3--无线传感器网络技术MAC协议

《无线传感器网络技术》讲义第三章、MAC协议2007年8月20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.主要参考文献无线传感器网络MAC协议网络特征传感器节点能量受限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！研究热点能量效率空闲监听冲突控制开销串扰可扩展性网络效率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协议分类分类方式分配信道的方式竞争型分配型混合型使用的信道数目单信道双信道多信道网络类型同步网络异步网络内容提要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.主要参考文献竞争型MAC协议基本思想发送时主动抢占，CSMA方式（载波侦听多路访问）–CSMA/CA主要使用兩種方法來避免碰撞：送出资料前，侦听媒体状态，等沒有人使用媒体，维持一段時间后，再等待一段随机的時間后依然沒有人使用，才送出资料。由於每個裝置采用的随机時间不同，所以可以减少碰撞的机会。–送出资料前，先送一段小小的请求传送封包（RTS:RequesttoSend）給目标端，等待目标端回应封包後，才开始传送按需分配优点网络流量和规模变化自适应网络拓扑变化自适应算法较简单典型协议SMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、SiftSMAC协议-前提条件和基本思想前提条件数据量少，可进行数据的处理和融合节点协作完成共同的任务网络可以容忍一定程度的通信延迟基本思想周期性睡眠和监听；协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇）自适应的侦听机制，减少信息的传输延迟带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息的传递延迟SMAC协议-关键技术1周期性睡眠和监听一个周期内有睡眠和监听两种状态节点之间协同，保持监听同步同步调度，形成虚拟簇全监听周期，保证邻居发现降低功耗，增加延迟ListenSleepListenSleepTime图3-1周期性监听和睡眠SMAC协议-关键技术2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。串扰避免虚拟载波监听（控制信息）信道忙时睡眠，避免接收串扰数据包SMAC协议-关键技术3消息传递将长的信息包分成若干个短的DATA段所有DATA使用一个RTS／CTS控制分组占用信道每个DATA都有ACK保障传输成功SMAC协议-算法描述1GSA算法减少网络中的调度方式，以减少边界节点的能量损耗节点地址与存在时间结合经过同步，形成全局调度方式SMAC协议-算法描述2FPA算法消除多跳延迟建立快速路径数据在快速路径多跳传输Node1Node2Node3Node4P=dP=2dt1t3t2监听快速路径调度数据传输图3-3快速路径调度TMAC协议-基本思想SMAC协议调度占空比固定，不能很好的适应网络流量的变化动态调整调度周期中的活跃时间长度在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠activetimesleeptimeTATATAnormalTMAC图3-4TMAC基本机制TMAC协议-关键技术1周期性监听同步延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧固定周期调度后全监听周期，发现邻居RTS操作和TA的选择发送RTS未收到CTS，应再发送一次TA竞争信道时间+RTS发送时间+CTS准备时间ABCContendTAContendContendRTSCTSDATAACK图3-5TMAC基本数据交换TMAC协议-关键技术2早睡问题节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态ABCContendTAContendContendRTSCTSDATAACKActiveSleepRTS?D图3-6早睡问题TMAC协议-关键技术3早睡问题解决办法未来请求发送（Futurerequest-to-send,FRTS）图3-7FRTS帧交换ABCContendTAContendContendRTSCTSDATAACKActiveRTSDActiveFRTSTMAC协议-关键技术4早睡问题解决办法满缓冲区优先图3-8接收RTS节点优先ABCContendTARTSCTSDATAACKDContendContendRTSPMAC协议-基本思想SMAC调度占空比固定，TMAC早睡问题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SMACTMACPMACawakesleepawakesleepsleepTAtimeframeTATA图3-9空闲监听周期长度比较PMAC协议-关键技术1模式的生成由一个二进制位串组成每一位表示节点在当前时隙应处于何种状态，1为监听，0为睡眠形式：0m1，m=0,1,…N-1，m代表串中0的个数每个节点启动时的模式串为1，表示流量很大节点根据网络流量更新模式在第一个时隙内无数据发送：更新模式为01在第二个模式中监听时隙内仍无数据发送：更新模式为001；依此类推PMAC协议-关键技术2模式的交换在当前周期结束时将进行广播来交换模式信息引入超帧STF,分为两个子帧PRTF和PETF模式重复时间帧PRTF，节点重复自己的模式模式交换时间帧，邻居之间进行模式信息交换STFPRTFPETFSTFPRTFPETFNslots...WTRTENslots...W图3-10时间帧划分WiseMAC协议-基本思想基于CSMA机制，使用前导采样技术通过本地同步的广播获得最小的前导长度随机的前导长度保证冲突避免WiseMAC协议-关键技术1前导采样对信道进行采样，在短时间内对无线信道进行监听所有节点都保持相同的采样时间Tw采样时监听到信道忙，节点会继续监听，直到接收到数据或者信道空闲数据包发送之前都要发送一个唤醒前导序列，该序列的长度和采样周期的长度相等，保证在数据部分到达时节点处于监听状态WiseMAC协议-关键技术2前导长度最小化根据邻居节点的采样时间偏移量，选择最小长度的唤醒前导源节点目的节点唤醒,信道空闲唤醒,信道空闲唤醒,信道忙,接收开始等待空闲,传输数据WAITWDATATPACKWTDTCTAT发送接收睡眠图3-11同步前导采样Sift协议-基本思想1适用于事件驱动型传感器网络出发点空间和时间相关性并非每个节点都要报告事件时变性设计目的N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常规窗口竞争协议在[1，CW]时间长度窗口内，等概率选择发送时槽冲突时就倍增时间窗口大小CW，等概率选取发送时间Sift协议固定长度的竞争窗口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-关键技术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。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。假设每个节点选择时隙r∈[1，CW]发送数据的概率为Pr。Pr的概率分布如下：（r=1,…,CW）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.主要参考文献分配型MAC协议基本思想将一个物理信道分为多个子信道将子信道静态或动态地分配给需要通信的节点，避免冲突根据网络通信流量最大限度地节省能量优点无冲突无隐藏终端问题易于休眠典型协议SMACS、TRAMA、DMAC、BMACSMACS协议-基本思想1结合TDMA、FDMA的基本思想假设每个节点都能在多个载波频点上进行切换将每个双向信道定义为两个时间段发现邻居后立即分配信道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SMACS协议-关键技术1链路建立引入超帧的概念，用固定参数Tframe表示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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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-关键技术2链路建立节点A和D分别在Td和Ta时刻开始进行邻居发现节点B和C分别在Tb和Tc时刻开始进行邻居发现两个时隙分配不同的频点fx和fyfyfyfxfxfxfx…………NodeDNodeATframe发送时隙接收时隙D、A相互发现……NodeBNodeCB、C相互发现TdTaTbTc图3-17异步分配通信SMACS协议-关键技术3邻居发现和信道分配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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C将接收到B和G发来的邀请应答，可以选择最早到达的应答者，也可以选择接收信号强度最大的应答者。在选择了应答者后C将立即发送一个Type3给最早到达的B，Type3消息中携带分配信息，该信息包含节点C的下一个超帧的起始时间节点B根据Type3得到一个时间偏移，并找出两个共同的空闲时间段做为时隙对，分配给B和C之间的链路。SMACS协议-关键技术4邻居发现和信道分配节点B选择一个随机的频点，将时隙对在超帧中的位置信息以及选择的频点通过Type4发送给节点C。这些信息成功交换之后，B和C之间就完成了时隙分配和频率选择，可以切换到对应的时隙和频率进行通信。NodeBNodeCNodeGType1Type3Type1Type3Type2Type4Type2图3-18邻居发现TRAMA协议-基本思想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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节点交换两跳内邻居信息和分配信息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………分配接入随机接入传输时隙信令时隙切换周期TRAMA协议-关键技术1NP协议节点启动后处于随机接入时隙，此时节点为接收状态通过在随机接入时隙中交换控制信息，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接入时隙中发送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。TRAMA协议-关键技术2调度交换协议建立和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，确定可分配的时隙数，生成调度信息节点通过调度分组广播广播调度信息节点根据接收到的广播维护下一跳邻居的分配信息AEA算法确定节点当前时隙应处于发送、接收还是睡眠状态DMAC协议-基本思想适合于节点采集数据后，向一个sink节点汇聚的单向树状模式采用预先分配的方法来避免睡眠延迟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1交错唤醒机制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