第3章MAC协议

1、无线传感器网络技术无线传感器网络技术讲义讲义第三章、MAC协议2013年3月7日内容提要1.概述 2.竞争型MAC协议 3.分配型MAC协议4.混合型MAC协议5.MAC的跨层设计 6.主要参考文献 在无线传感器网络中，介质访问控制(Medium Access Control)协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。 传感器网络的强大功能由众多节点协作实现。多点通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。无线传感器网络MAC协议无线传感器网络MAC协议 网络特征：传感器节点能量受

2、限传感器节点失效概率大 传感器节点计算处理能力有限通信带宽有限以数据为中心 高密度、大规模随机分布 对MAC协议的设计提出了新的挑战！WSN MAC协议的考虑因素能量效率可扩展性 网络效率公平性、实时性、网络吞吐量、带宽利用率 算法复杂度 与其它层协议的协同 目前普遍认为重要性依次递减！MAC层的能量浪费因素以及节能策略能量浪费因素：u空闲侦听（忙闲）u碰撞重传（随机竞争）u控制消息（太多） u串扰(overhearing)节能策略：u尽量让传感器节点处于睡眠状态u减少碰撞u减少控制消息的开销 u减少接收到不需要接收的数据分组WSN MAC协议分类分配信道的方式u竞争型 u分配型u混合型 使用

3、的信道数目u单信道u多信道 控制方式u集中式 u分布式竞争型MAC协议基本思想u发送时主动抢占，CSMA方式u按需使用信道优点u网络流量和规模变化自适应u网络拓扑变化自适应u算法较简单典型协议uSMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift竞争型MAC协议 典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问 (carrier sense multiple access, CSMA) 无线局域网将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。 IEEE802.11 MAC协议的分布式协调(distributed coordination function,

4、 DCF)工作模式采用CSMA/CA 协议，还增加使用确认机制。 研究者在 802.11 的 MAC协议基础上提出了多个用于传感器网络的基于竞争的MAC协议。 802.11 的 MAC 层 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54

5、Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。 DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s2

6、.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/sIR1 Mb/s2 Mb/s5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11802.11 MAC协议 DCF工作方式的主要机制 CSMA/CA 随机退避时间 主动确认机制（ACK帧） 预留机制（RTS/CTS帧的NAV向量）A 的作用范围B 的作用范围2. 对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 ACBDERTSRTS源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Re

7、quest To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。 A 的作用范围B 的作用范围2. 对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 CTSACBDECTS若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS (Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。 A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。 虚拟载波监听 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有

8、其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。 这样就大大减少了碰撞的机会。 “虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。 这种效果好像是其他站都监听了信道。 所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。网络分配向量 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)。 NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次

9、传输，才能使信道转入到空闲状态。 争用窗口 信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。 在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。 802.11 使用二进制指数退避算法。 802.11 MAC协议总结DCF模式采用CSMA/CA方式-随机退避时间通过RTS/CTS解决隐终端和进行预留通过预留机制和主动确认机制来提高性能不适应WSN：u假设网络流量的产生是完全随机的；节点是公平的；而在WSN中一般认为网络流量具有很大的相关性，网络流量的相关性使得多个相

10、邻的节点竞争使用信道；u侦听载波所消耗的能量为接收信号所耗能量的50%-100%。SMAC协议-基本思想在802.11MAC协议基础上针对WSN设计；假设条件:u传感器网络的数据传输量少；u节点协作完成共同的任务；u网内处理减少数据通信量；u网络能够容忍一定程度的通信延迟。它的主要设计目标：u减少节点能量的消耗；u提供良好的扩展性。SMAC协议-基本思想周期性侦听/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）SMAC协议-关键技术1u周期性睡眠和侦听 w节省能量w一致性睡眠调度机制形成虚拟簇w扩展性u节点调度表

11、w形成和维护w边界节点SMAC协议-关键技术2u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不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间。如果节点在这段时间接收到RTS帧，则立即接收数据，而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。 如果在这段时间内没有接到RTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。SMAC协议-关键技术3u 串扰避免 w采用与802.11MAC协议类似的虚拟载波侦听机制、RTS/CTS的通告机制。w区别在于当邻居节点处于通信过程中，S-MAC的节点进入睡眠状态。SMAC协议-关键技术4u消息传递 w将长的信息包分成若干个短的DATA段

12、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S-MAC与802.11消息传递机制的不同RTS 21.Data 19ACK 18CTS 20Data 17ACK 16Data 1ACK 0RTS 3.Data 3ACK 2CTS 2Data 3ACK 2Data 1ACK 0TMAC协议-基本思想uSMAC协议调度占空比固定，不能很好的适应网络流量的变化 u动态调整调度周期中的活跃时间长度 u在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠 图 3 4 TMAC基本机制TMAC协议的早睡问题如果节点A通过竞争首先获得发送数据到节点B的通信机会，节点A发送RTS信

13、息给节点B，节点B应答CTS消息。节点C收到节点B发出的CTS消息而转入睡眠状态，在节点B接收完数据后醒来，以便接收节点B发送给它的数据。D可能不知道节点A和B的通信存在，在节点AB通信结束后已经进入睡眠状态，这样，节点C只有等到下一个周期才能传输数据到节点D。PMAC协议-基本思想uSMAC调度占空比固定，TMAC早睡问题u引入模式信息，节点能够通过模式信息提前获知邻居的下一步活动，调度都根据模式信息来进行 图 3 9 空闲监听周期长度比较WiseMAC协议-基本思想u基于CSMA机制，使用前导采样技术u通过本地同步的广播获得最小的前导长度 u随机的前导长度保证冲突避免 Sift协议-基本思

14、想1u应用u适用于事件驱动型传感器网络u出发点w空间和时间相关性w并非每个节点都要报告事件w感知事件的节点密度随时间变化u目标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。Sift协议-基本思想2常规竞争的CSMA协议802.11 MACw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CW大小，等概率选取发送时间不适合WSNwCW值的调整：太大/太小；wWSN应用不需要所有节点都发送。Sift协议w固定长度的竞争窗口 w不等概率选择时隙，在不同时隙采用不同的选择概率Sift协议-关键技术u假设目前参与竞争的节点数 N，竞争时间窗口1，C

15、W中的时隙。如果第一个时隙没有节点发送数据，节点减小假设的竞争发送节点数目，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）分配型MAC协议u基本思想w将一个物理信道分为多个子信道 w将子信道静态或动态地分配给需要通信的节点，避免冲突 w根据网络通信流量最大限度地节省能量 u优点w无冲突 w无隐藏终端问题w易于休眠u典型协议wSMACS、TRAMA、DMAC、BMACDMAC协议-基本思想u适合于节点采集数据后，向一个sin

16、k节点汇聚的单向树状模式 u采用预先分配的方法来避免睡眠延迟 u引入了一种交错的监听睡眠调度机制，保证数据在多跳路径上的连续传输 DMAC协议-关键技术1u交错调度机制 w假设网络中的节点保持静止，且每个路由节点有足够的存活时间，可以在较长时间内保持网络路径不发生变化w假设数据由传感器节点向唯一的sink单向传输w假设各个节点之间保持时钟同步 DMAC协议-关键技术2u交错调度机制 w将节点周期划分为接收时间、发送时间和睡眠时间。w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。 图 DMAC协议基本机制DMAC协议-关键技术4u自适应占空比机制 w如果节点在一个发送

17、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 w通过在MAC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DMAC协议-关键技术5u数据预测机制 w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 w如果一个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3u个周期，节点重新切换到接收状态DMAC协议-关键技术6uMTS (More to Send)帧机制 w必要性：虽然自适应占空比机制和数据

18、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 wMTS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w发送或接收到MTS请求的节点每隔3u个周期就唤醒一次，只有MTS请求已经被清除时，节点才回到原来的占空比方式 SMACS协议-基本思想1u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选择的频点，相邻链路都有不同的工作频点 TRAMA协议-基本思想u将一个物理信道分成多个时隙，通过对这些时隙的复用为数据和控制信息提供信道

19、u每个时间帧分为随机接入和分配接入两部分，随机接入时隙也称为信令时隙，分配接入时隙也称为传输时隙 u节点交换两跳内邻居信息和分配信息u采用流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 图 3 19 时隙分配DEANA Distributed energy-aware node activation分布式能量感知节点活动协议内容提要1.概述 2.竞争型MAC协议 3.分配型MAC协议4.混合型MAC协议5.MAC的跨层设计 6.主要参考文献ZMAC协议-基本思想采用CSMA机制作为基本方法 竞争加剧时使用TDMA机制引入时间帧，为节点分配时隙 节点可以选择任何时隙发送数据 在分

20、配的时隙发送优先级更高ZMAC协议-关键技术1u邻居发现w周期性发送PING消息 w包含本地发现的所有一跳范围内的邻居u时隙分配wDRAND算法ZMAC协议-关键技术2u本地时间帧交换w节点维持一个本地的时间帧长度 w帧长度与两跳范围内的节点数相对应 w实现时隙的同步需要运行时钟同步算法 ZMAC协议-关键技术3u传输控制 w低冲突级别(LCL)和高冲突级别(HCL)两种工作模式w时隙拥有者，短时间监听，优先发送 w非时隙拥有者LCL模式，退避较长时间再监听w非时隙拥有者HCL模式，等待下个时隙ZMAC协议-关键技术4u局部同步w完全失去时钟同步时，退化为CSMA协议w维护临近的发送节点之间的

21、时间同步 w周期性的发送时间同步包 w根据时间同步包修正时间偏差 内容提要1.概述 2.竞争型MAC协议 3.分配型MAC协议4.混合型MAC协议5.MAC的跨层设计 6.主要参考文献MAC层的跨层设计u基本思想w为了提高能量效率，能量管理机制、低功耗设计等在各层设计中都有所体现 w传统方法中各层的设计相互独立，因此各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优 w实现逻辑上并不相邻的协议层次间的设计互动与性能平衡u典型协议wMINAMINA网络架构1u节点分成三种类型w大量静止的低容量(内存、CPU、能量)传感器节点w少量手持移动节点(PDA)w静止的大容量基站节点u每个传感器节点都带有一个半双

22、工或全双工的射频收发器，节点之间都能进行双向通信u每个节点都有一个唯一的网络地址 u一个传感器节点的簇定义为在该节点广播传输范围内的节点的集合 u基站是无线传感器网络的数据汇聚节点，可以将数据发送到有线网络中去，基站节点必须具有超长的传输距离，通过一个广播可将数据发送给网络中的所有节点图 MINA架构组网示例MINA网络架构2u流量类型主要为传感器节点到基站的上行链路u网络帧类型有三种w控制帧w信标帧w数据帧u分层架构 w距离基站跳数相同的节点组成一层 w每个节点的邻居也可以分为三类：内部邻居、同等邻居、外部邻居。距离基站跳数比本地更小的邻居为内部邻居，跳数相同的邻居为同等邻居，跳数更大的邻居

23、为外部邻居 图 MINA架构组网示例UNPF协议框架1u网络主要工作在两个交替的状态w网络自组织状态，在此期间节点发现邻居 w数据传输状态，在此期间节点进行数据的发送或接收，需要路由协议来确定目的地址，MAC协议来完成信道访问uMAC协议超帧图 3 25 MAC协议帧结构UNPF协议框架2u网络自组织 w在每个超帧的起始阶段，基站广播一个控制帧CR (Control Packet)。CR包括传感器节点同步需要的时间信息，以及传感器节点在信标帧BI(Beacon Packet)内传输各自的信标信息的序号wBI紧跟在CR后，每个节点根据CR中的顺序发送BI，帧格式如图 3 25示。BI包含了节点的

24、能量状态、距离基站的跳数、节点的接收信道信息w在信标帧后紧跟着就是数据传输帧。每个数据帧包括个时隙，由MAC协议来负责分配w基站启动后第一个超帧期间进行第一轮BI信息交互时，基站获得了第一层节点的信息。第二个超帧期间重复上述步骤，第一层节点发送带有跳数信息为1的BI信息。第二层的节点接收到该信息并将自己的跳数设置为2，第二层节点就形成了。超帧周期性的重复，假设网络最大跳数为N，第N个超帧完毕后，整个网络的自组织过程就完成了UNPF协议框架3uMAC协议DTROC w假设网络总共有L层，节点i位于l层，且lL wSi表示第l+1层中将节点i选择为下一跳地址的节点的集合 w分配一个信道Ci给节点i

25、的接收机，同时Si中每个节点都将发射机调整到这个信道 w主要解决两个问题：在Si中共享信道Ci；分配信道时避免相互干扰 内容提要1.概述 2.竞争型MAC协议 3.分配型MAC协议4.混合型MAC协议5.MAC的跨层设计 6.主要参考文献主要参考文献1 Demirkol, I. Ersoy, C. Alagoz F. “MAC protocols for wireless sensor networks: a survey”, Communications Magazine, IEEE April 2006, Volume: 44, Issue: 4, On page(s): 115- 121

26、2 W. Ye, J. Heidemann and D. Estrin, “An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks,” in INFOCOM 2002, New York, Jun. 2002,pp.1567-1576.(SMAC)3 W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, “Medium Access Control With Coordinated Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks”, IEEE/ACM Transactio

27、ns on Networking, Volume: 12, Issue: 3, Pages:493 - 506, June 2004.4 Yuan Li Wei Ye Heidemann, “Energy and latency control in low duty cycle MAC protocols”, Wireless Communications and Networking Conference, 2005 IEEE, Publication Date: 13-17 March 2005. Volume: 2, Page(s): 676- 682 Vol. 25 T.V. Dam

28、 and K. Langendoen, “An Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”, The First ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (Sensys03), Los Angeles, CA, USA, November, 2003.6 Zheng T,Radhakrishnan S,Sarangan V. PMAC:an adaptive energy-efficient MAC protocol for wirele

29、ss sensor networksA.Proceedings of the 19th IEEE International Parallel and Distributed Processing SymposiumC.Piscataway,USA:IEEE,2005.237.7 EI-Hoiydi A, Decotignie J D. WiseMAC: An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sensor Networks A.Proceedings of 9th Internat

30、ional Symposium on Computers and Communications, Vol 1 C.8 C. C. Enz, A. El-Hoiydi, J-D. Decotignie, V. Peiris, “WiseNET: An Ultralow-Power Wireless Sensor Network Solution”, IEEE Computer, Volume: 37, Issue: 8, August 2004.9 K. Jamieson, H. Balakrishnan, and Y. C. Tay, “Sift: A MAC Protocol for Eve

31、nt-Driven Wireless Sensor Networks,” MIT Laboratory for Computer Science, Tech. Rep. 894, May 2003,/publications/pubs/pdf/MIT-LCS-TR-894.pdf. 主要参考文献10 Sohrabi K Ailawadhi V Ailawadhi V, “Protocols for self-organization of a wireless sensor network”,IEEE Personal Comm Mag, 2000/7

32、/5 P 16-27.11 V. Rajendran, K. Obraczka, J.J. Garcia-Luna-Aceves, “Energy-Efficient, Collision-Free Medium Access Control for Wireless Sensor Networks”, Proc. ACM SenSys 03, Pages:181 - 192, Los Angeles, California, 5-7 November 2003.12 L. Bao and J. Garcia-Luna-Aceves. Hybrid channel access scheduling in ad hoc networks. Proc. IEEE Tenth International Conference on Network Protocols (ICNP), November 200