節(jié)點(diǎn)2、 3， 現(xiàn)只想發(fā)送給3， 則可以在最近一個(gè)數(shù)據(jù)分組中修改贏時(shí)隙的位圖（變更部分中的0010表示3）。 第14章的協(xié)議6060出于多種原因， 節(jié)點(diǎn)可能改變自己的調(diào)度， 如調(diào)度分組宣布放棄的贏時(shí)隙可能不再放棄等。 在一個(gè)節(jié)點(diǎn)的變更時(shí)隙， 其所有的鄰居節(jié)點(diǎn)都要處于接收狀態(tài)， 來同步它們關(guān)于節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息。 為了防止調(diào)度信息的不一致和發(fā)送調(diào)度分組時(shí)

33、產(chǎn)生的沖突， 節(jié)點(diǎn)只能在當(dāng)前調(diào)度時(shí)隙內(nèi)的最后一個(gè)贏時(shí)隙廣播下一個(gè)調(diào)度間隔的調(diào)度信息。 第14章的協(xié)議61 613. AEA算法節(jié)點(diǎn)有發(fā)送、 接收和睡眠三種狀態(tài)。 在調(diào)度訪問周期內(nèi)的給定時(shí)隙，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送， 并且在競(jìng)爭(zhēng)信道中處于最高的優(yōu)先級(jí)時(shí)， 它處于發(fā)送狀態(tài)， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)是當(dāng)前發(fā)送節(jié)點(diǎn)指定的接收者時(shí)， 它處于接收狀態(tài)； 其他情況下， 節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)在調(diào)度周期的每個(gè)時(shí)隙上運(yùn)行AEA算法。 該算法根據(jù)當(dāng)前兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)和一跳鄰居的調(diào)度信息， 決定節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙的活動(dòng)策略為發(fā)送、 接收還是睡眠。 第14章的協(xié)議6262以下引入AEA算法的相關(guān)術(shù)語。 N1(u)： u的直

34、接鄰居集合。 N2(u)： u的兩跳鄰居集合。 CS(u)： u的競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)集合， 包括u、 N1(u)和N2(u)中的節(jié)點(diǎn)。 tx(u)： 絕對(duì)勝者(Absolute Winner)集合， 是CS(u)中優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)。 第14章的協(xié)議6363atx(u)： 相對(duì)勝者(Alternative Winner)集合， 是u和其直接鄰居中優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)。 PTX(u)： 可能發(fā)送節(jié)點(diǎn)集合(Possible Transmitter set)， 是u及其直接鄰居中滿足以下公式的優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)， 但不包括atx(u)節(jié)點(diǎn)。 在(5.4.6)中， y是u的一個(gè)直接鄰居，其優(yōu)先級(jí)大于u的所有兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)

35、的優(yōu)先級(jí)。 第14章的協(xié)議6464prio(y)prio(u) x, yN1(N1(y) and x N1(y)(14.2.2) NEED(u)： 需要競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)(Need Contender Set)， u和PTX(u)中需要額外時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)。ntx(u)： 需要發(fā)送者(Need Transmitter)， NEED(u)中優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)。 在TRAMA協(xié)議中， 節(jié)點(diǎn)間通過NP協(xié)議獲得一致的兩跳內(nèi)的拓?fù)湫畔ⅲ?通過SEP協(xié)議建立和維護(hù)發(fā)送者和接收者的調(diào)度信息， 通過AEA算法決定節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙的活動(dòng)策略。A第14章的協(xié)議6565TRAMA協(xié)議通過分布式協(xié)商保證節(jié)點(diǎn)無沖突地發(fā)送數(shù)據(jù)， 無數(shù)據(jù)收發(fā)

36、的節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)； 同時(shí)， 避免把時(shí)隙分配給沒有信息發(fā)送的節(jié)點(diǎn)， 在節(jié)點(diǎn)節(jié)省能量的同時(shí)， 保證了網(wǎng)絡(luò)的較高數(shù)據(jù)傳輸速率。 但是， 該協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)有較大的存儲(chǔ)空間來保存拓?fù)湫畔⒑袜従诱{(diào)度信息， 需要計(jì)算兩跳內(nèi)鄰居的所有節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)， 并且運(yùn)行AEA算法。 TRAMA協(xié)議適用于周期性數(shù)據(jù)收集或監(jiān)測(cè)WSN方面的應(yīng)用。 第14章的協(xié)議6666AEA算法的偽代碼描述如下： 1： 計(jì)算tx(u)， atx(u)和ntx(u)2： if (u-tx(u) then /u是絕對(duì)勝者3： if (u在調(diào)度分組中通告在時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)) then4： let u.state=TX （發(fā)送狀態(tài)）5： let u.r

37、eceive=u.reported.rxId6： 發(fā)送數(shù)據(jù)， 更新通告的調(diào)度信息7： else if (u在調(diào)度分組中放棄該時(shí)隙) then第14章的協(xié)議67678： call HandleNeedTransmissions9： endif 10： else if (tx(u)N1(u) then u的一跳鄰居是絕對(duì)勝者11： if (tx(u)在調(diào)度分組中放棄該時(shí)隙）then12： call HandleNeedTransmissions13： else if (tx(u)在調(diào)度分組中通告接收者為u)then14： let u.mode=RX（接收狀態(tài)）15： else 16： let u. mode=SL （睡眠狀態(tài)）第14章的協(xié)議686817： 更新tx(u)的調(diào)度信息18： endif19： else /u的兩跳鄰居是絕對(duì)勝者20： if (atx(u)與tx(u)不是兩跳內(nèi)的鄰居， 而且atx(u)PTX(u) then21： call HandleNeedT