物联网讲座06-WSN-MAC协议54

物联网技术概论讲座人：李熠（湘潭大学信息工程学院)第五讲无线传感网络MAC协议Slide2物联网技术概论内容提纲1.概述2.竞争型MAC协议1.SMAC协议2.TMAC协议3.BMAC协议4.WISEMAC协议3.分配型MAC协议4.混合型MAC协议5.MAC的跨层设计Slide3物联网技术概论•1概述Slide4物联网技术概论无线频谱是无线通信的介质，这种广播介质属于稀缺资源。在无线传感器网络中，可能有多个节点设备同时接入信道，导致分组之间相互冲突，使接收方难以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道资源，导致网络吞吐量下降。为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制(MediumAccessControl，MAC)协议。所谓MAC协议就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。Slide5物联网技术概论(1)采用分布式控制还是集中控制；(2)使用单一共享信道还是多个信道；(3)采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。目前无线传感器网络MAC协议可以按照下列条件进行分类：Slide6物联网技术概论本书根据上述的第三种分类方法，将传感器网络的MAC协议分为以下三种：(1)时分复用无竞争接入方式(分配型）。无线信道时分复用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)方式给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。Slide7物联网技术概论(2)随机竞争接入方式（竞争型）。如果采用无线信道的随机竞争接入方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)的MAC协议。Slide8物联网技术概论(3)竞争与固定分配相结合的接入方式（混合型）。通过混合采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道分配。Slide9物联网技术概论无线传感器网络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！Slide10物联网技术概论基于竞争的随机访问MAC协议采用按需使用信道的方式，它的基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问(CSMA)接入方式。在无线局域网IEEE802.11MAC协议的分布式协调工作模式中，就采用了带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMAwithCollisionAvoidance，CSMA/CA)协议，它是基于竞争的无线网络MAC协议的典型代表。Slide11物联网技术概论CSMA几种模式•1-坚持CSMA(1-persistentCSMA):当信道忙或发生冲突时,要发送帧的站,不断持续侦听,一有空闲,便可发送.其中,长的传播延迟和同时发送帧,会导致多次冲突,降低系统性能.•非坚持CSMA:它并不持续侦听信道,而是在冲突时,等待随机的一段时间.它有更好的信道利用率,但导致更长延迟.•p-坚持CSMA:它应用于分槽信道,按照P概率发送帧.即信道空闲时,这个时槽,欲发送的站P概率发送,Q=1-P概率不发送.若不发送,下一时槽仍空闲,同理进行发送.若信道忙,则等待下一时槽,若冲突,则等待随机的一段时间,重新开始.Slide12物联网技术概论所谓的CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。在IEEE802.11MAC协议基础上，人们设计出适用于传感器网络的多种MAC协议。下面首先介绍IEEE802.1lMAC协议的内容，然后介绍一种适用于无线传感器网络的典型MAC协议。Slide13物联网技术概论IEEE802.11MAC协议分为分布式协调功能(DistributedCoordinationFunction,DCF)和点协调功能(PointCoordinationFunction，PCF)两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11协议的基本访问控制方式。IEEE802.11MAC协议Slide14物联网技术概论在DCF工作方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。物理载波侦听由物理层提供，虚拟载波侦听由MAC层提供。ABCDRTS数据CTSACKNAVNAVSlide15物联网技术概论IEEE802.11MAC协议规定了三种基本帧间间隔(InterFrameSpace，IFS)，用来提供访问无线信道的优先级：（1）SIFS(shortIFS)：最短帧间间隔。（2）PIFS(PCFIFS)：PCF方式下节点使用的帧间间隔。（3）DIFS(DCFIFS)：DCF方式下节点使用的帧间问隔。Slide16物联网技术概论根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。当信道空闲时间大于DIF时使用信道DIFSPIFSSIFS信道忙竞争窗口退避窗口下一帧时间槽时间DIFS推迟发送Slide17物联网技术概论随机退避时间按下面公式进行计算：退避时间=Random()×aSlottime其中，Random()是在竞争窗口[0，CW]内均匀分布的伪随机整数；CW是整数随机数，它的数值位于标准规定的aCWmin和aCWmax之间；aSlottime是一个时槽时间，包括发射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。Slide18物联网技术概论网络节点在进入退避状态时，启动一个退避计时器，当计时达到退避时间后结束退避状态。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时才进行计时。如果信道忙，退避计时器中止计时，直到检测到信道空闲时间大于DIFS后才继续计时。当多个节点推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者。节点A节点B节点C节点D推迟推迟推迟竞争窗口帧帧节点EDIFS推迟竞争窗口帧竞争窗口帧帧竞争窗口退避时间剩余退避时间Slide19物联网技术概论802.11MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制业提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)时，必须向源节点发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIFS帧间隔。主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播和广播报文传输。RTSDATACTSACK竞争窗口下一帧DIFSDIFS源站点SIFS目的站点NAV(RTS)NAV(CTS)其他站点Slide20物联网技术概论•S-MACSlide21物联网技术概论典型MAC协议：S-MAC协议这里介绍一种适用于无线传感器网络的比较典型的MAC协议，即S-MAC协议(SensorMAC)。这种协议是在802.1lMAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的。S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗。Slide22物联网技术概论SMAC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Slide23物联网技术概论（1）周期性侦听和睡眠机制S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。监听/睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省能量。当然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。Slide24物联网技术概论具有相同调度的节点形成一个所谓的虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。如果传感器网络的部署范围较广，可能形成众多不同的虚拟簇，使得S-MAC协议具有良好的可扩展性。为了适应新加入节点，每个节点要定期广播自己的调度信息，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。如果节点同时收到两种不同的调度，如图所示的处于两个不同调度区域重合部分的节点，那么这个节点可以选择先收到的调度，并记录另一个调度信息。Slide25物联网技术概论（2）流量自适应侦听机制流量自适应侦听机制的基本思想是在一次通信过程中，通信节点的邻居在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内接收到RTS分组，则可以立刻接收数据，无须等到下一次调度侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。如果在这段时间内没有接收到RTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。Slide26物联网技术概论（3）冲突和串音避免机制为了减少冲突和避免串音，S-MAC协议采用了与802.11MAC协议类似的虚拟和物理载波监听机制，以及RTS/CTS握手交互机制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程时，执行S-MAC协议的节点进入睡眠状态。Slide27物联网技术概论（4）消息传递机制S-MAC协议采用了消息传递机制，可以很好地支持长消息的发送。由于无线信道的传输差错与消息长度成正比，短消息传输成功的概率要大于长消息。消息传递机制根据这一原理，将长消息分为若干个短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手机制预约这个长消息发送的时间，集中连续发送全部短消息。这样既可以减少控制报文的开销，又可以提高消息发送的成功率。Slide28物联网技术概论S-MAC与IEEE802.11MAC协议的突发分组传送RTS21Data19Data17CTS20Data1…ACK18ACK16…ACK0S-MACRTS3Data3Data3CTS2Data1…ACK2ACK2…ACK0IEEE802.11Slide29物联网技术概论S-MAC•周期性的侦听/睡眠的低占空比方式•虚拟簇的调度方式•自适应流量的侦听机制：通信结束继续侦听一段时间•串音避免：RTS/CTS/DATA/ACK•不足：延迟受限于帧长度，不适合实时业务周期性的侦听、睡眠方式虚拟簇的调度方式Slide30物联网技术概论•T-MACSlide31物联网技术概论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Slide32物联网技术概论T-MAC•与S-MAC一样周期性侦听同步，周期性广播SYNC帧•发送RTS未收到CTS再发送一次•TA竞争信道时间+RTS发送时间+CTS准备时间Slide33物联网技术概论T-MAC协议-早睡问题•早睡问题：邻居在准备向其发送数据时进入了睡眠状态数据流向依次为A-B-C-D(传输距离假设1跳）ABCDSlide34物联网技术概论早睡问题解决办法•未来请求发送（Futrue-request-tosend)：DSSlide35物联网技术概论早睡问题解决办法•早睡问题解决办法–满缓冲区优先图3-8接收RTS节点优先ABCContendTARTSCTSDATAACKDContendContendRTSSlide36物联网技术概论•B-MACSlide37物联网技术概