無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分析解析課件(PPT 62頁(yè))

1、MAC Protocols for Wireless Sensor Networks 2012年3月5日A Survey 第1頁(yè)，共62頁(yè)。內(nèi)容提要概述 背景知識(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)各種MAC協(xié)議結(jié)論和開(kāi)放的問(wèn)題 我的想法和問(wèn)題第2頁(yè)，共62頁(yè)。內(nèi)容提要概述 背景知識(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)各種MAC協(xié)議結(jié)論和開(kāi)放的問(wèn)題 我的想法和問(wèn)題第3頁(yè)，共62頁(yè)。概述 我的ppt主要是面向那些沒(méi)有太多相關(guān)知識(shí)的2b青年。在科普介紹的同時(shí)，也歡迎各位文藝青年提出批評(píng)。 首先無(wú)線感器網(wǎng)絡(luò)與我們的日常的網(wǎng)絡(luò)是有很大區(qū)別的，最關(guān)鍵的體現(xiàn)在于傳感器本身依賴于電池，而不是固定的電源，這就決定了節(jié)約能量開(kāi)銷，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命成為了

2、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)所關(guān)心的最主要的問(wèn)題。另外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其他的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)很大的特性就是所有傳感器都是對(duì)等的，擁有共同的任務(wù)，因而公平性往往不是傳感器網(wǎng)絡(luò)所要考慮的問(wèn)題。那么基于以上這些思想，人們提出了各種不同的MAC層的協(xié)議。下面，我們就來(lái)關(guān)注這些協(xié)議。第4頁(yè)，共62頁(yè)。內(nèi)容提要概述 背景知識(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)各種MAC協(xié)議結(jié)論和開(kāi)放的問(wèn)題 我的想法和問(wèn)題第5頁(yè)，共62頁(yè)。背景知識(shí)科普能量損失的原因沖突overhearing控制報(bào)文的開(kāi)銷空閑偵聽(tīng)overmitting傳輸?shù)姆绞絙roadcastlocal gossipconvergecast第6頁(yè)，共62頁(yè)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議網(wǎng)絡(luò)特征

3、傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限傳感器節(jié)點(diǎn)失效概率大 傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算處理能力有限通信帶寬有限以數(shù)據(jù)為中心 高密度、大規(guī)模隨機(jī)分布 對(duì)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)！第7頁(yè)，共62頁(yè)。內(nèi)容提要概述 背景知識(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)各種MAC協(xié)議結(jié)論和開(kāi)放性的問(wèn)題 我的想法和問(wèn)題第8頁(yè)，共62頁(yè)。協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)能量效率空閑監(jiān)聽(tīng)沖突 控制開(kāi)銷 串?dāng)_ 可擴(kuò)展性 和適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)效率 算法復(fù)雜度 與其它層協(xié)議的協(xié)同 目前普遍認(rèn)為重要性依次遞減！第9頁(yè)，共62頁(yè)。內(nèi)容提要概述 背景知識(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)各種MAC協(xié)議結(jié)論和開(kāi)放性的問(wèn)題 我的想法和問(wèn)題第10頁(yè)，共62頁(yè)。競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議基本思想發(fā)送時(shí)主動(dòng)搶占，CSMA方式（載波偵聽(tīng)多路訪

4、問(wèn)）CSMA/CA主要使用兩種方法來(lái)避免碰撞： 送出資料前，偵聽(tīng)媒體狀態(tài)，等沒(méi)有人使用媒體，維持一段時(shí)間后，再等待一段隨機(jī)的時(shí)間后依然沒(méi)有人使用，才送出資料。由于每個(gè)裝置采用的隨機(jī)時(shí)間不同，所以可以減少碰撞的機(jī)會(huì)。 送出資料前，先送一段小小的請(qǐng)求傳送封包（RTS: Request to Send）給目標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng)封包后，才開(kāi)始傳送按需分配優(yōu)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流量和規(guī)模變化自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓赃m應(yīng)算法較簡(jiǎn)單典型協(xié)議SMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift第11頁(yè)，共62頁(yè)。SMAC協(xié)議-前提條件和基本思想前提條件數(shù)據(jù)量少，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和融合節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成共同的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以容忍一定程度

5、的通信延遲基本思想周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng) ；協(xié)商一致的睡眠調(diào)度機(jī)制（虛擬簇）自適應(yīng)的偵聽(tīng)機(jī)制，減少信息的傳輸延遲消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來(lái)減少控制信息的開(kāi)銷和消息的傳遞延遲第12頁(yè)，共62頁(yè)。SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng) 一個(gè)周期內(nèi)有睡眠和監(jiān)聽(tīng)兩種狀態(tài)節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同，保持監(jiān)聽(tīng)同步同步調(diào)度，形成虛擬簇降低功耗，增加延遲圖 1-1 周期性監(jiān)聽(tīng)和睡眠第13頁(yè)，共62頁(yè)。SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2，3自適應(yīng)監(jiān)聽(tīng) 在一次通信過(guò)程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居在此次通信結(jié)束后喚醒并保持監(jiān)聽(tīng)一段時(shí)間。如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)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(gè)監(jiān)聽(tīng)周期，從而減少了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸延遲。消

6、息傳遞 將長(zhǎng)的信息包分成若干個(gè)短的DATA段 突發(fā)式傳輸?shù)?4頁(yè)，共62頁(yè)。SMAC協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 通過(guò)睡眠機(jī)制減少了空閑偵聽(tīng)的能量損耗，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，交換交換時(shí)間表減少了同步所需要的開(kāi)銷。缺點(diǎn) 廣播數(shù)據(jù)包并沒(méi)有使用RTS-CTS，這樣就增大的沖突碰撞的可能性，自適應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致空閑偵聽(tīng)和竊聽(tīng)（overhearing），睡眠和監(jiān)聽(tīng)的周期是預(yù)先定義的，并且固定的，這樣在復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下，這種策略的效率會(huì)大大降低。第15頁(yè)，共62頁(yè)。TMAC協(xié)議-基本思想SMAC協(xié)議調(diào)度占空比固定，不能很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化 動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度周期中的活躍時(shí)間長(zhǎng)度 在TA時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生激活事件則進(jìn)入睡眠 圖 12

7、 TMAC基本機(jī)制第16頁(yè)，共62頁(yè)。TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1周期性監(jiān)聽(tīng)同步 延用SMAC協(xié)議思想，周期性廣播SYNC幀固定周期調(diào)度后全監(jiān)聽(tīng)周期，發(fā)現(xiàn)鄰居RTS操作和TA的選擇發(fā)送RTS未收到CTS，應(yīng)再發(fā)送一次TA 競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)間 +RTS發(fā)送時(shí)間 +CTS準(zhǔn)備時(shí)間 圖 13 TMAC基本數(shù)據(jù)交換第17頁(yè)，共62頁(yè)。TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2早睡問(wèn)題 節(jié)點(diǎn)在鄰居準(zhǔn)備向其發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入了睡眠狀態(tài) 圖 14 早睡問(wèn)題第18頁(yè)，共62頁(yè)。TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3早睡問(wèn)題解決辦法 未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送（Future request-to-send, FRTS） 圖 15 FRTS幀交換第19頁(yè)，共62頁(yè)。TMA

8、C協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4早睡問(wèn)題解決辦法 滿緩沖區(qū)優(yōu)先圖 1- 6接收RTS節(jié)點(diǎn)優(yōu)先第20頁(yè)，共62頁(yè)。PMAC協(xié)議-基本思想SMAC調(diào)度占空比固定，TMAC早睡問(wèn)題引入模式信息，節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)模式信息提前獲知鄰居的下一步活動(dòng)，調(diào)度都根據(jù)模式信息來(lái)進(jìn)行 圖 17空閑監(jiān)聽(tīng)周期長(zhǎng)度比較第21頁(yè)，共62頁(yè)。PMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1模式的生成由一個(gè)二進(jìn)制位串組成 每一位表示節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙應(yīng)處于何種狀態(tài)，1為監(jiān)聽(tīng)，0為睡眠形式：0m1，m=0,1,N-1，m代表串中0的個(gè)數(shù) 每個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)的模式串為1，表示流量很大節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量更新模式在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送：更新模式為 01在第二個(gè)模式中監(jiān)聽(tīng)時(shí)隙內(nèi)仍無(wú)數(shù)據(jù)

9、發(fā)送：更新模式為 001；依此類推第22頁(yè)，共62頁(yè)。PMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2模式的交換在當(dāng)前周期結(jié)束時(shí)將進(jìn)行廣播來(lái)交換模式信息引入超幀STF ,分為兩個(gè)子幀 PRTF和PETF模式重復(fù)時(shí)間幀PRTF，節(jié)點(diǎn)重復(fù)自己的模式 模式交換時(shí)間幀，鄰居之間進(jìn)行模式信息交換 圖 18 時(shí)間幀劃分第23頁(yè)，共62頁(yè)。WiseMAC協(xié)議-基本思想基于CSMA機(jī)制，使用前導(dǎo)采樣技術(shù)通過(guò)本地同步的廣播獲得最小的前導(dǎo)長(zhǎng)度 隨機(jī)的前導(dǎo)長(zhǎng)度保證沖突避免 第24頁(yè)，共62頁(yè)。WiseMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1前導(dǎo)采樣 對(duì)信道進(jìn)行采樣 ，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)無(wú)線信道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng) 所有節(jié)點(diǎn)都保持相同的采樣時(shí)間Tw采樣時(shí)監(jiān)聽(tīng)到信道忙，節(jié)點(diǎn)會(huì)繼

10、續(xù)監(jiān)聽(tīng)，直到接收到數(shù)據(jù)或者信道空閑 數(shù)據(jù)包發(fā)送之前都要發(fā)送一個(gè)喚醒前導(dǎo)序列，該序列的長(zhǎng)度和采樣周期的長(zhǎng)度相等，保證在數(shù)據(jù)部分到達(dá)時(shí)節(jié)點(diǎn)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài) 第25頁(yè)，共62頁(yè)。WiseMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2前導(dǎo)長(zhǎng)度最小化 根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的采樣時(shí)間偏移量，選擇最小長(zhǎng)度的喚醒前導(dǎo) 圖 19 同步前導(dǎo)采樣第26頁(yè)，共62頁(yè)。Sift協(xié)議-基本思想1適用于事件驅(qū)動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)出發(fā)點(diǎn)空間和時(shí)間相關(guān)性并非每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要報(bào)告事件時(shí)變性設(shè)計(jì)目的N個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)到一個(gè)事件，希望在最短時(shí)間內(nèi)有R個(gè)節(jié)點(diǎn)(R=N)無(wú)沖突發(fā)送事件消息第27頁(yè)，共62頁(yè)。Sift協(xié)議-基本思想2常規(guī)窗口競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議在1，CW時(shí)間長(zhǎng)度窗口內(nèi)，等概率選擇發(fā)

11、送時(shí)槽沖突時(shí)就倍增時(shí)間窗口大小CW，等概率選取發(fā)送時(shí)間Sift協(xié)議固定長(zhǎng)度的競(jìng)爭(zhēng)窗口 不等概率選擇時(shí)槽，在不同時(shí)槽采用不同的選擇概率第28頁(yè)，共62頁(yè)。Sift協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)假設(shè)目前參與競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)數(shù) N，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間窗口1，CW中的時(shí)隙。如果第一個(gè)時(shí)隙沒(méi)有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)減小競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)假設(shè)值，增加在第二個(gè)時(shí)隙中的傳輸概率，這一過(guò)程中每個(gè)時(shí)隙中都重復(fù)執(zhí)行。 當(dāng)信道空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)概率分布在傳輸之前退避隨機(jī)長(zhǎng)度。 假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)隙r1，CW發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為Pr。 Pr的概率分布如下： （r = 1,CW）第29頁(yè)，共62頁(yè)。分配型MAC協(xié)議基本思想將一個(gè)物理信道分為多個(gè)子信道 將子信道靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地

12、分配給需要通信的節(jié)點(diǎn)，避免沖突 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信流量最大限度地節(jié)省能量 優(yōu)點(diǎn)無(wú)沖突 無(wú)隱藏終端問(wèn)題易于休眠典型協(xié)議SMACS、TRAMA、DMAC、BMAC第30頁(yè)，共62頁(yè)。SMACS協(xié)議-基本思想1結(jié)合TDMA、FDMA的基本思想 假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能在多個(gè)載波頻點(diǎn)上進(jìn)行切換 將每個(gè)雙向信道定義為兩個(gè)時(shí)間段 發(fā)現(xiàn)鄰居后立即分配信道 每個(gè)鏈路都分配一個(gè)隨機(jī)選擇的頻點(diǎn)，相鄰鏈路都有不同的工作頻點(diǎn) 第31頁(yè)，共62頁(yè)。SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1鏈路建立 引入超幀的概念，用固定參數(shù)Tframe表示 在上電后先進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，每發(fā)現(xiàn)一個(gè)鄰居就有一對(duì)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)雙向信道 在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的超幀中為該鏈路分配一對(duì)時(shí)隙用

13、于雙向通信，這種不同步的時(shí)隙分配稱為異步分配通信 每對(duì)時(shí)隙都會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)的頻點(diǎn)，減少鄰近鏈路沖突 的可能 第32頁(yè)，共62頁(yè)。SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2鏈路建立節(jié)點(diǎn)A和D分別在Td和Ta時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn) 節(jié)點(diǎn)B和C分別在Tb和Tc時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn) 兩個(gè)時(shí)隙分配不同的頻點(diǎn) fx和fy圖 110 異步分配通信 第33頁(yè)，共62頁(yè)。SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配 假設(shè)節(jié)點(diǎn)B，C，G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)的時(shí)間段內(nèi)打開(kāi)射頻部分，在一個(gè)固定的頻點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)一個(gè)隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)間。節(jié)點(diǎn)C在監(jiān)聽(tīng)結(jié)束后廣播一個(gè)邀請(qǐng)消息Type1 節(jié)點(diǎn)B和G接收到C發(fā)出的Type1消息后，等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間，然

14、后各自廣播一個(gè)應(yīng)答消息Type2 C將接收到B和G發(fā)來(lái)的邀請(qǐng)應(yīng)答 ，可以選擇最早到達(dá)的應(yīng)答者，也可以選擇接收信號(hào)強(qiáng)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(gè)Type3 給最早到達(dá)的B ，Type3消息中攜帶分配信息，該信息包含節(jié)點(diǎn)C的下一個(gè)超幀的起始時(shí)間 節(jié)點(diǎn)B根據(jù)Type3得到一個(gè)時(shí)間偏移，并找出兩個(gè)共同的空閑時(shí)間段做為時(shí)隙對(duì)，分配給B和C之間的鏈路。 第34頁(yè)，共62頁(yè)。SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配 節(jié)點(diǎn)B選擇一個(gè)隨機(jī)的頻點(diǎn)，將時(shí)隙對(duì)在超幀中的位置信息以及選擇的頻點(diǎn)通過(guò)Type4發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C。這些信息成功交換之后，B和C之間就完成了時(shí)隙分配和頻率選擇，可以切換到對(duì)應(yīng)的

15、時(shí)隙和頻率進(jìn)行通信。圖 111 鄰居發(fā)現(xiàn)第35頁(yè)，共62頁(yè)。TRAMA協(xié)議-基本思想將一個(gè)物理信道分成多個(gè)時(shí)隙，通過(guò)對(duì)這些時(shí)隙的復(fù)用為數(shù)據(jù)和控制信息提供信道 每個(gè)時(shí)間幀分為隨機(jī)接入和分配接入兩部分，隨機(jī)接入時(shí)隙也稱為信令時(shí)隙，分配接入時(shí)隙也稱為傳輸時(shí)隙 節(jié)點(diǎn)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(gè)時(shí)隙上的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn) 圖 112 時(shí)隙分配第36頁(yè)，共62頁(yè)。TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1NP協(xié)議 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(guò)在隨機(jī)接入時(shí)隙中交換控制信息，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(méi)有更新，控制信息作為

16、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)接入時(shí)隙中發(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(lái)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(méi)有再收到某個(gè)鄰居的信標(biāo)，則該鄰居失效。 第37頁(yè)，共62頁(yè)。TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2調(diào)度交換協(xié)議 建立和維護(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，確定可分配的時(shí)隙數(shù)，生成調(diào)度信息節(jié)點(diǎn)通過(guò)調(diào)度分組廣播廣播調(diào)度信息 節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的廣播維護(hù)下一跳鄰居的分配信息 AEA算法確定節(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)第38頁(yè)，共62頁(yè)。DMAC協(xié)議-

17、基本思想適合于節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后，向一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)匯聚的單向樹(shù)狀模式 采用預(yù)先分配的方法來(lái)避免睡眠延遲 引入了一種交錯(cuò)的監(jiān)聽(tīng)睡眠調(diào)度機(jī)制，保證數(shù)據(jù)在多跳路徑上的連續(xù)傳輸 第39頁(yè)，共62頁(yè)。DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1交錯(cuò)喚醒機(jī)制 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)保持靜止，且每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)有足夠的存活時(shí)間，可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持網(wǎng)絡(luò)路徑不發(fā)生變化假設(shè)數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點(diǎn)向唯一的sink單向傳輸假設(shè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間保持時(shí)鐘同步 第40頁(yè)，共62頁(yè)。DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2交錯(cuò)喚醒機(jī)制 在一個(gè)多跳傳輸路徑上，各個(gè)節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)喚醒，如同鏈鎖一樣環(huán)環(huán)相扣，保證數(shù)據(jù)在樹(shù)狀結(jié)構(gòu)上能持續(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。

18、 圖 113 DMAC協(xié)議基本機(jī)制第41頁(yè)，共62頁(yè)。DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4自適應(yīng)占空比機(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(shù)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(guò)在MAC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(kāi)銷發(fā)送占空比更新請(qǐng)求。在ACK幀中加入同樣的標(biāo)記位第42頁(yè)，共62頁(yè)。DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)5數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制 在數(shù)據(jù)采集樹(shù)中，越靠近上層的節(jié)點(diǎn)，匯聚的數(shù)據(jù)越多，對(duì)樹(shù)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)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(cè)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3u個(gè)周期，節(jié)

19、點(diǎn)重新切換到接收狀態(tài)第43頁(yè)，共62頁(yè)。DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)6MTS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(cè)機(jī)制考慮了沖突避免，數(shù)據(jù)采集樹(shù)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(qǐng)求，標(biāo)志位為0時(shí)稱為MTS清除發(fā)送或接收到MTS請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)每隔3u個(gè)周期就喚醒一次，只有MTS請(qǐng)求已經(jīng)被清除時(shí)，節(jié)點(diǎn)才回到原來(lái)的占空比方式 第44頁(yè)，共62頁(yè)。ZMAC協(xié)議-基本思想采用CSMA機(jī)制作為基本方法 競(jìng)爭(zhēng)加劇時(shí)使用TDMA機(jī)制引入時(shí)間幀，為節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙 節(jié)點(diǎn)可以選擇任何時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù) 在分配的時(shí)隙發(fā)送優(yōu)先級(jí)更高第45頁(yè)，共62頁(yè)。ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技

20、術(shù)1鄰居發(fā)現(xiàn)周期性發(fā)送PING消息 包含本地發(fā)現(xiàn)的所有一跳范圍內(nèi)的鄰居時(shí)隙分配DRAND算法第46頁(yè)，共62頁(yè)。ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2本地時(shí)間幀交換節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)本地的時(shí)間幀長(zhǎng)度 幀長(zhǎng)度與兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)相對(duì)應(yīng) 實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的同步需要運(yùn)行時(shí)鐘同步算法 第47頁(yè)，共62頁(yè)。ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3傳輸控制 低沖突級(jí)別(LCL)和高沖突級(jí)別(HCL)兩種工作模式時(shí)隙擁有者，短時(shí)間監(jiān)聽(tīng)，優(yōu)先發(fā)送 非時(shí)隙擁有者LCL模式，退避較長(zhǎng)時(shí)間再監(jiān)聽(tīng)非時(shí)隙擁有者HCL模式，等待下個(gè)時(shí)隙第48頁(yè)，共62頁(yè)。ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4局部同步完全失去時(shí)鐘同步時(shí)，退化為CSMA協(xié)議維護(hù)臨近的發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步 周期性

21、的發(fā)送時(shí)間同步包 根據(jù)時(shí)間同步包修正時(shí)間偏差 第49頁(yè)，共62頁(yè)。MAC層的跨層設(shè)計(jì)基本思想為了提高能量效率，能量管理機(jī)制、低功耗設(shè)計(jì)等在各層設(shè)計(jì)中都有所體現(xiàn) 傳統(tǒng)方法中各層的設(shè)計(jì)相互獨(dú)立，因此各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)最優(yōu) 實(shí)現(xiàn)邏輯上并不相鄰的協(xié)議層次間的設(shè)計(jì)互動(dòng)與性能平衡典型協(xié)議MINA第50頁(yè)，共62頁(yè)。MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)1節(jié)點(diǎn)分成三種類型大量靜止的低容量(內(nèi)存、CPU、能量)傳感器節(jié)點(diǎn)少量手持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(PDA)靜止的大容量基站節(jié)點(diǎn)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都帶有一個(gè)半雙工或全雙工的射頻收發(fā)器，節(jié)點(diǎn)之間都能進(jìn)行雙向通信每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址 一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的簇定義為在該節(jié)點(diǎn)廣播傳輸

22、范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的集合 基站是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到有線網(wǎng)絡(luò)中去，基站節(jié)點(diǎn)必須具有超長(zhǎng)的傳輸距離，通過(guò)一個(gè)廣播可將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)第51頁(yè)，共62頁(yè)。MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)2圖 114 MINA架構(gòu)組網(wǎng)示例第52頁(yè)，共62頁(yè)。MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3流量類型主要為傳感器節(jié)點(diǎn)到基站的上行鏈路網(wǎng)絡(luò)幀類型有三種控制幀信標(biāo)幀數(shù)據(jù)幀分層架構(gòu) 距離基站跳數(shù)相同的節(jié)點(diǎn)組成一層 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居也可以分為三類：內(nèi)部鄰居、同等鄰居、外部鄰居。距離基站跳數(shù)比本地更小的鄰居為內(nèi)部鄰居，跳數(shù)相同的鄰居為同等鄰居，跳數(shù)更大的鄰居為外部鄰居 第53頁(yè)，共62頁(yè)。UNPF協(xié)議框架1網(wǎng)絡(luò)主要工作在兩個(gè)交替的狀

23、態(tài)網(wǎng)絡(luò)自組織狀態(tài)，在此期間節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰居 數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，在此期間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，需要路由協(xié)議來(lái)確定目的地址，MAC協(xié)議來(lái)完成信道訪問(wèn)MAC協(xié)議超幀圖 115 MAC協(xié)議幀結(jié)構(gòu)第54頁(yè)，共62頁(yè)。UNPF協(xié)議框架2網(wǎng)絡(luò)自組織 在每個(gè)超幀的起始階段，基站廣播一個(gè)控制幀CR (Control Packet)。CR包括傳感器節(jié)點(diǎn)同步需要的時(shí)間信息，以及傳感器節(jié)點(diǎn)在信標(biāo)幀BI(Beacon Packet)內(nèi)傳輸各自的信標(biāo)信息的序號(hào)BI緊跟在CR后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)CR中的順序發(fā)送BI，幀格式如圖 325示。BI包含了節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)、距離基站的跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)的接收信道信息在信標(biāo)幀后緊跟著就是數(shù)據(jù)傳輸幀。每個(gè)數(shù)據(jù)幀包括個(gè)時(shí)隙，由MAC協(xié)議來(lái)負(fù)責(zé)分配基站啟動(dòng)后第一個(gè)超幀期間進(jìn)行第一輪BI信息交互時(shí)，基站獲得了第一層節(jié)點(diǎn)的信息。第二個(gè)超幀期間重復(fù)上述步驟，第一層節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有跳數(shù)信息為1的BI信