无线传感器网络的MAC协议

1、 无线传感器网络 的MAC协议 MAC协议概述 无线传感器网络的MAC层协议层协议决定了如何使用无线如何使用无线 信道进行通信信道进行通信，以确保不同节点不同节点在同一时间进行消 息收发时不会造成碰撞不会造成碰撞。 降低能耗：降低能耗：MAC协议应在保持正常通信的前提下尽量降低设备的忙 闲比。 可扩展性：可扩展性：MAC协议必须能够适应无线传感器网络拓扑结构的动态 变化。 错误处理错误处理：MAC协议必须避免那些已知的和可能出现的错误情况， 以保证通信的可靠。 CSMA机制 CSMA机制（虚拟载波监听） 虚拟载波监听虚拟载波监听 n源站将还需占用信道的时间在 MAC 帧头字段“持续时间”中指

2、示给所有其他站，其他站会在这 段时间都停止发送数据。 n“虚拟”是指其他站未真正监 听信道，而是检测源站发送帧中 的“持续时间”才不发送数据。 n 当一个站检测到正在信道中传 送的 MAC 帧首部的“持续时间” 字段时，就调整自己的网络分配 向量 NAV (Network Allocation Vector)。 nNAV 指出了必须经过多少时间才能 完成数据帧的这次传输，才能使信道 转入到空闲状态。 CSMA机制 CSMA机制的原则 先听后讲先听后讲 信道空 闲则发送 边听边讲边听边讲 发送信号 时不断检测 信道是否碰 撞 碰撞即停碰撞即停 信道发生 碰撞，则停 止发送 退避重传退避重传 多次

3、碰撞，多次碰撞， 放弃发送放弃发送 最多重传 16次 CSMA机制 CSMA机制中的三种IFS SIFS(Short IFS)：最短帧间隔，优先级最高，用于需要立即响应的服 务，如ACK帧、CTS帧等。 PIFS(PCF IFS)：点协调模式下节点使用的帧间隔，用来获得在无竞 争周期启动时访问信道的优先权。 DIFS(DCF IFS)：分布式协调模式下节点使用的帧间隔，用以发送数 据帧和管理帧。 CSMA机制 MAC层“隐藏节点”效应 如只使用 CSMA机制，侦听到信道 “闲” 可能结果不正确，由于： 1.隐蔽站问题 - 发送方侦听不到: A, C 不能互相听到，中间有障碍物、信 号衰减，A、

4、C 于是都发给 B， B 处此时会产生冲突。 2.信号强度衰减问题 - C 在发送，由于信号传输衰减，传到 A 处时，A 听 不到，A 以为听到信道闲，也发， 接收站 B 处此时产生冲突。 隐终端是指是指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端。 Location Signal strength ABC CSMA/CA: CSMA with Collision Avoidance 冲突避免冲突避免: 增加增加 RTS-CTS 交互交互 nCSMA/CA: 信道预约 发送站: 发出短的 RTS帧(request to send)预约信道 接收站

5、: 应答短的 CTS帧 (clear to send)同意预约 nCTS 为发送站保留信道, 起了通 知其它(可能隐蔽的)站点的效果 n避免了隐蔽站点造成的冲突 MAC层CSMA/CA机制 CSMA机制 MAC层CSMA/CA机制 CSMA机制 数个节点进入退避阶段，如选择的退避时间一致，有可能会发生数个节点进入退避阶段，如选择的退避时间一致，有可能会发生 碰撞，碰撞，CSMA采用二进制指数退避机制规避再次碰撞。采用二进制指数退避机制规避再次碰撞。 确定基本退避时间（基数），一般定为2T，即一个竞争窗口 定义K为重传次数，K=min重传次数，10 从集合0,1,2,2k-1中，随机取出一个数R

6、，令退避时间为 t=R2T 如数据帧在重传16次后仍无法成功发送，则认为传输失败并报告 给高层协议 MAC层能耗来源 射频模块处于活动状态会消耗大量的能源。这是节点能量消耗的 最主要来源，射频收发器处于接收模式时消耗的能量比其处于待命 模式多两个数量级。 为避免冲突，节点也需要不断的侦听信道，查询信道是否被占用。 空闲侦听的代价也是很大的。 空闲侦听(Idlelistening) 碰撞冲突(Collision) MAC层能耗来源 两个以上节点在同时向一个节点发送数据帧，目的点发生数据冲 突，信号相互干扰，数据帧被破坏，源节点需重新发送。发送和接 收错误数据的能量被损耗，造成了能量浪费和信息延迟

7、。 利用RTSCTS握手机制可解决冲突问题，但带来额外的协议开销。 串扰(Overhearing) MAC层能耗来源 节点是以广播的形式发送消息的，广播范围内的节点就可能接收 到发向其他节点的数据包，造成串音干扰。 当节点密度很大或者需要传输的数据很多的时候，串扰消耗的能 量也是很可观的。为尽量避免这种情况，节点应该在无数据收发时 关闭其接收器。 控制信息开销(Control packet overhead) MAC层能耗来源 MAC层协议需要节点间交换控制信息，造成能量损耗，MAC的报头 和控制包(如RTSCTSACK)非有效数据，消耗的能量对用户来说 是无效的。当数据帧较小时，协议开销很大

8、。 节点确认其邻居节点所处状态(是否存活等)，进行同步等，也需 发送或接收一些消息，要消耗能量。 节能策略 MAC层能耗来源 尽量让传 感器节点 处于睡眠 状态 减少碰撞 减少控制 消息的能 量开销 减少接收 到无需接 收的数据 分组 基于竞争的MAC层协议 S-MAC协议 被同步节点被同步节点：节点在决定自身调度计划前接受到其他节点的调度 计划，将收到的计划作为自身的调度计划。 同步者同步者：侦听过了既定时间段后，未收到其他调度计划，即将自 身的调度计划广播出去。 在簇状拓扑结构时，簇内节点的调度计划是一致的。 边界节点边界节点：节点在设置了自身调度计划后，又收到一份不同的调 度计划，则会同

9、时采纳两种调度计划。边界节点多见于桥接两个不 同簇的节点，会按照两个簇的唤醒时间进行睡眠管理。 基于竞争的MAC层协议 S-MAC协议 基于竞争的MAC层协议 有“自适应侦听”机制的S-MAC协议 节点A、B确立通信关系时，节点C通过B的CTS帧内duration(持续 时间)字段得知信道通信结束时间。 在节点A、B传输结束时，C立即唤醒自己，与B建立通信关系。 两跳外的节点不参与其中。 优点：提高通信效率。 缺点：所有接收到RTS和CTS帧的节点，都会被唤醒，增加了能 耗和串音的几率；缺乏多跳感知能力。 基于竞争的MAC层协议 有“消息传递”机制的S-MAC协议 无需在每个数据帧传送的过程中

10、都发送RTS、CTS管理帧 当有突发大量数据传输时，在第一个数据帧发送RTS-CTS管理 帧，目的节点对每个数据帧逐个确认。 源节点和目的节点发送的每个帧都包含消息的剩余时间域。 基于竞争的MAC层协议 S-MAC协议 周期性侦听/睡眠的工作方式（能量） 一致性的睡眠调度机制（空闲侦听） 流量自适应的侦听机制（减少延迟） 消息分割和突发传递（控制消息和消息延迟） 基本思想基本思想 S-MAC协议的优势协议的优势 扩展性好 载荷不大的情况下，能耗 较少 串音避免 适应上层协议的分簇机制 S-MAC协议的不足协议的不足 忙闲比固定，无法适应载 荷的动态变化 节点休眠带来时延，不适 合实时性要求高的

11、网络 网络复杂、规模大的网络， 能耗较大 基于竞争的MAC层协议 T-MAC协议 T-MAC（Timeout MAC）协议协议，实际上是S-MAC协议的一种改进。 S-MAC协议的周期长度受限于延迟要求和缓存大小，而侦听时间主 要依赖于消息速率。为保证消息的可靠传输，节点的周期活动时 间必须适应最高的通信负载，造成网络负载较小时，节点空闲侦 听时间的相对增加。 对以上不足的改进，提出了T-MAC协议：在保持周期侦听长度不 变的情况下，根据通信流量动态调整节点活动时间通信流量动态调整节点活动时间，用突发方式 发送消息，减少空闲侦听时间减少空闲侦听时间。其主要特点是引入了一个引入了一个TA时隙时隙

12、。 基于竞争的MAC层协议 T-MAC协议 在节点活动周期内(SYNC、DATA)，如果在一个给定的时间段TA内 没有发生特定事件没有发生特定事件(定时器超时、接收到数据、发现无线信道、监 听RTS/CTS，确认邻居节点完成数据传输等)，则节点提前结束活动节点提前结束活动 进入睡眠状态进入睡眠状态。 ActiveActiveActive SleepSleep S-MAC ActiveActiveActive SleepSleep TATATA T-MAC 基于竞争的MAC层协议 T-MAC协议 早睡问题早睡问题 节点A获得发送数据到节点B的机会，节点A发送RTS节点B，节点B 应答CTS。节点

13、C收到B发出的CTS而转入睡眠状态，在B接收完数据 后醒来，以接收B发送给它的数据。D可能不知道A和B的通信存在， 在AB通信结束后已经进入睡眠状态，节点C只有等到下一个周期才 能传输数据到节点D。 基于竞争的MAC层协议 T-MAC协议 解决早睡问题的方法之一解决早睡问题的方法之一FRTS(Future Request To Send) 节点C监听到B发送给A的CTS时，立即向 D发送FRTS，告知D所需等待时间，D睡眠 后醒来与C通信。 A在发送DS占用信道，DS与FRTS长度相 同无有效信息，DS发送后，A开始发送数 据。 FRTS机制提高了网络吞吐量，增大了数 据量和碰撞概率 基于竞争

14、的MAC层协议 T-MAC协议 解决早睡问题的方法之二解决早睡问题的方法之二满缓冲区优满缓冲区优 先先(Full Buffer Priority, FBP) 节点C的TA时间即将结束时，收到B发来 的RTS。 节点C对B的RTS不做CTS回应，而是向目 标节点D发出RTS。 节点C与D开展通信。 避免了D的早睡问题。 控制了网络流量，但增加了碰撞的可能 性。 基于竞争的MAC层协议 DMAC协议 DMAC（Dynamic SMAC）基于SMAC和TMAC思想，采用预先分配方采用预先分配方 法法来避免睡眠延迟，在信道分配方面引入一种交错呼醒机制交错呼醒机制。 假设网络中的节点保持静止，且每个路由

15、节点有足够的存活时间， 保持网络在较长时间内路径不发生变化 假设数据有传感器节点向唯一的Sink单向传输 假设各节点间保持时间同步 在一条多跳传输路径上，各节点交替唤醒，如同锁链一样环环相 扣，保证数据在树状结构上持续传输，不被睡眠所中断 每个间隔分为接收、发送和睡眠三个周期 每个节点的调度具有不同的偏移，下层节点的发送时间对应于上 层节点的接收时间 基于竞争的MAC层协议 DMAC协议 DMAC协议基本机制 基于竞争的MAC层协议 DMAC协议 自适应忙闲比机制自适应忙闲比机制 如果节点在一个发送周期内有多个数据包要发送，就需要该节 点和树状路径上的上层节点一起加大发送周期占空比 通过在MA

16、C层数据帧的帧头加入一个标记(more data flag)，以较 小的控制开销发送占空比更新请求。在ACK帧中加入同样的标记位 节点提高忙闲比的条件：节点将相关标志位置1，或收到了该标 志位置1的ACK帧，传输路径上的节点依次提高忙闲比，增加了网 络的数据传输量。 基于竞争的MAC层协议 DMAC协议 数据预测机制数据预测机制 在数据采集树中，越靠近上层的节点，汇聚的数据越多，对树的 底层节点适合的占空比不一定适合中间节点 如果一个节点（父节点）在接收状态下接收到一个数据包，该节 点预测子节点仍有数据等待发送。在发送周期结束后再等待3个周 期，节点重新切换到接收状态 在前一周期竞争信道失败的

17、子节点侦听到父节点的ACK帧，知道 父节点将在3后醒来，据此调整自身调度计划，在3后唤醒自己与 父节点建立通信 基于竞争的MAC层协议 DMAC协议 MTS(More To Send)帧机制帧机制 必要性：虽然自适应占空比机制和数据预测机制考虑了冲突避免， 数据采集树中不同分枝节点仍有冲突的可能 MTS帧只包含目的地址和MTS标志位。标志位为1时称为MTS请求， 标志位为0时称为MTS清除 发送或接收到MTS请求的节点每隔3个周期就唤醒一次，只有 MTS请求已经被清除时，节点才回到原来的忙闲比方式 基于竞争的MAC层协议 B-MAC协议 S-MAC协议采用忙闲比模式忙闲比模式，忙闲比模式在能耗

18、方面主要问题： 1、节点需要定期发送消息，如SMAC中的SYNC数据包； 2、节点在侦听期间需要开启接收机等待可能到来的数据包。 B-MAC协议基于两种机制： 低功耗侦听（Low Power Listening，LPL）的休眠/唤醒调度机制， 也称前同步码采样机制 空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA）机制 基于竞争的MAC层协议 B-MAC协议LPL机制 B-MAC协议中，网络中的所有节点不需要同时被唤醒不需要同时被唤醒，每个节点 可以自行制定自己的休眠和唤醒时间调度表自行制定自己的休眠和唤醒时间调度表，不需要跟其他节点 保持同步。 一个节点要发送数据有两种

19、方法，一种是唤醒它的目标汇聚节点， 另一种是等待目标汇聚节点自己醒来。 LPL的主要思想是在发送数据包前发送一个前导序列（在发送数据包前发送一个前导序列（Premble） 来唤醒目标接收机，这样可以减少固定占空比协议中的来唤醒目标接收机，这样可以减少固定占空比协议中的“侦听功侦听功 耗耗”。 基于竞争的MAC层协议 B-MAC协议LPL机制 LPL机制的工作流程机制的工作流程 假设每个节点的睡眠时间均为Tp ， Tp 时间后节点醒来，在Ta 时间内侦听信道活动，令前导序列的时长为Tp + Ta （即Tw ） 。 节点A向节点B发送数据时，A首先发送前导序列。 B醒来后侦听到前导序列，判断出自己

20、是目标节点，进入工作状 态接收数据。 其他节点如也侦听到前导序列，但发现自己并非目标节点，返 回睡眠状态。 基于竞争的MAC层协议 B-MAC协议LPL机制 LPL机制的能耗情况机制的能耗情况 每个数据帧前都发送前导序列，如数据量大，则发送前导序列能耗 较大。 数据量小时，前导序列少，节点免去多次侦听的过程，能耗较少。 LPL机制的机制的Tw 的取值的取值 如Tw 取值过大，会造成传输过程较大的时延。 如Tw 取值过小，节点在频繁的唤醒-睡眠过程中会增大能耗。 Tw 的取值应根据网络流量负载的具体情况确定。 基于竞争的MAC层协议 B-MAC协议CCA机制 LPL机制的问题机制的问题 节点侦听

21、完前导序列发现自己不是目的节点，造成能耗。 节点侦听前导序列失败，造成能耗和延迟。 源节点错误判断信道状态发送前导序列，导致传输碰撞 CCA机制机制 为解决LPL机制的问题。 动态本底噪声评估。 信号侦测。 基于竞争的MAC层协议 B-MAC协议CCA机制 CCA机制的工作原理机制的工作原理 在一次传输结束后，节 点立即对信道采样更新本 底噪声估计值。 在下次传输数据前，对 信道进行多次采样。 发现异常，则信道空闲， 可发送数据。 未发现异常，则信道忙 碌，进行退避。 传输 采取信道样本 更新噪声基准 采样确定是否存在异常 需要传输数据 发现异常 未发现异常 信道空闲 传输数据 信道忙碌 采取

22、退避 噪声基准估计 信号检测 基于竞争的MAC层协议 B-MAC协议 优点优点 提供一个有效的载波侦听机制，大部分错误可以被检测； 噪声基准评估机制使MAC协议能够适应周边环境； 轻量级协议，占用空间较小； 灵活多变，为上层用户提供各种接口，方便再次开发。 缺点缺点 未解决隐终端问题，在高密度高流量的网络中信道不能充分利用 同步前导码过长，在流量负载较高时产生较大开销； CCA机制引入了额外的复杂性，也在一定程度上增加了接入时延。 基于竞争的MAC层协议 X-MAC协议 B-MAC协议节点接收前导序列消耗能量和造成时延 X-MAC是针对B-MAC协议的改进和优化。 将较长的前导序列分成若干连续

23、短序列，在这些前导序列之间 有段空隙，节点在空隙处处于监听状态。 目的节点只需接收一个短前导序列即可确认，向源节点发送 ACK帧后，源节点停止发送剩余前导序列。 数据传输后，目的节点不立即睡眠，保持侦听，以便接受其他 节点数据。 多节点对一节点请求发送时，最先发送前导序列的节点获得优 先权，其他节点等待下次竞争机会。 CSMA 加入冲突避免 CSMA/CA SMAC 侦听/休眠机制 同步 异步 LPL算法 BMAC DSMAC 根据流量动态 改变占空比 XMAC 引入闪频前导 减少前导码长度 加入TA间隔 减少空闲侦听 T-MAC 同步异步 基于竞争的MAC协议 基于竞争的MAC层协议 基于保

24、留时隙的MAC层协议 TDMA技术 节点通信基于超级帧节点通信基于超级帧(Superframe)，超级帧包括预留时段预留时段(节点 间通过特点机制决定各自时隙)和数据时段数据时段(多个时隙，每个时隙 内特点节点可以进行通信)。 优势优势 无需竞争信道，无碰撞问题。 控制信息少，消耗能量小。 节点在空闲时隙进入睡眠，节能。 劣势劣势 节点需同步，时隙和帧长度固定，对网络规模变化适应性差。 流量低时，信道利用率低。 基于保留时隙的MAC层协议 TRAMA协议 n每个时间帧分为随机访问和调度访问两部分，随机访问包含多个信令时隙 ，调度访问时隙包含多个传输时隙 n节点交换两跳内邻居信息和分配信息 n流

25、量自适应的分布式选举算法选择在每个时隙上的发送节点和接收节点 邻居协议邻居协议(NP) 节点启动后处于随机接入时隙，此时节点为接收状态。 通过在随机访问中交换控制信息，NP协议实现邻居信息的交 互。控制信息中携带了增加的邻居的更新，如果没有更新，控制 信息作为通知邻居自己存在的信标。 节点之间的时钟同步信息也是在随机访问中发送 每个节点发送关于自己下一跳邻居的增加更新，可以用来保持 邻居之间的连通性。如果节点在一段时间内都没有再收到某个邻 居的信标，则该邻居失效。 基于保留时隙的MAC层协议 TRAMA协议 基于保留时隙的MAC层协议 TRAMA协议 调度交换协议调度交换协议(SEP) 建立和

26、维护发送者和接收者选择时需要的调度信息 ，包括调 度信息生成和调度的信息交换与维护。 根据高层应用产生数据的速率计算出一个调度间隔，确定可调 度的时隙数，生成调度信息。 节点通过分配帧广播调度信息。 节点根据接收到的广播维护下一跳邻居的调度信息。 基于保留时隙的MAC层协议 TRAMA协议 自适应选举算法自适应选举算法(AEA) 确定节点当前时隙应处于发送、接收还是睡眠状态。 得到节点行为的预测。 每个节点在本地计算自己和邻居节点在当前时隙的AEA算法输 出并决定自己的行为。 差错控制 传输能量控制 调节天线消耗的能量控制节点有效通信距离 增加传输能量会 增大能耗 配合前向纠错机制减少 传输错误率，提高能量 利用效率 提高信噪比可以降低数据传输错误率 定定 位位 ARQ功能功能：室外远距离条件下，无线信道的衰落现象非常显著。在 链路层加入了ARQ机制，减少到达网路层的信息差错，可大大提 高系统的业务吞吐量。 ARQ类型类型 SAW（Stop-and-wait）：发送端每发一个数据包就停下来，等待接收端）：发送端每发一个数