傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用—第3講(MAC協(xié)議)

1、計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 陳永樂陳永樂目錄MACMAC協(xié)議概述協(xié)議概述 競爭型競爭型MACMAC協(xié)議協(xié)議 分配型分配型MACMAC協(xié)議協(xié)議混合型混合型MACMAC協(xié)議協(xié)議總結(jié)總結(jié)2MAC協(xié)議概述協(xié)議概述 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問控制（在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問控制（medium access medium access controlcontrol，MACMAC）協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器）協(xié)議決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間節(jié)點之間分配有限的無線通信資源分配有限的無線通信資源，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，用來構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

2、。 MACMAC協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分底層部分，對傳感器網(wǎng)絡(luò)，對傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。 傳感器節(jié)點的能量、存儲、計算和通信帶寬等資源有限，傳感器節(jié)點的能量、存儲、計算和通信帶寬等資源有限，單個節(jié)點的功能比較弱，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的強大功能是由眾單個節(jié)點的功能比較弱，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的強大功能是由眾多節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的。多節(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的。多點通信在局部范圍需要多點通信在局部范圍需要 MACMAC協(xié)議協(xié)議協(xié)調(diào)其間的無線信道分配，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)需要路由協(xié)協(xié)調(diào)其

3、間的無線信道分配，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)需要路由協(xié)議選擇通信路徑。議選擇通信路徑。3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議網(wǎng)絡(luò)特征網(wǎng)絡(luò)特征p傳感器節(jié)點能量受限p傳感器節(jié)點失效概率大 p傳感器節(jié)點計算處理能力有限p通信帶寬有限p以數(shù)據(jù)為中心 p高密度、大規(guī)模隨機分布 對對MACMAC協(xié)議的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)！協(xié)議的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)！4無線MAC無法采用CSMA/CD兩者區(qū)別兩者區(qū)別p傳輸介質(zhì)不同傳輸介質(zhì)不同：CSMA/CD用于總線式以太網(wǎng),而CSMA/CA則用于無線局域網(wǎng)802.11a/b/g/n等等p檢測方式不同檢測方式不同：CSMA/CD通過電纜中電壓的變化來檢測沖突；而CSMA/CA采用能量檢測(ED)、載

4、波檢測(CS)和能量載波混合檢測三種檢測信道空閑的方式pWLAN中，節(jié)點發(fā)出的信號強度要遠高于來自其他節(jié)點的信號強度，也就是說會把其他的信號給覆蓋掉；pWLAN中，存在“隱匿的終端” 問題5CSMA/CD：Carrier Sense Multiple Access with Collision DetectionCSMA/CA：Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance無線網(wǎng)絡(luò)隱藏終端問題隱終端描述隱終端描述pA,B能夠相互檢測到對方pB,C能夠相互檢測到對方p但是A,C不能相互檢測到對方l當A,C同時向B發(fā)送數(shù)據(jù)時，將產(chǎn)生碰撞

5、隱藏終端-解決方案 CSMA /CA(CSMA /CA(載波偵聽載波偵聽/ /沖突避免沖突避免) ) 如何解決如何解決“隱匿終端問題隱匿終端問題7RTSA requests to sendBC(a)CTSCTSABCB announces A ok to send(b)Data FrameA sendsBC remains quiet(c)A 發(fā)發(fā)RTS 請求發(fā)送請求發(fā)送B 發(fā)發(fā) CTS 允許允許A發(fā)送發(fā)送 A 發(fā)數(shù)據(jù)幀發(fā)數(shù)據(jù)幀C 能夠收到能夠收到CTS， 因而保持靜默因而保持靜默暴露終端問題8C 欲向D發(fā)送信息p由于C 偵聽到信道忙，C 必須等待。p但是站A在C的射頻覆蓋范圍之外，因此C的等

6、待是不必要的。p所以說， B“暴露” 給C設(shè)計WSN中MAC協(xié)議，需考慮 節(jié)省能量。節(jié)省能量。 可擴展性。可擴展性。p由于傳感器節(jié)點數(shù)目、節(jié)點分布密度等在傳感器網(wǎng)絡(luò)生存過程中不斷變化，節(jié)點位置也可能移動，還有新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的問題，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)具有動態(tài)性。MAC協(xié)議也應(yīng)具有可擴展性，以適應(yīng)這種動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)。 網(wǎng)絡(luò)效率。網(wǎng)絡(luò)效率。p網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實時性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。 算法復(fù)雜度。算法復(fù)雜度。pMAC協(xié)議要具備上述特點，眾多節(jié)點協(xié)同完成應(yīng)用任務(wù)，必然增加算法的復(fù)雜度。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點計算能力和存儲能力受限，MAC協(xié)議應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用需要，在復(fù)雜度

7、和上述性能之間取得折中。 與其他層協(xié)議的協(xié)同。與其他層協(xié)議的協(xié)同。p無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性對各層協(xié)議都提出了一些共同的要求，如能量效率、可擴展性、網(wǎng)絡(luò)效率等，研究MAC協(xié)議與其他層協(xié)議的協(xié)同問題，通過跨層設(shè)計而獲得系統(tǒng)整體的性能優(yōu)化 9MAC協(xié)議面臨的能量問題協(xié)議面臨的能量問題 空閑監(jiān)聽：空閑監(jiān)聽：p因為節(jié)點不知道鄰居節(jié)點的數(shù)據(jù)何時到來，所以必須始終保持自己的射頻部分處于接收模式，形成空閑監(jiān)聽，造成了不必要的能量損耗； 沖突（碰撞）：沖突（碰撞）：p如果兩個節(jié)點同時發(fā)送，并相互產(chǎn)生干擾，則它們的傳輸都將失敗，發(fā)送包被丟棄。此時用于發(fā)送這些數(shù)據(jù)包所消耗的能量就浪費掉 控制開銷：控制開銷：p為

8、了保證可靠傳輸，協(xié)議將使用一些控制分組，如RTS/CTS，雖然沒有數(shù)據(jù)在其中，但是我們必須消耗一定的能量來發(fā)送它們； 串擾（串音）：串擾（串音）：p出于無線信道為共享介質(zhì)，因此，節(jié)點也可以接收到不是到達自己的數(shù)據(jù)包，然后再將其丟棄，此時，也會造成能量的耗費。10信道接入機制分類信道接入機制分類 分配信道的方式：競爭型、分配型、混合型分配信道的方式：競爭型、分配型、混合型 使用的信道數(shù)目：單信道、雙信道、多信道使用的信道數(shù)目：單信道、雙信道、多信道 網(wǎng)絡(luò)類型：同步網(wǎng)絡(luò)、異步網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)類型：同步網(wǎng)絡(luò)、異步網(wǎng)絡(luò)11各種各種MAC協(xié)議方案的比較協(xié)議方案的比較 12協(xié)議方案出現(xiàn)時間類型需要精確同步信道接入

9、機制SMAC2002競爭型否CSMATMAC2003競爭型否CSMAPMAC2005競爭型否CSMAWiseMAC2004競爭型否CSMASift2003競爭型否CSMASMACS2000分配性是TDMA/FDMATRAMA2003分配性是TDMA/CSMADMAC2004分配性是TDMA/Sloted ALOHAZMAC2005混合性是TDMA/CSMA目錄MACMAC協(xié)議概述協(xié)議概述 競爭型競爭型MACMAC協(xié)議協(xié)議 分配型分配型MACMAC協(xié)議協(xié)議混合型混合型MACMAC協(xié)議協(xié)議總結(jié)總結(jié)13競爭型MAC協(xié)議 基本思想基本思想p發(fā)送時主動搶占，CSMA方式（載波偵聽多路訪問）lCSMA/C

10、A主要使用兩種方法來避免碰撞：發(fā)送數(shù)據(jù)前，偵聽信道狀態(tài)，等沒有人使用信道，維持一段時間后，再等待一段隨機的時間后依然沒有人使用，才發(fā)送數(shù)據(jù)。由于每個裝置采用的隨機時間不同，所以可以減少碰撞的機會。 l發(fā)送數(shù)據(jù)前，先發(fā)一段小小的請求傳送封包（RTS : Request to Send）給目標端，等待目標端回應(yīng)封包后，才開始發(fā)送p按需分配 優(yōu)點優(yōu)點p網(wǎng)絡(luò)流量和規(guī)模變化自適應(yīng)p網(wǎng)絡(luò)拓撲變化自適應(yīng)p算法較簡單 典型協(xié)議典型協(xié)議pSMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift14802.11 MAC協(xié)議協(xié)議 IEEE802.11MACIEEE802.11MAC協(xié)議有協(xié)議有分布式協(xié)調(diào)分布式協(xié)調(diào)DC

11、FDCF和點協(xié)調(diào)（和點協(xié)調(diào)（point point coordination functioncoordination function，PCFPCF）兩種訪問控制方式，其中兩種訪問控制方式，其中DCFDCF方式是方式是IEEE802.11IEEE802.11協(xié)議的基本訪問控制方式。協(xié)議的基本訪問控制方式。 在在DCFDCF工作方式下，節(jié)點在偵聽到無線信道忙之后，采用工作方式下，節(jié)點在偵聽到無線信道忙之后，采用 CSMA/CACSMA/CA機制和隨機退避時間機制和隨機退避時間，實現(xiàn)無線信道的共享。，實現(xiàn)無線信道的共享。另外，所有定向通信都采用立即的主動確認（另外，所有定向通信都采用立即的主動確

12、認（ACKACK幀）機幀）機制：如果沒有收到制：如果沒有收到ACKACK幀，則發(fā)送方會重傳數(shù)據(jù)。幀，則發(fā)送方會重傳數(shù)據(jù)。 PCFPCF工作方式是基于優(yōu)先級的無競爭訪問，是一種可選的工作方式是基于優(yōu)先級的無競爭訪問，是一種可選的控制方式。它通過訪問接入點（控制方式。它通過訪問接入點（access pointaccess point，APAP）協(xié)調(diào)節(jié)）協(xié)調(diào)節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過輪詢方式查詢當前哪些節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)點的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過輪詢方式查詢當前哪些節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送的請求，并在必要時給予數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)送的請求，并在必要時給予數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán) 15RTS請求發(fā)送分組請求發(fā)送分組CTS清除發(fā)送分組清除發(fā)送分組NAV網(wǎng)絡(luò)

13、分配矢量網(wǎng)絡(luò)分配矢量16A AB BC CD D三種幀間間隔 （1）SIFS（shortIFS）：最短幀間間隔。使用 SIFS的幀優(yōu)先級最高，用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)，如ACK幀、CTS幀和控制幀等。 （2）PIFS（PCFIFS）：PCF方式下節(jié)點使用的幀間間隔，用以獲得在無競爭訪問周期啟動時訪問信道的優(yōu)先權(quán)。 （3）DIFS（DCFIFS）：DCF方式下節(jié)點使用的幀間間隔，用以發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。上述各幀間間隔滿足關(guān)系：DIFSPIFSSIFS17CSMA/CA的基本訪問方式：主動檢測信道，當空閑大于主動檢測信道，當空閑大于DIFS時退避后訪問信道時退避后訪問信道二進制隨機退避機制為避免碰撞

14、，加入隨機退避時間：為避免碰撞，加入隨機退避時間：p退避時間 =Random（）aSlottime 18應(yīng)答與預(yù)留機制801.11801.11主動應(yīng)答與預(yù)留機制來提高性能主動應(yīng)答與預(yù)留機制來提高性能p收到DATA后向源節(jié)點發(fā)送ACK應(yīng)答（除廣播外）pRTS和CTS中包含數(shù)據(jù)傳輸時間NAV,為節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸預(yù)留了信道（在這段時間不會有節(jié)點競爭）19SMAC協(xié)議-設(shè)計目標和基本思想設(shè)計目標設(shè)計目標p減少能量消耗l空閑監(jiān)聽（802.11）、沖突（碰撞）、控制開銷、串音p較好擴展性和避免沖突基本思想基本思想p周期性睡眠和監(jiān)聽 ；協(xié)商一致的睡眠調(diào)度機制（虛擬簇）p流量自適應(yīng)的偵聽機制(減少信息的傳輸延遲

15、)p信令控制減少重傳和避免監(jiān)聽不必要的數(shù)據(jù)p消息分割和突發(fā)傳遞機制來減少控制信息的開銷和消息的傳遞延遲20SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1周期性睡眠和監(jiān)聽周期性睡眠和監(jiān)聽 p一個周期內(nèi)有睡眠和監(jiān)聽兩種狀態(tài)p開始時，全監(jiān)聽周期，保證鄰居發(fā)現(xiàn)p節(jié)點之間協(xié)同，保持監(jiān)聽同步p同步調(diào)度，形成虛擬簇效果效果p降低功耗，增加延遲21SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2流量自適應(yīng)偵聽流量自適應(yīng)偵聽 p在一次通信過程中，通信節(jié)點的鄰居在此次通信結(jié)束后喚醒并保持監(jiān)聽一段時間。如果節(jié)點在這段時間接收到RTS幀，則可以立即接收數(shù)據(jù)，而不需要等到下一個監(jiān)聽周期，從而減少了兩個節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸延遲。碰撞和串擾避免碰撞和串擾避免 p采用與80

16、2.11相似的CSMA/CAl通信過程:RTS/CTS/DATA/ACK(廣播除外）p信道忙時睡眠l讓收到CTS且處于偵聽狀態(tài)的鄰居節(jié)點睡眠22SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3消息傳遞消息傳遞 （針對（針對WSNWSN誤碼率高問題）誤碼率高問題）p將長的信息包分成若干個短的DATA段 p所有DATA使用一個RTSCTS控制分組占用信道 p每個DATA都有ACK保障傳輸成功優(yōu)點優(yōu)點p減少消息延遲p減少控制開銷缺點缺點p公平性降低（短信息包發(fā)送等待較長）23TMAC協(xié)議-基本思想SMACSMAC協(xié)議調(diào)度協(xié)議調(diào)度占空比固定占空比固定，不能很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，不能很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化流量的變化 動態(tài)調(diào)整調(diào)度周

17、期中的活躍時間長度動態(tài)調(diào)整調(diào)度周期中的活躍時間長度 在在TATA（Time ActiveTime Active）時間內(nèi)沒有發(fā)生激活事件則）時間內(nèi)沒有發(fā)生激活事件則進入睡眠進入睡眠 24激活事件在活躍狀態(tài)下，節(jié)點可能保持監(jiān)聽，也可能發(fā)送在活躍狀態(tài)下，節(jié)點可能保持監(jiān)聽，也可能發(fā)送數(shù)據(jù)。當在一個時間段數(shù)據(jù)。當在一個時間段TATA內(nèi)沒有發(fā)生激活事件時內(nèi)沒有發(fā)生激活事件時，節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。激活事件的定義如下：，節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。激活事件的定義如下：p(1)定時器觸發(fā)周期性調(diào)度喚醒事件。p(2)物理層從無線信道接收到數(shù)據(jù)包。p(3)物理層信號強度指示(RSSI)有的無線信道忙。p(4)通過監(jiān)聽RTS/C

18、TS幀，確認鄰居的數(shù)據(jù)交換已經(jīng)結(jié)束。25TA的選擇 周期性偵聽同步設(shè)計周期性偵聽同步設(shè)計 p延用SMAC協(xié)議思想，周期性廣播SYNC幀 TATA的選擇的選擇p前提：節(jié)點發(fā)現(xiàn)串擾的RTS或CTS都能夠觸發(fā)一個新的監(jiān)聽間隔，為了確保節(jié)點能夠發(fā)現(xiàn)鄰居的串擾，TA的取值必須保證當前節(jié)點能夠發(fā)現(xiàn)串擾的CTSpTA 競爭信道時間（C）+RTS發(fā)送時間（R）+CTS準備時間（T）pTMAC實驗中，采用TA = 1.5 x (C + R + T)26TMAC協(xié)議-早睡問題p節(jié)點在鄰居準備向其發(fā)送數(shù)據(jù)時進入了睡眠狀態(tài)p如圖：發(fā)送數(shù)據(jù)方向ABCD 27早睡問題解決辦法 （1） 未來請求發(fā)送（未來請求發(fā)送（Futu

19、re request-to-send, FRTSFuture request-to-send, FRTS） p當節(jié)點C收到B發(fā)給A的CTS后，立即向D發(fā)送一個FRTS。FRTS幀包含節(jié)點D接收數(shù)據(jù)前需要等待的時間長度，D在此時間內(nèi)必須保持在監(jiān)聽狀態(tài)。p由于C發(fā)送的FRTS可能干擾A發(fā)送的數(shù)據(jù)，所以A需要將發(fā)送的數(shù)據(jù)延遲相應(yīng)的時間。A在接收到CTS之后發(fā)送一個與FRTS長度相同的DS幀，該幀不包含有用信息，只是為了保持AB對信道的占用，在發(fā)送DS之后A立即向B發(fā)送數(shù)據(jù)信息p由于采用了FRTS機制。增加一個DS時間。FRTS方法可以提高吞吐量，減少延遲，但是增加了控制開銷，會降低TMAC協(xié)議的能量

20、效率28早睡問題解決辦法（2） 滿緩沖區(qū)優(yōu)先滿緩沖區(qū)優(yōu)先p當節(jié)點的緩沖區(qū)接近占滿時，對接收到的RTS幀不回復(fù)CTS，而是立即向緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點發(fā)送RTS，以建立數(shù)據(jù)傳輸。如圖所示。B向C發(fā)送RTS，C因緩沖區(qū)快占滿不發(fā)送CTS，而是發(fā)送RTS給Dp這個方法的優(yōu)點是減少了早睡問題發(fā)生的可能性，在一定程度上能夠控制網(wǎng)絡(luò)的流量。缺點是在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較大時增加了沖突的可能。29PMAC協(xié)議-基本思想 SMACSMAC調(diào)度占空比固定，調(diào)度占空比固定，TMACTMAC早睡問題早睡問題 引入模式信息引入模式信息，節(jié)點能夠通過模式信息提前獲知鄰居的下，節(jié)點能夠通過模式信息提前獲知鄰居的下一步活動，調(diào)度都

21、根據(jù)模式信息來進行一步活動，調(diào)度都根據(jù)模式信息來進行 空閑監(jiān)聽周期長度比較30PMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1模式的生成模式的生成p由一個二進制位串組成 p每一位表示節(jié)點在當前時隙應(yīng)處于何種狀態(tài)，1為監(jiān)聽，0為睡眠p形式：0m1，m=0,1,N-1，m代表串中0的個數(shù) p每個節(jié)點啟動時的模式串為1，表示流量很大p節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量更新模式l在第一個時隙內(nèi)無數(shù)據(jù)發(fā)送：更新模式為 01l在第二個模式中監(jiān)聽時隙內(nèi)仍無數(shù)據(jù)發(fā)送：更新模式為 001；依此類推31PMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2時間幀劃分32模式的交換模式的交換p在當前周期結(jié)束時將進行廣播來交換模式信息p引入超幀STF ,分為兩個子幀 PRTF和PETFp

22、模式重復(fù)時間幀PRTF，節(jié)點重復(fù)自己的模式 p模式交換時間幀PETF，鄰居之間進行模式信息交換 WiseMAC協(xié)議-基本思想33基于基于CSMACSMA機制，使用前導(dǎo)采樣技術(shù)機制，使用前導(dǎo)采樣技術(shù)通過本地同步的廣播獲得最小的前導(dǎo)長度通過本地同步的廣播獲得最小的前導(dǎo)長度 隨機的前導(dǎo)長度保證沖突避免隨機的前導(dǎo)長度保證沖突避免 WiseMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)134前導(dǎo)采樣前導(dǎo)采樣 p對信道進行采樣 ，在短時間內(nèi)對無線信道進行監(jiān)聽 p所有節(jié)點都保持相同的采樣時間Twp采樣時監(jiān)聽到信道忙，節(jié)點會繼續(xù)監(jiān)聽，直到接收到數(shù)據(jù)或者信道空閑 p數(shù)據(jù)包發(fā)送之前都要發(fā)送一個喚醒前導(dǎo)序列，該序列的長度和采樣周期的長度相等

23、，保證在數(shù)據(jù)部分到達時節(jié)點處于監(jiān)聽狀態(tài) WiseMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2前導(dǎo)長度最小化前導(dǎo)長度最小化 p根據(jù)鄰居節(jié)點的采樣時間偏移量，選擇最小長度的喚醒前導(dǎo) 35圖 3 11 同步前導(dǎo)采樣Sift協(xié)議-基本思想1適用于事件驅(qū)動型傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于事件驅(qū)動型傳感器網(wǎng)絡(luò)出發(fā)點出發(fā)點p空間和時間相關(guān)性p并非每個節(jié)點都要報告事件p時變性設(shè)計目的設(shè)計目的pN個節(jié)點同時監(jiān)測到一個事件，希望在最短時間內(nèi)有R個節(jié)點(R=N)無沖突發(fā)送事件消息36Sift協(xié)議-基本思想2常規(guī)窗口競爭協(xié)議常規(guī)窗口競爭協(xié)議p在1，CW時間長度窗口內(nèi)，等概率選擇發(fā)送時槽p沖突時就倍增時間窗口大小CW，等概率選取發(fā)送時間SiftSift協(xié)

24、議協(xié)議p固定長度的競爭窗口 p不等概率選擇時槽，在不同時槽采用不同的選擇概率37Sift協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù) 假設(shè)目前參與競爭的節(jié)點數(shù)假設(shè)目前參與競爭的節(jié)點數(shù) N N，競爭時間窗口，競爭時間窗口1 1，CWCW中中的時隙。如果第一個時隙沒有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點減小競爭的時隙。如果第一個時隙沒有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點減小競爭節(jié)點數(shù)假設(shè)值，增加在第二個時隙中的傳輸概率，這一過節(jié)點數(shù)假設(shè)值，增加在第二個時隙中的傳輸概率，這一過程中每個時隙中都重復(fù)執(zhí)行。程中每個時隙中都重復(fù)執(zhí)行。 當信道空閑時，節(jié)點根據(jù)概率分布在傳輸之前退避隨機長當信道空閑時，節(jié)點根據(jù)概率分布在傳輸之前退避隨機長度。度。 假設(shè)每個節(jié)點選擇時隙假設(shè)每個

25、節(jié)點選擇時隙r1r1，CWCW發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為PrPr。 PrPr的概率分布如下的概率分布如下( (保證有且僅有一個節(jié)點在該時隙發(fā)送數(shù)保證有且僅有一個節(jié)點在該時隙發(fā)送數(shù)據(jù)的概率最高據(jù)的概率最高) )： 38Sift協(xié)議評價缺點缺點p需要節(jié)點間保持時間同步p對空閑監(jiān)聽考慮較少優(yōu)點優(yōu)點p適合與分簇結(jié)構(gòu)，簇頭持續(xù)偵聽p以簇頭能耗代價減少通信延遲39目錄MACMAC協(xié)議概述協(xié)議概述 競爭型競爭型MACMAC協(xié)議協(xié)議 分配型分配型MACMAC協(xié)議協(xié)議混合型混合型MACMAC協(xié)議協(xié)議總結(jié)總結(jié)40分配型MAC協(xié)議基本思想基本思想p將一個物理信道分為多個子信道 p將子信道靜態(tài)或動態(tài)地分配給需要

26、通信的節(jié)點，避免沖突 p根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信流量最大限度地節(jié)省能量 優(yōu)點優(yōu)點p無沖突 p無隱藏終端問題p易于休眠典型協(xié)議典型協(xié)議pSMACS、TRAMA、DMAC、BMAC41SMACS協(xié)議-基本思想1結(jié)合結(jié)合TDMATDMA、FDMAFDMA的基本思想的基本思想 假設(shè)每個節(jié)點都能在假設(shè)每個節(jié)點都能在多個載波頻點多個載波頻點上進行上進行切換切換 將每個將每個雙向信道雙向信道定義為兩個時間段定義為兩個時間段 發(fā)現(xiàn)鄰居后立即分配信道發(fā)現(xiàn)鄰居后立即分配信道 每個鏈路都分配一個隨機選擇的頻點，相每個鏈路都分配一個隨機選擇的頻點，相鄰鏈路都有不同的工作頻點鄰鏈路都有不同的工作頻點 42SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1

27、鏈路建立鏈路建立 p引入超幀的概念，用固定參數(shù)Tframe表示 p在上電后先進行鄰居發(fā)現(xiàn)，每發(fā)現(xiàn)一個鄰居就有一對節(jié)點形成一個雙向信道 p在兩個節(jié)點的超幀中為該鏈路分配一對時隙用于雙向通信，這種不同步的時隙分配稱為異步分配通信 p每對時隙都會選擇一個隨機的頻點，減少鄰近鏈路沖突的可能 43SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2 異步分配通信 鏈路建立鏈路建立p節(jié)點A和D分別在Td和Ta時刻開始進行鄰居發(fā)現(xiàn) p節(jié)點B和C分別在Tb和Tc時刻開始進行鄰居發(fā)現(xiàn) p兩個時隙分配不同的頻點 fx和fySMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配 p假設(shè)節(jié)點B，C，G進行鄰居發(fā)現(xiàn)。節(jié)點在隨機的時間段內(nèi)

28、打開射頻部分，在一個固定的頻點監(jiān)聽一個隨機長度的時間。節(jié)點C在監(jiān)聽結(jié)束后廣播一個邀請消息Type1 p節(jié)點B和G接收到C發(fā)出的Type1消息后，等待一個隨機的時間，然后各自廣播一個應(yīng)答消息Type2 pC將接收到B和G發(fā)來的邀請應(yīng)答 ，可以選擇最早到達的應(yīng)答者，也可以選擇接收信號強度最大的應(yīng)答者。在選擇了應(yīng)答者后C將立即發(fā)送一個Type3 給最早到達的B ，Type3消息中攜帶分配信息，該信息包含節(jié)點C的下一個超幀的起始時間 p節(jié)點B根據(jù)Type3得到一個時間偏移，并找出兩個共同的空閑時間段做為時隙對，分配給B和C之間的鏈路。 SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配 p

29、節(jié)點B選擇一個隨機的頻點，將時隙對在超幀中的位置信息以及選擇的頻點通過Type4發(fā)送給節(jié)點C。這些信息成功交換之后，B和C之間就完成了時隙分配和頻率選擇，可以切換到對應(yīng)的時隙和頻率進行通信。46鄰居發(fā)現(xiàn)TRAMA協(xié)議-基本思想 將一個物理信道分成多個時隙，通過對這些時隙的復(fù)用為將一個物理信道分成多個時隙，通過對這些時隙的復(fù)用為數(shù)據(jù)和控制信息提供信道數(shù)據(jù)和控制信息提供信道 每個時間幀分為每個時間幀分為隨機接入隨機接入和和分配接入分配接入兩部分，隨機接入時兩部分，隨機接入時隙也稱為信令時隙，分配接入時隙也稱為傳輸時隙隙也稱為信令時隙，分配接入時隙也稱為傳輸時隙 節(jié)點交換兩跳內(nèi)鄰居信息和分配信息節(jié)點

30、交換兩跳內(nèi)鄰居信息和分配信息 采用流量自適應(yīng)的分布式選舉算法選擇在每個時隙上的發(fā)采用流量自適應(yīng)的分布式選舉算法選擇在每個時隙上的發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點送節(jié)點和接收節(jié)點 47時隙分配TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1NPNP協(xié)議協(xié)議 p節(jié)點啟動后處于隨機接入時隙，此時節(jié)點為接收狀態(tài) p通過在隨機接入時隙中交換控制信息，NP協(xié)議實現(xiàn)鄰居信息的交互?？刂菩畔⒅袛y帶了節(jié)點ID、兩跳鄰居是否有數(shù)據(jù)發(fā)送等，構(gòu)建兩跳網(wǎng)絡(luò)拓撲和節(jié)點流量信息。p節(jié)點之間的時鐘同步信息也是在隨機接入時隙中發(fā)送 p每個節(jié)點根據(jù)唯一的節(jié)點ID獨立計算兩跳內(nèi)所有節(jié)點在每個時槽上的優(yōu)先級（贏時槽）。48TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2調(diào)度交換協(xié)議調(diào)度交換

31、協(xié)議 (SEP)(SEP)p建立和維護發(fā)送者和接收者選擇時需要的調(diào)度信息 ，包括調(diào)度信息生成和調(diào)度信息交換與維護 p根據(jù)高層應(yīng)用產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率計算出一個調(diào)度間隔，確定可分配的時隙數(shù)，生成調(diào)度信息p節(jié)點通過調(diào)度分組廣播調(diào)度信息（贏時槽向誰發(fā)送數(shù)據(jù)、放棄該贏時槽等調(diào)度信息） p節(jié)點根據(jù)接收到的廣播維護下一跳鄰居的分配信息 AEAAEA算法算法p根據(jù)兩跳內(nèi)節(jié)點優(yōu)先級和一跳鄰居調(diào)度信息來確定節(jié)點當前時隙應(yīng)處于發(fā)送、接收還是睡眠狀態(tài)49TRAMA協(xié)議評價優(yōu)點優(yōu)點p通過分布式協(xié)商實現(xiàn)無沖突發(fā)送數(shù)據(jù)p無數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點保持睡眠，節(jié)省能量p避免將時槽分配給沒有信息發(fā)送的節(jié)點，保證網(wǎng)絡(luò)高數(shù)據(jù)傳輸率缺點缺點p較大空間

32、存儲拓撲和鄰居調(diào)度信息p需計算所有兩跳鄰居的優(yōu)先級和運行AEA算法適用場景適用場景p適用于周期性數(shù)據(jù)收集或檢測應(yīng)用50DMAC協(xié)議-基本思想適合于節(jié)點采集數(shù)據(jù)后，向一個適合于節(jié)點采集數(shù)據(jù)后，向一個sinksink節(jié)點匯聚的單節(jié)點匯聚的單向樹狀模式向樹狀模式 目標：減少目標：減少SMAC/TMACSMAC/TMAC等的傳輸延遲等的傳輸延遲采用預(yù)先分配的方法來避免睡眠延遲采用預(yù)先分配的方法來避免睡眠延遲 引入了一種交錯的監(jiān)聽睡眠調(diào)度機制，保證數(shù)據(jù)引入了一種交錯的監(jiān)聽睡眠調(diào)度機制，保證數(shù)據(jù)在多跳路徑上的連續(xù)傳輸在多跳路徑上的連續(xù)傳輸 51DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1交錯喚醒機制交錯喚醒機制 p假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中

33、的節(jié)點保持靜止，且每個路由節(jié)點有足夠的存活時間，可以在較長時間內(nèi)保持網(wǎng)絡(luò)路徑不發(fā)生變化（拓撲穩(wěn)定）p假設(shè)數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點向唯一的sink單向傳輸p假設(shè)各個節(jié)點之間保持時鐘同步 52DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2交錯喚醒機制交錯喚醒機制 p在一個多跳傳輸路徑上，各個節(jié)點交錯喚醒，如同鏈鎖一樣環(huán)環(huán)相扣，保證數(shù)據(jù)在樹狀結(jié)構(gòu)上能持續(xù)傳輸，不被睡眠所中斷p每個間隔分為接收、發(fā)送和睡眠三個周期。 53DMAC協(xié)議基本機制DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4自適應(yīng)占空比機制自適應(yīng)占空比機制 p如果節(jié)點在一個發(fā)送周期內(nèi)有多個數(shù)據(jù)包要發(fā)送，就需要該節(jié)點和樹狀路徑上的上層節(jié)點一起加大發(fā)送周期占空比 p通過在MAC層數(shù)據(jù)幀的幀頭加入

34、一個標記(more data flag)，以較小的控制開銷發(fā)送占空比更新請求。在ACK幀中加入同樣的標記位54DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)5數(shù)據(jù)預(yù)測機制（親兄弟節(jié)點干擾）數(shù)據(jù)預(yù)測機制（親兄弟節(jié)點干擾） p在數(shù)據(jù)采集樹中，越靠近上層的節(jié)點，匯聚的數(shù)據(jù)越多，對樹的底層節(jié)點適合的占空比不一定適合中間節(jié)點 p如果一個節(jié)點在接收狀態(tài)下接收到一個數(shù)據(jù)包，該節(jié)點預(yù)測其他子節(jié)點仍有數(shù)據(jù)等待發(fā)送。在發(fā)送周期結(jié)束后再等待3u個周期，節(jié)點重新切換到接收狀態(tài)（u為一次數(shù)據(jù)通信過程需要的時間u=競爭時間（固定后退時間和等待窗口隨機時間）+數(shù)據(jù)發(fā)送事件+發(fā)送ACK固定延遲+發(fā)送ACK時間55DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)6MTSMTS

35、（more to sendmore to send）幀機制）幀機制 （表兄弟節(jié)點干擾）（表兄弟節(jié)點干擾）p必要性：雖然自適應(yīng)占空比機制和數(shù)據(jù)預(yù)測機制考慮了沖突避免，數(shù)據(jù)采集樹中不同分枝節(jié)點仍有沖突的可能 pMTS幀只包含目的地址和MTS標志位。標志位為1時稱為MTS請求，標志位為0時稱為MTS清除p發(fā)送或接收到MTS請求的節(jié)點每隔3u個周期就喚醒一次，只有MTS請求已經(jīng)被清除時，節(jié)點才回到原來的占空比方式 56目錄MACMAC協(xié)議概述協(xié)議概述 競爭型競爭型MACMAC協(xié)議協(xié)議 分配型分配型MACMAC協(xié)議協(xié)議混合型混合型MACMAC協(xié)議協(xié)議總結(jié)總結(jié)57ZMAC協(xié)議-CSMA與TDMA58競爭信道的節(jié)點數(shù)目信道利用率TDMACSMA理想目標能能夠夠混合混合兩種訪問兩種訪問方式，方式，獲獲得最得最優(yōu)優(yōu)的信道利用率（的信道利用率（QoS）?ZMAC協(xié)議-基本思想采用采用TDMATDMA機制為基本方法機制為基本方法 , ,為節(jié)點分配時隙為節(jié)點分配時隙節(jié)點可以選擇任何時隙發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點可以選擇任何時隙發(fā)送數(shù)據(jù) ，無時隙節(jié)點也，無時隙節(jié)點也能夠通過能夠通過CSM