新一代移动通信技术5-WSN-MAC

无线传感器网络的MAC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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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ABCContendTAContendContendRTSCTSDATAACKActiveRTSDActiveFRTSPMAC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。NodeBNodeCNodeGType1Type3Type1Type2Type4Type2图3-18邻居发现内容提要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在分配的时隙发送优先级更高ZMAC协议-关键技术1邻居发现周期性发送PING消息包含本地发现的所有一跳范围内的邻居时隙分配DRAND算法ZMAC协议-关键技术2ZMAC协议-关键技术3本地时间帧交换节点维持一个本地的时间帧长度帧长度与两跳范围内的节点数相对应实现时隙的同步需要运行时钟同步算法ZMAC协议-关键技术4传输控制低冲突级别(LCL)和高冲突级别(HCL)两种工作模式时隙拥有者，短时间监听，优先发送非时隙拥有者LCL模式，退避较长时间再监听非时隙拥有者HCL模式，等待下个时隙ZMAC协议-关键技术5局部同步完全失去时钟同步时，退化为CSMA协议维护临近的发送节点之间的时间同步周期性的发送时间同步包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基本思想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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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典型协议MINAMINA网络架构1节点分成三种类型大量静止的低容量(内存、CPU、能量)传感器节点少量手持移动节点(PDA)静止的大容量基站节点每个传感器节点都带有一个半双工或全双工的射频收发器，节点之间都能进行双向通信每个节点都有一个唯一的网络地址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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MINA网络架构2125436987101-hoplayer2-hoplayer3-hoplayerNode3'sClusterSensornodesMobilenode(MN)BaseStation图3-24MINA架构组网示例MINA网络架构3流量类型主要为传感器节点到基站的上行链路网络帧类型有三种控制帧信标帧数据帧分层架构距离基站跳数相同的节点组成一层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，跳数更大的邻居为外部邻居UNPF协议框架1网络主要工作在两个交替的状态网络自组织状态，在此期间节点发现邻居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MAC协议超帧ControlPacket1...234XF...FFFF1234D……信标帧数据帧超帧结构IDEnergyHReceiverChannelBufferStatusSlotallocationforOUTWARDnodes信标帧结构c图3-25MAC协议帧结构UNPF协议框架2网络自组织在每个超帧的起始阶段，基站广播一个控制帧CR(ControlPacket)。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(BeaconPacket)内传输各自的信标信息的序号BI紧跟在CR后，每个节点根据CR中的顺序发送BI，帧格式如