无线传感网络课件003-MAC层

1、无线传感网络无线传感网络 MAC层层课程课程 - 03作者：利海沃跨层设计的思想 开放系统互连参考模型各层的功能，可以简单概括为：物理层正确利用媒质，数据链路层协议走通每个节点，网络层选择走哪条路，运输层找到对方主机，会话层指出对方实体是谁，表示层决定用什么语言交谈，应用层指出做什么事。 1、物理层（Physical Layer）：主要功能为定义了网络的物理结构，传输的电磁标准，Bit流的编码及网络的时间原则，如分时复用及分频复用。决定了网络连接类型（端到端或多端连接）及物理拓扑结构。说的通俗一些，这一层主要负责实际的信号传输。 2、数据链路层（Data Link Review）：在两个主机上

2、建立数据链路连接，向物理层传输数据信号，并对信号进行处理使之无差错并合理的传输。 3、网络层（Network Layer）：主要负责路由，选择合适的路径，进行阻塞控制等功能。 4、传输层（Transfer Layer）：最关键的一层，向用户提供可靠的端到端（End-to-End）服务，它屏蔽了下层的数据通信细节，让用户及应用程序不需要考虑实际的通信方法。 5、会话层（Session Layer）：主要负责两个会话进程之间的通信，即两个会话层实体之间的信息交换，管理数据的交换。 6、表示层（Presentation Layer）：处理通信信号的表示方法，进行不同的格式之间的翻译，并负责数据的加密

3、解密，数据的压缩与恢复。 7、应用层（Application Layer）：保持应用程序之间建立连接所需要的数据记录，为用户服务。跨层设计的思想跨层设计的思想 作业1： 跨层设计的思想及特点？ 作业2： 健壮性、鲁棒性、连通性、覆盖性、隐藏终端、暴露终端、叶子节点、祖父节点、父节点、子节点、时间相关性、空间相关性、超帧、吞吐量、信标数据链路层 按功能划分为两个子层：LLC和MAC 功能分解的目的 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，降低实现的复杂度； 分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法； LLC： 与介质、拓扑无关； MAC：与介质、拓扑相关。数据链路层 面向数据帧的传输控制

4、层 主要功能 建立和释放数据链路层的逻辑连接 提供与高层的接口 差错控制 给帧加上序号数据链路层-LLC子层 负责对物理媒体的使用进行控制 主要功能 将上层交下来的数据封装成帧进行发送（接收时进行相反的过程，将帧拆卸） 实现和维护MAC协议（控制使用网络媒体的时间和方法、处理帧的控制信息） 位差错的检测 寻址（MAC地址）数据链路层-MAC子层u网络特征w传感器节点能量受限w传感器节点失效概率大 w传感器节点计算处理能力有限w通信带宽有限w以数据为中心 w高密度、大规模随机分布 对MAC协议的设计提出了新的挑战！无线传感器网络MAC协议w能量效率s空闲监听s冲突 s控制开销 s串扰 w可扩展性

5、 w网络效率 w算法复杂度 w与其它层协议的协同 目前普遍认为重要性依次递减！无线传感器网络MAC协议 节能策略 尽量让传感器节点处于睡眠状态 减少接收到不需要接收的数据分组 减少碰撞 减少控制消息的开销无线传感器网络MAC协议无线传感器网络MAC协议无线传感器网络MAC协议 思考？ 两个点通信？ 三个点通信？无线传感器网络物理层对节点能耗的影响： Deborah Estrin 在Mobicom 2002 会议的特邀报告（Wireless Sensor Networks，Part IV：Sensor Networks Protocols ）中所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从图 可知，传感

6、器节点的大部分能量消耗在无线通信模块 。通信单元在不同工作状态下的功耗 概述隐藏终端与暴露终端 隐藏终端 隐藏终端是指在接收节点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围外的节点。隐藏终端由于听不到发送节点的发送而可能向相同的接收节点发送分组，导致分组在接收节点处冲突。冲突后发送节点要重传冲突的分组，这降低了信道的利用率。隐藏终端与暴露终端 隐藏终端 隐藏终端又可以分为隐发送终端与隐接收终端。在单信道条件下，隐发送终端可以在发送数据报文前的控制报文握手来解决。但是隐接收终端问题在单信道条件下无法解决。隐藏终端与暴露终端 隐藏终端 当A要向B发送数据时，先发送一个控制报文RTS；B接收到RTS后，以CT

7、S控制报文回应；A收到CTS后才开始向B发送报文，如果A没有收到CTS，A则认为发生了冲突，重发RTS。这样隐发送终端C能够听到B发送的CTS，知道A要向B发送报文，C延时发送，解决了隐发送终端的问题。隐藏终端与暴露终端 隐藏终端 对于隐接收终端，当C听到B发送的CTS控制报文而延时发送时，若D向C发送RTS控制报文请求发送数据，因C不能发送任何信息，所以D无法判断是RTS控制报文发送冲突，还是C没有开机，还是C是隐终端，D只能认为RTS报文冲突，就重新向C发送RTS。因此，当系统只有一个信道时，隐接收终端问题是无法解决的。隐藏终端与暴露终端 暴露终端 暴露终端是指在发送节点的覆盖范围内而在接

8、收节点的覆盖范围外的节点。暴露终端因听到发送节点的发送而可能延迟发送，但是，它其实是在接收节点的通信范围之外，它的发送不会造成冲突，这就引入了不必要的时延。隐藏终端与暴露终端 暴露终端 暴露终端又可以分为暴露发送终端和暴露接收终端两种。在单信道条件下，暴露接收终端问题是不能解决的，因为所有发送给暴露接收终端的报文都会产生冲突，暴露发送终端问题也无法解决，因为暴露发送终端无法与目的节点成功握手。隐藏终端与暴露终端 暴露终端 在单信道，如果D要暴露终端C发送数据，来自D的RTS报文会与B发送的报文在C处冲突，C收不到来自D的RTS，D也就收不到C回应的CTS报文。隐藏终端与暴露终端 影响 资源浪费

9、，增加数据碰撞的概率，从而降低系统的吞吐量。 解决方法 一：接收节点在接收的同时发送忙音来通知邻居节点； 二、发送节点在数据发送前与接收节点进行一次短控制消息握手交换，以短消息的方式通知邻居节点它即将进行接收，即RTS/CTS。 单信道下，使用控制分组的方法可解决隐发送终端，无法解决隐藏接收终端和暴露终端问题。隐藏终端与暴露终端 暴露终端 当B向A发送数据时，C只能听到RTS报文，知道自己是暴露终端，认为自己可以向D发送数据。C向D发送RTS控制报文。如果是单信道，来自D的CTS会与B发送的数据报文冲突，C无法和D成功握手，它不能向D 发送报文。 传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的

10、检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。CSMA/CD与CSMA/CA的比较CSMA/CD CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Derect），即载波监听多路访问/冲突检测方法是一种争用型的介质访问控制协议。它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所采用的争用型协议，并进行了改进，使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率 . CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，网中的

11、各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时，如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧，发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。CSMA/CD协议简单、可靠，其网络系统（如Ethernet）被广泛使用。CSMA/CD与CSMA/CA的比较CSMA/CA 总线型局域网在MAC层的标准协议是CSMA/CD，即载波侦听多点接入/冲突检测（Car

12、rier Sense Multiple Access with Collision Detection）。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此802.11全新定义了一种新的协议，即载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA（with Collision Avoidance）。一方面，载波侦听-查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞-通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。不仅如此，为了系统更加稳固，802.11还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于侦听失败时，信号冲突就有可能发生，而这种工作于MAC层的AC

13、K此时能够提供快速的恢复能力。CSMA/CD与CSMA/CA的比较CSMA/CA 总线型局域网在MAC层的标准协议是CSMA/CD，即载波侦听多点接入/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。但由于无线产品的适配器不易检测信道是否存在冲突，因此802.11全新定义了一种新的协议，即载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA（with Collision Avoidance）。一方面，载波侦听-查看介质是否空闲；另一方面，避免冲撞-通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当介质被侦听到空闲时，优先发送。不仅

14、如此，为了系统更加稳固，802.11还提供了带确认帧ACK的CSMA/CA。在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于侦听失败时，信号冲突就有可能发生，而这种工作于MAC层的ACK此时能够提供快速的恢复能力。CSMA/CD与CSMA/CA的比较SMAC协议u周期性睡眠和监听 u串扰避免u消息传递SMAC协议u周期性睡眠和监听 w一个周期内有睡眠和监听两种状态w节点之间协同，保持监听同步w同步调度，形成虚拟簇w全监听周期，保证邻居发现w降低功耗，增加延迟SMAC协议u自适应监听 在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后唤醒并保持监听一段时间。如果节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立即接收数据，而

15、不需要等到下一个监听周期，从而减少了两个节点间的数据传输延迟。u串扰避免 w虚拟载波监听w信道忙时睡眠，避免接收串扰数据包u消息传递 w将长的信息包分成若干个短的DATA段 w所有DATA使用一个RTSCTS控制分组占用信道 w每个DATA都有ACK保障传输成功SMAC协议Sift协议u适用于事件驱动型传感器网络u出发点w空间相关性w并非每个节点都要报告事件w时变性u设计目的wN个节点同时监测到一个事件，希望在最短时间内有R个节点(R=N)无冲突发送事件消息u常规CSMA协议w在1，CW时间长度窗口内，等概率选择发送时槽w冲突时就倍增时间窗口大小CW，等概率选取发送时间uSift协议w固定长度

16、的竞争窗口 w不等概率选择时槽，在不同时槽采用不同的选择概率Sift协议Sift协议u假设目前参与竞争的节点数 N，竞争时间窗口1，CW中的时隙。如果第一个时隙没有节点发送数据节点减小竞争节点数假设值，增加在第二个时隙中的传输概率，这一过程中每个时隙中都重复执行。 u当信道空闲时，节点根据概率分布在传输之前退避随机长度。 u假设每个节点选择时隙r1，CW发送数据的概率为Pr。 Pr的概率分布如下： （r = 1,CW）SMACS协议u结合TDMA、FDMA的基本思想 u假设每个节点都能在多个载波频点上进行切换 u将每个双向信道定义为两个时间段 u发现邻居后立即分配信道 u每个链路都分配一个随机

17、选择的频点，相邻链路都有不同的工作频点 SMACS协议u链路建立 w引入超帧的概念，用固定参数Tframe表示 w在上电后先进行邻居发现，每发现一个邻居就有一对节点形成一个双向信道 w在两个节点的超帧中为该链路分配一对时隙用于双向通信，这种不同步的时隙分配称为异步分配通信 w每对时隙都会选择一个随机的频点，减少邻近链路冲突 的可能 SMACS协议u链路建立w节点A和D分别在Td和Ta时刻开始进行邻居发现 w节点B和C分别在Tb和Tc时刻开始进行邻居发现 w两个时隙分配不同的频点 fx和fySMACS协议u邻居发现和信道分配 w假设节点B，C，G进行邻居发现。节点在随机的时间段内打开射频部分，在一个固定的频点监听一个随机长度的时间。节点C在监听结束后广播一个邀请消息Type1 w节点B和G接收到C发出的Type1消息后，等待一个随机的时间，然后各自广播一个应答消息Type2 wC将接收到B和G发来的邀请