无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第3章

1第3章MAC层协议3.1概述3.2竞争型MAC协议3.3分配型MAC协议3.4混合型MAC协议3.5MAC层与跨层设计小结2本章目标理解MAC层功能。掌握MAC层帧结构。理解竞争型MAC协议。掌握SMAC、TMAC、PMAC协议。理解分配型MAC协议。掌握SMACS、TRAMA、DMAC协议。理解混合型MAC协议。掌握ZMAC协议。了解MAC层跨层设计。3学习导航4无线传感器网络中信号的传输主要依靠无线信道，介质访问控制(MAC)协议决定无线信道的使用方式。MAC协议通过传感器节点之间分配和共享有限的无线信道资源，构建起无线传感器网络通信系统的底层基础结构。3.1概述53.1.1功能概述IEEE802.15.4标准定义MAC子层具有以下几项功能：采用CSMA/CA机制来访问信道。PAN(PersonalAreaNetwork，个域网)的建立和维护。支持PAN网络的关联(加入网络)和解除关联(退出网络)。协调器产生网络信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步。处理和维护保证GTS(GuaranteedTimeSlot，同步时隙)。在两个对等MAC实体间提供可靠链路。6MAC层包括MAC层管理实体(MLME)，可以提供调用MAC层管理功能的管理服务接口，同时还负责维护MAC-PAN信息库(MAC-PIB)。MAC层参考模型如图3-1所示。7图3-1MAC层参考模型8MAC层通过MAC公共部分子层(MCPS)的数据SAP(MCPS-SAP)提供MAC数据服务；通过MLME-SAP提供MAC管理服务，这两种服务是通过物理层PD-SAP和物理层(PHY)之间的接口来实现的。除了这些外部接口外，MCPS和MLME之间还隐含了一个内部接口，用于MLME调用MAC管理服务。MAC子层具体实现如下功能。91.支持CSMA/CA的工作CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突检测)机制实际是在发送数据帧之前对信道进行预约，以免造成信道碰撞问题。CSMA/CA提供两种方式来对无线信道进行共享访问，工作流程分别如下：送出数据前，监听信道的使用情况，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后信道依然空闲，送出数据。由于每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。送出数据前，先送一段小小的请求传送RTS报文给目标端，等待目标端回应CTS报文后才开始传送。利用RTS/CTS握手程序，确保传送数据时不会碰撞。102. PAN的建立和维护在一个新设备上电的时候，如果设备不是协调器，它将通过扫描发现已有的网络，然后选择一个网络进行关联。如果是一个协调器设备，则扫描已有网络，选择空余的信道与合法的PANID(PersonalAreaNetworkID)，然后构建一个新网络。当一个设备在通信过程中与其关联的协调器失去同步，也需要通过扫描通知其协调器。为了实现这些功能，802.15.4标准专门定义了四种扫描：ED信道扫描(EDSCAN)、主动信道扫描(ActiveSCAN)、被动信道扫描(PassiveSCAN)和孤立信道扫描(OrphanChannelSCAN)。11相关原语为MLME-SCAN.request和MLME-SCAN.confirm。请求原语参数为扫描类型、扫描信道和扫描时间，确认原语返回扫描结果。123.关联和解除关联关联即设备加入一个网络，解除关联即设备从这个网络中退出。一般的设备(路由器或者终端节点)在启动完成扫描后，已经得到附近各个网络的参数，下一步就是选择一个合适的网络与协调器进行关联。在关联前，上层需要设置好相关的PIB参数(调用PIB参数设置原语)，如物理信道的选择、PANID、协调器地址等。134.信标帧的同步在信标帧使用的网络中(详见3.1.2节)，一般设备通过协调器信标帧的同步来得知协调器里是否有发送给自己的数据；另一方面，为了减少设备的功耗，设备需要知道信道何时进入不活跃时段，这样设备可以在不活跃时段关闭射频，而在协调器广播信标帧时打开射频。所有这些操作都需要与信标帧精确同步。143.1.2帧结构MAC帧，即MAC协议数据单元(MPDU)，是由一系列字段按照特定的顺序排列而成的。其设计目标是在保持低复杂度的前提下实现在噪声信道上的可靠数据传输。MAC层帧结构分为一般格式和特定格式。1. MAC帧的一般格式MAC帧的一般格式，即所有的MAC帧都由以下三部分组成：MAC帧头(MHR)、MAC有效载荷和MAC帧尾，如图3-2所示。15图3-2MAC帧的一般格式16MAC帧头部分由帧控制字段和帧序号字段组成；MAC有效载荷部分的长度与帧类型相关，确认帧的有效载荷部分长度为0；MAC帧尾是校验序列(FCS)。1)帧控制字段帧控制字段的长度为16位，共分为9个子域。帧控制字段格式如图3-3所示。17图3-3帧控制字段的格式18各子域内容说明如下：帧类型子域：占3位，000表示信标帧，001表示数据帧，010表示确认帧，011表示MAC命令帧，其他取值预留。安全使能子域：占1位，0表示MAC层没有对该帧做加密处理；1表示该帧使用了MACPIB中的密钥进行保护。数据待传指示：1表示在当前帧之后，发送设备还有数据要传送给接收设备，接收设备需要再发送数据请求命令来索取数据；0表示发送数据帧的设备没有更多的数据要传送给接收设备。19确认请求：占1位，1表示接收设备在接收到该数据帧或命令帧后，如果判断其为有效帧就要向发送设备反馈一个确认帧；0表示接收设备不需要反馈确认帧。网内/网际子域：占1位，表示该数据帧是否在同一PAN内传输，如果该指示位为1且存在源地址和目的地址，则MAC帧中将不包含源PAN标识码字段；如果该指示位为0且存在源地址和目的地址，则MAC帧中将包含PAN标识码和目的PAN标识码。20目的地址模式子域：占2位，00表示没有目的PAN标识码和目的地址，01预留，10表示目的地址是16位短地址，11表示目的地址是64位扩展地址。如果目的地址模式为00且帧类型域指示该帧不是确认帧或信标帧，则源地址模式应非零，暗指该帧是发送给PAN协调器的，PAN协调器的PAN标识码与源PAN标识码一致。源地址模式子域：占2位，00表示没有源PAN标识码和源地址，01预留，10表示源地址是16位短地址，11表示源地址是64位扩展地址。如果源地址模式为00且帧类型域指示该帧不是确认帧，则目的地址模式应非零，暗指该帧是由与目的PAN标识码一致的PAN协调器发出的。212)帧序号字段帧序号是MAC层为每帧制定的唯一顺序标识码，帧序号字段长度为8位。其中信标帧的序号是信标序号(BSN)。数据帧、确认帧或MAC命令帧的序号是数据信号(DSN)。3)目的PAN标识码字段目的PAN标识码字段长度为16位，它指定了帧的期望接收设备所在PAN的标识。只有帧控制字段中目的地址模式不为0时，帧结构中才存在目的PAN标识码字段。224)目的地址字段目的地址是帧的期望接收设备的地址。只有帧控制字段中目的地址模式非00时，帧结构中才存在目的地址字段。5)源PAN标识码字段源PAN标识码字段长度为16位，它制定了帧发送设备的PAN标识码。只有当帧控制字段中源地址模式值不为0，并且网内/网际指示位等于0时，帧结构中才包含有源PAN标识字段。一个设备的PAN标识码是初始关联到PAN时获得的，但是在解决PAN标识码冲突时可能会改变。236)源地址字段源地址是帧发送设备的地址。只有帧控制字段中的源地址模式非00时，帧结构中才存在源地址字段。7)帧有效载荷字段帧有效载荷字段的长度是可变的，因帧类型的不同而不同。如果帧控制字段中的安全使能位为1，则有效载荷长度是受到安全机制保护的数据。248) FCS字段FCS字段是对MAC帧头和有效载荷进行计算得到的16位CRC校验码。252. MAC帧特定格式MAC帧特定格式包括信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。1)信标帧信标帧实现网络中设备的同步工作和休眠，建立PAN主协调器。信标帧格式如图3-4所示。26图3-4信标帧格式27信标帧包括MAC帧头、有效载荷和帧尾。其中帧头由帧控制字段、序号和地址信息字段组成，信标帧中的地址信息只包含源设备的PANID和地址。负载数据单元由四部分组成，即超帧、GTS、待处理地址和信标有效载荷。超帧：指定发送信标的时间间隔、是否发送信标以及是否允许关联。信标帧中的超帧描述字段规定了这个超帧的持续时间、活跃部分持续时间以及竞争访问时段持续时间等信息。超帧是根据MAC协议的需求来定义的，不同的MAC协议其超帧结构也不同。28GTS分配字段：GTS分配字段长度是8位，其中位0～2是GTS描述计数器子域，位3～6预留，位7是GTS子域。GTS分配字段将无竞争时段划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给每个设备。待处理地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址。一个设备如果发现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里，则意味着协调器存有属于它的数据，所以它就会向协调器发出请求传送数据的MAC帧。信标帧有效载荷：信标帧载荷数据为上层协议提供数据传输接口。292)数据帧数据帧用于传输上层发到MAC子层的数据。数据帧的格式如图3-5所示。图3-5数据帧的格式30它的负载字段包含了上层需要传送的数据。数据负载传送至MAC子层时，被称为MAC服务数据单元。它的首尾被分别附加了MHR头信息和MFR尾信息。3)确认帧确认帧的格式如图3-6所示，由帧头(MHR)和帧尾(MFR)组成。其中，确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。31图3-6确认帧的格式324)命令帧命令帧用于组建PAN网络，并传输同步数据，命令帧的格式如图3-7所示。其中，命令帧标识字段指示所使用的MAC命令，其取值范围为0x01～0x09。图3-7命令帧的格式33MAC命令帧的帧头部分包括帧控制字段、帧序号字段和地址信息字段。命令帧标识字段指示所使用的MAC命令，标识的命令名称如所示。34表3-1命令帧的标识及其对应的命令名称命令帧标识命令名称0x01关联请求0x02关联响应0x03解关联通知0x04数据请求0x05PANID冲突通知0x06孤立通知0x07信标请求0x08协调器重排列0x09GTS请求0x0A～0xFF预留353.1.3分类目前无线传感器网络研究领域出现大量关于MAC协议的研究成果。从不同的角度，MAC协议的分类有多种方法：根据MAC使用信道数目可分为基于单信道、基于双信道和基于多信道。根据MAC协议分配信道的方式可以分为竞争型、分配型和混合型。根据网络类型是同步网络或异步网络可以将MAC协议分为同步和异步。36本书采用根据MAC协议分配信道的方式来进行分类，分别介绍竞争型、分配型及混合型MAC协议。对每一种类型具有代表性的MAC协议将详细讲解其基本思想、关键技术和核心算法。37竞争型MAC协议中，一般所有节点共享一个信道。基于竞争型MAC协议的基本思想是：当无线节点需要发送数据时，主动抢占无线信道，当在其通信范围内的其他无线节点需要发送数据时，也会发起对无线信道的抢占，这就需要相应的机制来保证任一时刻在通信区域内只有一个无线节点获得信道的使用权。基于竞争的MAC协议具有以下优点：3.2竞争型MAC协议38可根据需要分配信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化。能较好地适应网络拓扑的变化。不需要复杂的时间同步或控制调度算法。比较有代表性的竞争型MAC协议有SMAC协议、TMAC协议和PMAC协议。393.2.1SMAC协议SMAC(SensorMAC)协议是较早提出的一种基于竞争的无线传感器网络MAC协议。该协议继承了802.11MAC协议的基本思想，并在此基础上加以改进，以无线传感器网络的能量效率为设计目标，较好地解决了能量问题，同时兼顾网络的可扩展性。401.基本思想对于如何减小无线传感器网络节点的能量消耗，不少MAC协议提出了相应的解决办法。其中最基本的思想就是：当节点不需要发送数据时，尽可能地让它处于功耗较低的睡眠状态。SMAC协议提出了“适合于多跳无线传感器网络的竞争型MAC协议的节