第3章 MAC層協(xié)議PPT學(xué)習(xí)課件.ppt

第3章MAC層協(xié)議,3.1概述3.2競爭型MAC協(xié)議3.3分配型MAC協(xié)議3.4混合型MAC協(xié)議3.5MAC層與跨層設(shè)計(jì)小結(jié),本章目標(biāo)理解MAC層功能。掌握MAC層幀結(jié)構(gòu)。理解競爭型MAC協(xié)議。掌握SMAC、TMAC、PMAC協(xié)議。理解分配型MAC協(xié)議。掌握SMACS、TRAMA、DMAC協(xié)議。理解混合型MAC協(xié)議。掌握ZMAC協(xié)議。了解MAC層跨層設(shè)計(jì)。,學(xué)習(xí)導(dǎo)航,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信號的傳輸主要依靠無線信道，介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議決定無線信道的使用方式。MAC協(xié)議通過傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配和共享有限的無線信道資源，構(gòu)建起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。,3.1概述,3.1.1功能概述IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義MAC子層具有以下幾項(xiàng)功能：采用CSMA/CA機(jī)制來訪問信道。PAN(PersonalAreaNetwork，個域網(wǎng))的建立和維護(hù)。支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)(加入網(wǎng)絡(luò))和解除關(guān)聯(lián)(退出網(wǎng)絡(luò))。協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步。處理和維護(hù)保證GTS(GuaranteedTimeSlot，同步時(shí)隙)。在兩個對等MAC實(shí)體間提供可靠鏈路。,MAC層包括MAC層管理實(shí)體(MLME)，可以提供調(diào)用MAC層管理功能的管理服務(wù)接口，同時(shí)還負(fù)責(zé)維護(hù)MAC-PAN信息庫(MAC-PIB)。MAC層參考模型如圖3-1所示。,圖3-1MAC層參考模型,MAC層通過MAC公共部分子層(MCPS)的數(shù)據(jù)SAP(MCPS-SAP)提供MAC數(shù)據(jù)服務(wù)；通過MLME-SAP提供MAC管理服務(wù)，這兩種服務(wù)是通過物理層PD-SAP和物理層(PHY)之間的接口來實(shí)現(xiàn)的。除了這些外部接口外，MCPS和MLME之間還隱含了一個內(nèi)部接口，用于MLME調(diào)用MAC管理服務(wù)。MAC子層具體實(shí)現(xiàn)如下功能。,1.支持CSMA/CA的工作CSMA/CA(載波偵聽多路訪問/沖突檢測)機(jī)制實(shí)際是在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前對信道進(jìn)行預(yù)約，以免造成信道碰撞問題。CSMA/CA提供兩種方式來對無線信道進(jìn)行共享訪問，工作流程分別如下：送出數(shù)據(jù)前，監(jiān)聽信道的使用情況，維持一段時(shí)間后，再等待一段隨機(jī)的時(shí)間后信道依然空閑，送出數(shù)據(jù)。由于每個設(shè)備采用的隨機(jī)時(shí)間不同，所以可以減少沖突的機(jī)會。送出數(shù)據(jù)前，先送一段小小的請求傳送RTS報(bào)文給目標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng)CTS報(bào)文后才開始傳送。利用RTS/CTS握手程序，確保傳送數(shù)據(jù)時(shí)不會碰撞。,2.PAN的建立和維護(hù)在一個新設(shè)備上電的時(shí)候，如果設(shè)備不是協(xié)調(diào)器，它將通過掃描發(fā)現(xiàn)已有的網(wǎng)絡(luò)，然后選擇一個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。如果是一個協(xié)調(diào)器設(shè)備，則掃描已有網(wǎng)絡(luò)，選擇空余的信道與合法的PANID(PersonalAreaNetworkID)，然后構(gòu)建一個新網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個設(shè)備在通信過程中與其關(guān)聯(lián)的協(xié)調(diào)器失去同步，也需要通過掃描通知其協(xié)調(diào)器。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，802.15.4標(biāo)準(zhǔn)專門定義了四種掃描：ED信道掃描(EDSCAN)、主動信道掃描(ActiveSCAN)、被動信道掃描(PassiveSCAN)和孤立信道掃描(OrphanChannelSCAN)。,相關(guān)原語為MLME-SCAN.request和MLME-SCAN.confirm。請求原語參數(shù)為掃描類型、掃描信道和掃描時(shí)間，確認(rèn)原語返回掃描結(jié)果。,3.關(guān)聯(lián)和解除關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)即設(shè)備加入一個網(wǎng)絡(luò)，解除關(guān)聯(lián)即設(shè)備從這個網(wǎng)絡(luò)中退出。一般的設(shè)備(路由器或者終端節(jié)點(diǎn))在啟動完成掃描后，已經(jīng)得到附近各個網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，下一步就是選擇一個合適的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在關(guān)聯(lián)前，上層需要設(shè)置好相關(guān)的PIB參數(shù)(調(diào)用PIB參數(shù)設(shè)置原語)，如物理信道的選擇、PANID、協(xié)調(diào)器地址等。,4.信標(biāo)幀的同步在信標(biāo)幀使用的網(wǎng)絡(luò)中(詳見3.1.2節(jié))，一般設(shè)備通過協(xié)調(diào)器信標(biāo)幀的同步來得知協(xié)調(diào)器里是否有發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)；另一方面，為了減少設(shè)備的功耗，設(shè)備需要知道信道何時(shí)進(jìn)入不活躍時(shí)段，這樣設(shè)備可以在不活躍時(shí)段關(guān)閉射頻，而在協(xié)調(diào)器廣播信標(biāo)幀時(shí)打開射頻。所有這些操作都需要與信標(biāo)幀精確同步。,3.1.2幀結(jié)構(gòu)MAC幀，即MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)，是由一系列字段按照特定的順序排列而成的。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在保持低復(fù)雜度的前提下實(shí)現(xiàn)在噪聲信道上的可靠數(shù)據(jù)傳輸。MAC層幀結(jié)構(gòu)分為一般格式和特定格式。1.MAC幀的一般格式MAC幀的一般格式，即所有的MAC幀都由以下三部分組成：MAC幀頭(MHR)、MAC有效載荷和MAC幀尾，如圖3-2所示。,圖3-2MAC幀的一般格式,MAC幀頭部分由幀控制字段和幀序號字段組成；MAC有效載荷部分的長度與幀類型相關(guān)，確認(rèn)幀的有效載荷部分長度為0；MAC幀尾是校驗(yàn)序列(FCS)。1)幀控制字段幀控制字段的長度為16位，共分為9個子域。幀控制字段格式如圖3-3所示。,圖3-3幀控制字段的格式,各子域內(nèi)容說明如下：幀類型子域：占3位，000表示信標(biāo)幀，001表示數(shù)據(jù)幀，010表示確認(rèn)幀，011表示MAC命令幀，其他取值預(yù)留。安全使能子域：占1位，0表示MAC層沒有對該幀做加密處理；1表示該幀使用了MACPIB中的密鑰進(jìn)行保護(hù)。數(shù)據(jù)待傳指示：1表示在當(dāng)前幀之后，發(fā)送設(shè)備還有數(shù)據(jù)要傳送給接收設(shè)備，接收設(shè)備需要再發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令來索取數(shù)據(jù)；0表示發(fā)送數(shù)據(jù)幀的設(shè)備沒有更多的數(shù)據(jù)要傳送給接收設(shè)備。,確認(rèn)請求：占1位，1表示接收設(shè)備在接收到該數(shù)據(jù)幀或命令幀后，如果判斷其為有效幀就要向發(fā)送設(shè)備反饋一個確認(rèn)幀；0表示接收設(shè)備不需要反饋確認(rèn)幀。網(wǎng)內(nèi)/網(wǎng)際子域：占1位，表示該數(shù)據(jù)幀是否在同一PAN內(nèi)傳輸，如果該指示位為1且存在源地址和目的地址，則MAC幀中將不包含源PAN標(biāo)識碼字段；如果該指示位為0且存在源地址和目的地址，則MAC幀中將包含PAN標(biāo)識碼和目的PAN標(biāo)識碼。,目的地址模式子域：占2位，00表示沒有目的PAN標(biāo)識碼和目的地址，01預(yù)留，10表示目的地址是16位短地址，11表示目的地址是64位擴(kuò)展地址。如果目的地址模式為00且?guī)愋陀蛑甘驹搸皇谴_認(rèn)幀或信標(biāo)幀，則源地址模式應(yīng)非零，暗指該幀是發(fā)送給PAN協(xié)調(diào)器的，PAN協(xié)調(diào)器的PAN標(biāo)識碼與源PAN標(biāo)識碼一致。源地址模式子域：占2位，00表示沒有源PAN標(biāo)識碼和源地址，01預(yù)留，10表示源地址是16位短地址，11表示源地址是64位擴(kuò)展地址。如果源地址模式為00且?guī)愋陀蛑甘驹搸皇谴_認(rèn)幀，則目的地址模式應(yīng)非零，暗指該幀是由與目的PAN標(biāo)識碼一致的PAN協(xié)調(diào)器發(fā)出的。,2)幀序號字段幀序號是MAC層為每幀制定的唯一順序標(biāo)識碼，幀序號字段長度為8位。其中信標(biāo)幀的序號是信標(biāo)序號(BSN)。數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀或MAC命令幀的序號是數(shù)據(jù)信號(DSN)。3)目的PAN標(biāo)識碼字段目的PAN標(biāo)識碼字段長度為16位，它指定了幀的期望接收設(shè)備所在PAN的標(biāo)識。只有幀控制字段中目的地址模式不為0時(shí)，幀結(jié)構(gòu)中才存在目的PAN標(biāo)識碼字段。,4)目的地址字段目的地址是幀的期望接收設(shè)備的地址。只有幀控制字段中目的地址模式非00時(shí)，幀結(jié)構(gòu)中才存在目的地址字段。5)源PAN標(biāo)識碼字段源PAN標(biāo)識碼字段長度為16位，它制定了幀發(fā)送設(shè)備的PAN標(biāo)識碼。只有當(dāng)幀控制字段中源地址模式值不為0，并且網(wǎng)內(nèi)/網(wǎng)際指示位等于0時(shí)，幀結(jié)構(gòu)中才包含有源PAN標(biāo)識字段。一個設(shè)備的PAN標(biāo)識碼是初始關(guān)聯(lián)到PAN時(shí)獲得的，但是在解決PAN標(biāo)識碼沖突時(shí)可能會改變。,6)源地址字段源地址是幀發(fā)送設(shè)備的地址。只有幀控制字段中的源地址模式非00時(shí)，幀結(jié)構(gòu)中才存在源地址字段。7)幀有效載荷字段幀有效載荷字段的長度是可變的，因幀類型的不同而不同。如果幀控制字段中的安全使能位為1，則有效載荷長度是受到安全機(jī)制保護(hù)的數(shù)據(jù)。,8)FCS字段FCS字段是對MAC幀頭和有效載荷進(jìn)行計(jì)算得到的16位CRC校驗(yàn)碼。,2.MAC幀特定格式MAC幀特定格式包括信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和命令幀。1)信標(biāo)幀信標(biāo)幀實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的同步工作和休眠，建立PAN主協(xié)調(diào)器。信標(biāo)幀格式如圖3-4所示。,圖3-4信標(biāo)幀格式,信標(biāo)幀包括MAC幀頭、有效載荷和幀尾。其中幀頭由幀控制字段、序號和地址信息字段組成，信標(biāo)幀中的地址信息只包含源設(shè)備的PANID和地址。負(fù)載數(shù)據(jù)單元由四部分組成，即超幀、GTS、待處理地址和信標(biāo)有效載荷。超幀：指定發(fā)送信標(biāo)的時(shí)間間隔、是否發(fā)送信標(biāo)以及是否允許關(guān)聯(lián)。信標(biāo)幀中的超幀描述字段規(guī)定了這個超幀的持續(xù)時(shí)間、活躍部分持續(xù)時(shí)間以及競爭訪問時(shí)段持續(xù)時(shí)間等信息。超幀是根據(jù)MAC協(xié)議的需求來定義的，不同的MAC協(xié)議其超幀結(jié)構(gòu)也不同。,GTS分配字段：GTS分配字段長度是8位，其中位02是GTS描述計(jì)數(shù)器子域，位36預(yù)留，位7是GTS子域。GTS分配字段將無競爭時(shí)段劃分為若干個GTS，并把每個GTS具體分配給每個設(shè)備。待處理地址：列出了與協(xié)調(diào)者保存的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的設(shè)備地址。一個設(shè)備如果發(fā)現(xiàn)自己的地址出現(xiàn)在待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段里，則意味著協(xié)調(diào)器存有屬于它的數(shù)據(jù)，所以它就會向協(xié)調(diào)器發(fā)出請求傳送數(shù)據(jù)的MAC幀。信標(biāo)幀有效載荷：信標(biāo)幀載荷數(shù)據(jù)為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口。,2)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀用于傳輸上層發(fā)到MAC子層的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀的格式如圖3-5所示。,圖3-5數(shù)據(jù)幀的格式,它的負(fù)載字段包含了上層需要傳送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)負(fù)載傳送至MAC子層時(shí)，被稱為MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元。它的首尾被分別附加了MHR頭信息和MFR尾信息。3)確認(rèn)幀確認(rèn)幀的格式如圖3-6所示，由幀頭(MHR)和幀尾(MFR)組成。其中，確認(rèn)幀的序列號應(yīng)該與被確認(rèn)幀的序列號相同，并且負(fù)載長度為0。,圖3-6確認(rèn)幀的格式,4)命令幀命令幀用于組建PAN網(wǎng)絡(luò)，并傳輸同步數(shù)據(jù)，命令幀的格式如圖3-7所示。其中，命令幀標(biāo)識字段指示所使用的MAC命令，其取值范圍為0 x010 x09。,圖3-7命令幀的格式,MAC命令幀的幀頭部分包括幀控制字段、幀序號字段和地址信息字段。命令幀標(biāo)識字段指示所使用的MAC命令，標(biāo)識的命令名稱如所示。,表3-1命令幀的標(biāo)識及其對應(yīng)的命令名稱,3.1.3分類目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域出現(xiàn)大量關(guān)于MAC協(xié)議的研究成果。從不同的角度，MAC協(xié)議的分類有多種方法：根據(jù)MAC使用信道數(shù)目可分為基于單信道、基于雙信道和基于多信道。根據(jù)MAC協(xié)議分配信道的方式可以分為競爭型、分配型和混合型。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型是同步網(wǎng)絡(luò)或異步網(wǎng)絡(luò)可以將MAC協(xié)議分為同步和異步。,本書采用根據(jù)MAC協(xié)議分配信道的方式來進(jìn)行分類，分別介紹競爭型、分配型及混合型MAC協(xié)議。對每一種類型具有代表性的MAC協(xié)議將詳細(xì)講解其基本思想、關(guān)鍵技術(shù)和核心算法。,競爭型MAC協(xié)議中，一般所有節(jié)點(diǎn)共享一個信道。基于競爭型MAC協(xié)議的基本思想是：當(dāng)無線節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主動搶占無線信道，當(dāng)在其通信范圍內(nèi)的其他無線節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，也會發(fā)起對無線信道的搶占，這就需要相應(yīng)的機(jī)制來保證任一時(shí)刻在通信區(qū)域內(nèi)只有一個無線節(jié)點(diǎn)獲得信道的使用權(quán)?；诟偁幍腗AC協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)：,3.2競爭型MAC協(xié)議,可根據(jù)需要分配信道，所以這種協(xié)議能較好地滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化。能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?。不需要?fù)雜的時(shí)間同步或控制調(diào)度算法。比較有代表性的競爭型MAC協(xié)議有SMAC協(xié)議、TMAC協(xié)議和PMAC協(xié)議。,3.2.1SMAC協(xié)議SMAC(SensorMAC)協(xié)議是較早提出的一種基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。該協(xié)議繼承了802.11MAC協(xié)議的基本思想，并在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量效率為設(shè)計(jì)目標(biāo)，較好地解決了能量問題，同時(shí)兼顧網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。,1.基本思想對于如何減小無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，不少M(fèi)AC協(xié)議提出了相應(yīng)的解決辦法。其中最基本的思想就是：當(dāng)節(jié)點(diǎn)不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，盡可能地讓它處于功耗較低的睡眠狀態(tài)。SMAC協(xié)議提出了“適合于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的競爭型MAC協(xié)議的節(jié)能方法”，其節(jié)能方法如下：采用周期性睡眠和監(jiān)聽方法可減少空閑監(jiān)聽帶來的能量消耗。對周期性睡眠和監(jiān)聽的調(diào)度進(jìn)行同步。同步節(jié)點(diǎn)采用相同的調(diào)度形成虛擬簇，可同時(shí)進(jìn)行周期性睡眠和監(jiān)聽，因而適用于多跳網(wǎng)絡(luò)。,當(dāng)節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)幀特殊字段讓每個與此通信無關(guān)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以減少串?dāng)_帶來的能量消耗。采用消息傳遞機(jī)制，減少控制數(shù)據(jù)帶來的能量損耗。,2.關(guān)鍵技術(shù)1)周期性監(jiān)聽與睡眠SMAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)協(xié)同進(jìn)行周期性監(jiān)聽和睡眠的狀態(tài)切換，確保節(jié)點(diǎn)能同步進(jìn)行監(jiān)聽和睡眠調(diào)度，而不是各個節(jié)點(diǎn)各自發(fā)行隨機(jī)的睡眠和監(jiān)聽，周期性監(jiān)聽和睡眠的時(shí)間之和為一個調(diào)度周期。節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同進(jìn)行周期性監(jiān)聽和睡眠調(diào)度、保持同步監(jiān)聽和睡眠的基本原理是：每個傳感器節(jié)點(diǎn)開始工作時(shí)，需要先選擇一種調(diào)度方式。調(diào)度方式是指節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)聽和睡眠的時(shí)間表，如圖3-8所示。,圖3-8周期性監(jiān)聽和睡眠時(shí)間表,節(jié)點(diǎn)根據(jù)此時(shí)間表進(jìn)行周期性監(jiān)聽和睡眠調(diào)度，其步驟如下：節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)聽一個固定的時(shí)間段，其長度至少是一個調(diào)度周期。如果在該時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)沒有收到鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)來用于同步的SYNC數(shù)據(jù)包(即同步數(shù)據(jù)包)，節(jié)點(diǎn)馬上就選擇一個本地默認(rèn)的調(diào)度方式。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)將自己的調(diào)度方式以AYNC數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行廣播，SYNC數(shù)據(jù)包的發(fā)送采用CSMA/CA機(jī)制。,節(jié)點(diǎn)在開始監(jiān)聽的固定時(shí)間段內(nèi)接收到鄰居發(fā)來的SYNC數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)存儲該調(diào)度方式信息，并采用此調(diào)度方式進(jìn)行周期性監(jiān)聽和睡眠，在以后的調(diào)度周期中也將廣播自己采用的調(diào)度方式。節(jié)點(diǎn)在開始周期性調(diào)度后接收不到不同的調(diào)度方式的SYNC數(shù)據(jù)包，有兩種情形：如果節(jié)點(diǎn)只有一個鄰居節(jié)點(diǎn)，那么節(jié)點(diǎn)放棄自己當(dāng)前的調(diào)度方式，即保持更大長度的監(jiān)聽時(shí)間；如果節(jié)點(diǎn)還有其他鄰居節(jié)點(diǎn)，那么節(jié)點(diǎn)將融合這兩種調(diào)度方式，即保持更大長度的監(jiān)聽時(shí)間。,圖3-9SMAC協(xié)議虛擬簇,調(diào)度方式相同的節(jié)點(diǎn)組成虛擬簇，融合有兩種調(diào)度方式的節(jié)點(diǎn)位于簇與簇的交界處，是簇的邊界節(jié)點(diǎn)，邊界節(jié)點(diǎn)記錄兩個或者多個調(diào)度。在部署區(qū)域廣闊的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能夠形成眾多不同的虛擬簇，可使得SMAC協(xié)議具有良好的擴(kuò)展性。為了適應(yīng)新加入的節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都要定期廣播自己的調(diào)度，使新節(jié)點(diǎn)可以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步。如果一個節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到兩種不同的調(diào)度，即處于兩個不同調(diào)度區(qū)域重合部分的節(jié)點(diǎn)，那么這個節(jié)點(diǎn)可以選擇先收到其中的一個調(diào)度，并記錄另一個調(diào)度信息。SMAC協(xié)議虛擬簇如圖3-9所示。,2)自適應(yīng)監(jiān)聽傳感器網(wǎng)絡(luò)往往采用多跳信道，而節(jié)點(diǎn)的周期性睡眠會導(dǎo)致通信延遲的累加，為了減少通信延遲的累加效應(yīng)，SMAC采用了一種流量自適應(yīng)監(jiān)聽機(jī)制。其基本思想是在一次通信過程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)在此次通信結(jié)束后喚醒并保持監(jiān)聽一段時(shí)間。如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間接收到RTS幀，則可以立即接收數(shù)據(jù)，而不需要等到下一個監(jiān)聽周期，從而減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。,3)串?dāng)_避免為了減少碰撞和避免串音，SMAC協(xié)議采用RTS/CTS的通告機(jī)制。在RTS/CTS幀中都帶有目的地址和本次通信的持續(xù)時(shí)間信息，接收到該幀后，如果發(fā)現(xiàn)目的地址不是本地地址，節(jié)點(diǎn)馬上進(jìn)入睡眠狀態(tài)，并將此次通信的持續(xù)時(shí)間存儲到本地網(wǎng)絡(luò)分配向量(NetworkAllocationVector，NAV)中，NAV會隨著本地時(shí)鐘的運(yùn)行遞減。在NAV值非零期間，節(jié)點(diǎn)都處于睡眠轉(zhuǎn)態(tài)，這就很大程度避免了串?dāng)_數(shù)據(jù)包的接收。,4)消息傳遞在發(fā)送比較長的消息時(shí)，由于幾個比特錯誤造成重傳，則會造成較大的延時(shí)和能量損耗。但如果簡單地將長包分段，又會由于RTS/CTS的使用形成過多的控制開銷，SMAC提出了“消息傳遞”機(jī)制：將長的信息分成若干個DATA，每段DATA都有一個ACK，并將它們一次傳遞，但是只使用一個RTS/CTS控制。在該機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)為整個傳輸預(yù)留信道，當(dāng)一個分段沒有收到ACK響應(yīng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)便自動將信道預(yù)留向后延長一個分段傳輸時(shí)間，并重傳該分段，整個傳輸過程中的DATA和ACK都帶有通信剩余時(shí)間信息，鄰居節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)此時(shí)間信息避免串?dāng)_。,3.2.2TMAC協(xié)議TMAC(TimeoutMAC)協(xié)議是在SMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是減少能量的消耗，在空閑監(jiān)聽、碰撞和串音等浪費(fèi)能量的因素中，空閑監(jiān)聽的能量占絕對大的比例，特別是在消息傳輸頻率較低的情況下。TMAC協(xié)議與SMAC協(xié)議相比解決了空閑監(jiān)聽所帶來的能量消耗。1.基本思想SMAC協(xié)議通過采用周期性監(jiān)聽/睡眠工作方式來減少空閑監(jiān)聽，周期長度是固定不變的，節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽活動時(shí)間也是固定的；,而TMAC協(xié)議在周期長度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動態(tài)地調(diào)整活動時(shí)間，用突發(fā)的方式發(fā)送消息，減少空閑監(jiān)聽時(shí)間。SMAC和TMAC協(xié)議機(jī)制對比如圖3-10所示。,圖3-10SMAC和TMAC協(xié)議機(jī)制對比,圖3-10中，向上的箭頭表示發(fā)送消息，向下的箭頭表示接收消息。上面部分的消息流表示節(jié)點(diǎn)一直處于監(jiān)聽方式下的消息收發(fā)序列，TA表示監(jiān)聽時(shí)間。下面部分的消息流表示采用SMAC協(xié)議或者TMAC協(xié)議時(shí)的收發(fā)序列。從圖中可以看出，TMAC協(xié)議采用突發(fā)傳輸，比SMAC協(xié)議減少了空閑監(jiān)聽的時(shí)間，從而減少了功耗。,TMAC協(xié)議中每個節(jié)點(diǎn)都周期性地喚醒，進(jìn)入活躍狀態(tài)，和鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到下一周期的開始。節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行單播通信，使用RTS/CTS/DATA/ACK交互的方法，以確保避免沖突和可靠傳輸。在活躍狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)可能保持監(jiān)聽，也可能發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)在一個時(shí)間段TA內(nèi)沒有發(fā)生激活事件時(shí)，活躍狀態(tài)結(jié)束，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)激活時(shí)間是下列情況之一：周期時(shí)間定時(shí)器溢出。,物理層從無線信道接收到數(shù)據(jù)包。通過接收信號強(qiáng)度(RSSI)指示物理層當(dāng)前無線信道的使用情況。節(jié)點(diǎn)DATA幀或ACK幀發(fā)送完成。通過監(jiān)聽RTS/CTS幀，確認(rèn)鄰居的數(shù)據(jù)交換已經(jīng)結(jié)束。,2.關(guān)鍵技術(shù)1)周期性監(jiān)聽同步在TMAC協(xié)議中，每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性監(jiān)聽時(shí)，也需要同SMAC協(xié)議一樣通過調(diào)度的方式進(jìn)行同步，TAMC協(xié)議采用了與SMAC協(xié)議相同的機(jī)制，通過周期性發(fā)送同步幀來保持節(jié)點(diǎn)之間的同步，具體過程如下：節(jié)點(diǎn)上電啟動后，首先進(jìn)行一段時(shí)間的監(jiān)聽，如果該時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)沒有接收到同步幀，則節(jié)點(diǎn)選擇一個默認(rèn)的調(diào)度方式，并通過同步幀廣播該調(diào)度方式。TMAC協(xié)議中的同步幀包含發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址信息和下一次進(jìn)入活躍狀態(tài)需要等待的時(shí)間信息。,如果該時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收到同步幀，則節(jié)點(diǎn)采用該調(diào)度方式，設(shè)置下一次進(jìn)入活躍狀態(tài)的時(shí)間為同步幀中的時(shí)間值減去接收到同步幀需要的時(shí)間值。如果節(jié)點(diǎn)接收到不同的調(diào)度方式，則節(jié)點(diǎn)融合兩種調(diào)度方式，在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。為了保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，同SMAC協(xié)議一樣，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行周期性調(diào)度的過程中，必須保證經(jīng)過一定次數(shù)的調(diào)度后，節(jié)點(diǎn)在一個調(diào)度周期內(nèi)始終保持在監(jiān)聽狀態(tài)，確保節(jié)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)調(diào)度方式不同的鄰居節(jié)點(diǎn)。,2)RTS操作和TA的選擇當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀后，如果沒有接收到相應(yīng)的CTS幀，可能有以下三種情況：接收節(jié)點(diǎn)處發(fā)生碰撞，沒能正確接收RTS幀。接收節(jié)點(diǎn)在此之前已經(jīng)接收到串?dāng)_數(shù)據(jù)。接收節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有在監(jiān)聽時(shí)間TA內(nèi)接收到CTS幀，節(jié)點(diǎn)會進(jìn)入睡眠狀態(tài)，如果是前兩種情況下導(dǎo)致發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒有收到CTS幀，那么它將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但是它的接收節(jié)點(diǎn)還處于監(jiān)聽狀態(tài)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)此時(shí)進(jìn)行睡眠會增加睡眠的延遲。,因此節(jié)點(diǎn)在第一次發(fā)送RTS未能建立連接后，應(yīng)該再重復(fù)發(fā)送一次RTS。如果仍然沒有接收到CTS幀，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。TMAC協(xié)議中，當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)還處于通信狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)不應(yīng)該進(jìn)行睡眠，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可能是接下來數(shù)據(jù)的接收者。節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)串?dāng)_的RTS或CTS都能夠觸發(fā)一個新的監(jiān)聽間隔TA。為了確保節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)的串?dāng)_，TA的取值必須保證節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)串?dāng)_的CTS，所以TMAC協(xié)議規(guī)定TA的取值范圍如下：TAC+R+T(3-1),式中，C為信道競爭的時(shí)間，R為發(fā)送RTS所需要的時(shí)間，T為RTS發(fā)送結(jié)束到開始發(fā)送CTS的時(shí)間，所以TA的取值范圍如圖3-11所示。,圖3-11TMAC協(xié)議的基本數(shù)據(jù)交換,節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)，首先節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送RTS，然后節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C發(fā)送CTS幀，節(jié)點(diǎn)A收到CTS幀后開始向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)。由于節(jié)點(diǎn)C收到節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的CTS，節(jié)點(diǎn)C會觸發(fā)一個新的監(jiān)聽時(shí)間TA。,3.早睡問題及解決方法在采用周期性調(diào)度的MAC協(xié)議中，如果一個節(jié)點(diǎn)在鄰居節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向其發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入了睡眠狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“早睡”，如圖3-12所示。,圖3-12早睡問題,數(shù)據(jù)的傳輸方向?yàn)锳BCD，節(jié)點(diǎn)A通過競爭的方式獲得了與節(jié)點(diǎn)B通信的機(jī)會，節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)，首先節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送RTS，然后節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C發(fā)送CTS幀，當(dāng)C收到節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的CTS時(shí)，會觸發(fā)一個新的監(jiān)聽時(shí)間段TA，使節(jié)點(diǎn)C保持監(jiān)聽狀態(tài)。而節(jié)點(diǎn)D沒有發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間的通信，由于無法觸發(fā)新的TA，節(jié)點(diǎn)D會進(jìn)行睡眠。但節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間的通信結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)C獲得信道，但由于節(jié)點(diǎn)D此時(shí)已經(jīng)睡眠，所以必須等到節(jié)點(diǎn)D在下一次調(diào)度喚醒時(shí)才能進(jìn)行RTS/CTS交互。,為了解決早睡問題，TMAC協(xié)議提出了相應(yīng)的解決方法：未來請求發(fā)送(FutureRequest-To-Send，F(xiàn)RTS)，如圖3-13所示。,圖3-13FRTS幀交換,當(dāng)節(jié)點(diǎn)C收到節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的CTS后，立即向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送一個FRTS幀，F(xiàn)RTS幀包含節(jié)點(diǎn)D接收數(shù)據(jù)前需要等待的時(shí)間長度，節(jié)點(diǎn)D在此時(shí)間內(nèi)必須保持在監(jiān)聽狀態(tài)。此外，由于節(jié)點(diǎn)C發(fā)送的FRTS可以干擾節(jié)點(diǎn)A和B之間的通信，所以節(jié)點(diǎn)A需要將發(fā)送的數(shù)據(jù)延遲相應(yīng)的時(shí)間，節(jié)點(diǎn)A在接收到CTS幀之后發(fā)送一個和FRTS長度相同的DS幀，該幀不包含有用的信息，只為了保持節(jié)點(diǎn)A和B對信道的占用。,節(jié)點(diǎn)A在發(fā)送完DS幀之后立即向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)信息。由于采用了FRTS機(jī)制，TA需要增加一個CTS時(shí)間。FRTS方法可以提高吞吐量，減少延遲，但是增加了控制開銷，會降低TMAC協(xié)議的能量效率。TMAC協(xié)議較好地解決了空閑監(jiān)聽帶來的能量損耗問題，基于SMAC協(xié)議的基本思想，通過采用自適應(yīng)調(diào)度方法，TMAC協(xié)議能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化。對于自適應(yīng)調(diào)度方法帶來的早睡問題，給出的解決方法都有其局限性。,3.2.3PMAC協(xié)議SMAC協(xié)議和TMAC協(xié)議都在提高能量效率方面具有較好的性能，由于采用了占空比適應(yīng)調(diào)整的調(diào)度方式，TMAC協(xié)議在經(jīng)常變化的網(wǎng)絡(luò)中有更高的能量效率。但是TMAC協(xié)議引入了“早睡”問題，在延遲和帶寬利用方面性能不好。PMAC(Pattern-MAC)協(xié)議可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身的數(shù)據(jù)流量和其鄰居節(jié)點(diǎn)的流量模式自適應(yīng)地調(diào)整周期性調(diào)度方式的占空比，從而提高能量效率。其基本思想如下：在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量很小的情況下，節(jié)點(diǎn)最主要的能量損耗是空閑監(jiān)聽，,采用周期性調(diào)度方式的MAC協(xié)議都采取措施盡可能地減少這種能量損耗。PMAC協(xié)議引入了模式信息，即一種包含“睡眠-喚醒”信息的二進(jìn)制串，節(jié)點(diǎn)能夠通過模式信息提前獲知鄰居節(jié)點(diǎn)的下一步活動。基于這些模式信息，網(wǎng)絡(luò)中沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)能夠在幾個預(yù)知的調(diào)度周期內(nèi)減少監(jiān)聽時(shí)間，而當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)將要發(fā)生通信時(shí)，則進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，從而減少節(jié)點(diǎn)的空閑監(jiān)聽帶來的能量損耗。,帶有“睡眠-喚醒”信息的模式信息由一個二進(jìn)制位串組成。位串中的每一位都表示在一個固定的時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)應(yīng)處于何種狀態(tài)：1為監(jiān)聽狀態(tài)，0為睡眠狀態(tài)。在PMAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)的監(jiān)聽和睡眠調(diào)度都根據(jù)模式信息來進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的活動生成本地模式信息，調(diào)度時(shí)還需要結(jié)合鄰居節(jié)點(diǎn)的模式信息。圖3-14所示為SMAC、TMAC和PMAC協(xié)議空閑監(jiān)聽周期長度的比較。,圖3-14SMAC、TMAC和PMAC空閑監(jiān)聽周期長度的比較,由于PMAC協(xié)議采用“睡眠-喚醒”信息模式對信道進(jìn)行監(jiān)聽，節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間比SMAC和TMAC協(xié)議的睡眠時(shí)間短，因而有效地提高了能量效率。SMAC和TMAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較小的情況下適用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較大時(shí)，PMAC協(xié)議具有更小的時(shí)延，可提高系統(tǒng)的吞吐量。,3.3分配型MAC協(xié)議在競爭型MAC協(xié)議中，隨著網(wǎng)絡(luò)通信流量的增加，控制包和數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突的可能性都會增加，降低了網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率，同時(shí)數(shù)據(jù)信息的重傳也會降低能量效率。分配型MAC協(xié)議通常采用TDMA(時(shí)分多址)、CDMA(碼分多址)、FDMA(頻分多址)等技術(shù)將一個物理信道分為多個子信道，并將子信道靜態(tài)或動態(tài)地分配給需要通信的節(jié)點(diǎn)，避免沖突?；诜峙涫降臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議具有如下優(yōu)點(diǎn)無沖突。,無隱蔽終端問題。易于休眠，適合于低功耗網(wǎng)絡(luò)。目前提出的基于分配的MAC協(xié)議較多，以下對比較有代表性的SMACS、TRAMA、DMAC協(xié)議進(jìn)行介紹。,3.3.1SMACS協(xié)議SMACS(Self-organizingMediumAccessControlforSensorNetworks)協(xié)議是一種分配型MAC協(xié)議，是結(jié)合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的MAC協(xié)議，可以完成網(wǎng)絡(luò)的建立和通信鏈路的組織分配。,1.基本思想SMACS協(xié)議的基本思想是為每一對鄰居節(jié)點(diǎn)分配一個特有頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不同節(jié)點(diǎn)之間的頻率互不干擾，從而避免節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生的碰撞。SMACS協(xié)議假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)靜止，當(dāng)節(jié)點(diǎn)啟動時(shí)通過共享信道廣播一個“邀請”消息，通知鄰居節(jié)點(diǎn)與其建立連接，接收到“邀請”消息的鄰居節(jié)點(diǎn)與發(fā)出“邀請”消息的節(jié)點(diǎn)互換信息，協(xié)商兩者之間的通信頻率和時(shí)槽。,如果節(jié)點(diǎn)收到多個鄰居節(jié)點(diǎn)對其“邀請”消息的應(yīng)答，則選擇最先應(yīng)答的鄰居節(jié)點(diǎn)建立無線鏈路。為了與更多鄰居節(jié)點(diǎn)建立鏈路，節(jié)點(diǎn)需要定時(shí)地發(fā)送“邀請”消息。,2.關(guān)鍵技術(shù)SMACS協(xié)議節(jié)點(diǎn)鏈路建立主要用于靜止節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路。圖3-15顯示了AD、BC節(jié)點(diǎn)之間的無線鏈路的建立過程。,圖3-15節(jié)點(diǎn)建立過程,首先，節(jié)點(diǎn)D向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播“邀請”消息，收到消息的節(jié)點(diǎn)A發(fā)送應(yīng)答消息，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)D協(xié)商兩者之間的一對專用通信時(shí)槽和專用通信頻率f1。節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C之間也通過協(xié)商建立專用通信時(shí)槽和通信頻率f2。節(jié)點(diǎn)A、D之間的通信時(shí)槽和節(jié)點(diǎn)B、C之間的通信時(shí)槽雖然有重疊，但是由于雙方適用的頻率不同，因此不會相互干擾。通過同樣的過程，經(jīng)過一段時(shí)間之后，節(jié)點(diǎn)A與B、節(jié)點(diǎn)C與D之間也分別通過協(xié)商分配相應(yīng)的通信時(shí)槽和不同的通信頻率，從而建立相應(yīng)的底層鏈路。,3.特點(diǎn)SMACS協(xié)議是一種TDMA和FDMA結(jié)合的信道分配機(jī)制，該協(xié)議可以建立一種平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。通過為每對時(shí)隙分配隨機(jī)的載波頻率，SMACS減少了全局時(shí)間同步，也減少了復(fù)雜性。,3.3.2TRAMA協(xié)議TRAMA(TrafficAdaptiveMediumAccess，流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問)協(xié)議是較早提出的基于分配的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，該協(xié)議引入了睡眠機(jī)制。它的信道分配機(jī)制不僅能夠保證能量效率，而且對于帶寬利用率、延遲和公平性也有很好的支持。,1.基本思想TRAMA協(xié)議將一個物理信道分成多個時(shí)隙，通過對這些時(shí)隙的復(fù)用為數(shù)據(jù)和控制信息提供信道。圖3-16所示為協(xié)議信道的時(shí)隙分配情況。,圖3-16時(shí)隙分配,每個時(shí)間幀分為隨機(jī)接入和分配接入兩部分，隨機(jī)接入時(shí)隙也稱為信令時(shí)隙，分配時(shí)隙也稱為傳輸時(shí)隙。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸速率普遍比較低，所以對于時(shí)隙的劃分以毫秒為單位。傳輸時(shí)隙的長度是固定的，可根據(jù)物理信道帶寬和數(shù)據(jù)包長度計(jì)算得出。由于控制信息量通常比數(shù)據(jù)信息量要小很多，所以傳輸時(shí)隙通常為信令時(shí)隙的整數(shù)倍。TRAMA協(xié)議由三部分組成：鄰居協(xié)議(NeighborProtocol，NP)、分配交換協(xié)議(ScheduleExchangeProtocol，SEP)和自適應(yīng)選舉算法(AdaptiveElectionAlgorithm，AEA)。其中NP協(xié)議和SEP協(xié)議允許節(jié)點(diǎn)交換兩跳內(nèi)的鄰居信息和分配信息。,AEA利用鄰居和分配信息選擇當(dāng)前時(shí)隙的發(fā)送者和接收者，讓其他與此無關(guān)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量。以下詳細(xì)介紹NP協(xié)議和SEP協(xié)議。,2.關(guān)鍵技術(shù)1)NP協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)失效或者新節(jié)點(diǎn)加入等現(xiàn)象的存在，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生動態(tài)變化，TRAMA協(xié)議需要適應(yīng)這種變化。TRAMA協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)啟動后處于“隨機(jī)接入時(shí)隙”，在此時(shí)隙內(nèi)節(jié)點(diǎn)為接收狀態(tài)，可以選擇一個隨機(jī)時(shí)隙發(fā)送信令?！半S機(jī)接入時(shí)隙”的長度選擇可根據(jù)應(yīng)用來決定。如果網(wǎng)絡(luò)移動性不強(qiáng)，拓?fù)湎鄬Ρ容^穩(wěn)定，則時(shí)隙較短；否則就需要適當(dāng)延長該時(shí)隙長度。,但該時(shí)隙的延長會增加空閑監(jiān)聽的能量損耗，降低網(wǎng)絡(luò)的能量效率。節(jié)點(diǎn)之間時(shí)鐘同步信息也是在隨機(jī)接入時(shí)隙中發(fā)送的。由于在隨機(jī)接入時(shí)隙中各個節(jié)點(diǎn)都可以選擇隨機(jī)接入時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送，控制信息有可能發(fā)生碰撞而丟失，為了減少碰撞，對隨機(jī)接入時(shí)隙的長度和控制信息的重傳次數(shù)都要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。通過在隨機(jī)接入時(shí)隙中交換控制信息，NP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了鄰居信息的交互。圖3-17所示為控制信息幀的幀頭格式。,圖3-17控制信息幀的幀頭格式,控制信息幀的幀頭包括信令幀頭和數(shù)據(jù)幀頭兩部分。信令幀頭中攜帶了“增加鄰居”的更新，如果沒有更新，信令幀頭將作為通知鄰居節(jié)點(diǎn)自己存在的信標(biāo)。每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己下一跳鄰居的增加更新，可以用來保持鄰居之間的連通性。如果一個節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)沒有再收到某個鄰居的信標(biāo)，則該鄰居失效。由于節(jié)點(diǎn)知道下一跳鄰居和這些鄰居的下一跳鄰居信息，所以網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)都能交換兩跳鄰居信息。,2)SEP分配交換協(xié)議分配交換協(xié)議用于建立和維護(hù)發(fā)送者和接收者選擇時(shí)所需要的分配信息。首先每個節(jié)點(diǎn)要生成分配信息，然后通過分配信息的廣播實(shí)現(xiàn)分配信息的交換和維護(hù)。分配信息生成的過程如下：節(jié)點(diǎn)根據(jù)高層應(yīng)用產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率計(jì)算出一個分配間隔T，該間隔代表了節(jié)點(diǎn)能夠廣播分配信息給鄰居的時(shí)隙個數(shù)。,節(jié)點(diǎn)計(jì)算在兩跳鄰居范圍內(nèi)具有最高優(yōu)先級的時(shí)隙數(shù)，由于這些時(shí)隙中的節(jié)點(diǎn)可能被選為發(fā)送者，節(jié)點(diǎn)需要通知這些時(shí)隙中數(shù)據(jù)的接收者。如果節(jié)點(diǎn)沒有待發(fā)數(shù)據(jù)，也需要通知鄰居節(jié)點(diǎn)它將放棄相關(guān)時(shí)隙，其他需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以使用這些空閑時(shí)隙。,3.協(xié)議的特點(diǎn)TRAMA協(xié)議是一種分配型MAC協(xié)議，節(jié)點(diǎn)通過NP協(xié)議獲得鄰居信息，通過SEP協(xié)議建立和維護(hù)分配信息，通過AEA算法分配時(shí)隙給發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)。TRAMA協(xié)議在沖突避免、延時(shí)、帶寬利用率等方面都具有較好的性能，但協(xié)議需要較大的存儲空間來存儲多跳鄰居信息和分配信息。,3.3.3DMAC協(xié)議SMAC協(xié)議和TMAC協(xié)議一樣，采用周期性的活動、睡眠策略來減少能量消耗，但會出現(xiàn)數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)過程中“走走停停”的數(shù)據(jù)通信停頓問題。例如，通信模塊處于睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，如果檢測到事件就必須等到通信模塊轉(zhuǎn)換到活動周期才能發(fā)送數(shù)據(jù)：中間節(jié)點(diǎn)要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，下一跳節(jié)點(diǎn)可能處于睡眠狀態(tài)，此時(shí)也必須等待它轉(zhuǎn)換到活動周期。這種節(jié)點(diǎn)睡眠帶來的延遲會隨著路徑上跳數(shù)的增加而成比例增加。,傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種重要的通信模式是多個傳感器節(jié)點(diǎn)向一個匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。所有傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)，形成一個以匯聚節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，稱為“數(shù)據(jù)采集樹”。這種數(shù)據(jù)采集樹結(jié)構(gòu)可以減少節(jié)點(diǎn)睡眠所帶來的數(shù)據(jù)延遲和能量消耗。DMAC協(xié)議就是針對這種“數(shù)據(jù)采集樹”結(jié)構(gòu)提出的，目標(biāo)是減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和減少數(shù)據(jù)的傳輸延遲。,1.基本思想DMAC協(xié)議的核心思想是采用交錯調(diào)度機(jī)制。圖3-18所示為DMAC協(xié)議的交錯調(diào)度機(jī)制示意圖。該機(jī)制將節(jié)點(diǎn)周期劃分為接收時(shí)間、發(fā)送時(shí)間和睡眠時(shí)間。其中接收時(shí)間和發(fā)送時(shí)間相等，均為一個數(shù)據(jù)分組的時(shí)間。每個節(jié)點(diǎn)的調(diào)度具有不同的偏移，下層節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)間對應(yīng)上層節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)間。這樣，數(shù)據(jù)能夠連續(xù)地從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，減少在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。DMAC協(xié)議采用ACK應(yīng)答機(jī)制，發(fā)送節(jié)點(diǎn)如果沒有收到ACK應(yīng)答，要在下一個發(fā)送時(shí)間重發(fā)，接收節(jié)點(diǎn)正確接收到數(shù)據(jù)后，立刻發(fā)送ACK。,圖3-18DMAC協(xié)議的交錯調(diào)度機(jī)制,為了減少發(fā)送數(shù)據(jù)的沖突，每個節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先退避一個固定時(shí)間(BackoffPeriod，BP)，在沖突窗口(ContentWindow，CW)內(nèi)隨機(jī)選擇發(fā)送等待時(shí)間。接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在等待一個短周期(ShortPeriod，SP)后回復(fù)一個ACK應(yīng)答。發(fā)送周期和接收周期的長度用表示：(3-2)式中，DATA為數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間，ACK為ACK幀的傳輸時(shí)間。,DMAC協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)是通過自適應(yīng)占空比機(jī)制和數(shù)據(jù)預(yù)測機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。以下詳細(xì)介紹自適應(yīng)占空比機(jī)制和數(shù)據(jù)預(yù)測機(jī)制。,2.關(guān)鍵技術(shù)1)自適應(yīng)占空比機(jī)制DMAC協(xié)議中，如果節(jié)點(diǎn)在一個發(fā)送周期內(nèi)有多個數(shù)據(jù)包要發(fā)送，就需要該節(jié)點(diǎn)和樹狀路徑上的上層節(jié)點(diǎn)一起加大發(fā)送周期占空比。DMAC協(xié)議引入了一種新的機(jī)制：自適應(yīng)占空比機(jī)制，使占空比能自適應(yīng)調(diào)整。該機(jī)制通過在MAC層數(shù)據(jù)幀的幀頭加入一個標(biāo)記(MoreDataFlag)，設(shè)置為1表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)還有數(shù)據(jù)需要發(fā)送；在ACK分組頭中增加同樣的標(biāo)志位，設(shè)置為1表示接收節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備好繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。當(dāng)收到下一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)來標(biāo)志設(shè)置為1的數(shù)據(jù)分組時(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)置它的數(shù)據(jù)分組中的標(biāo)志為1。,根據(jù)自適應(yīng)占空比機(jī)制的規(guī)則，節(jié)點(diǎn)決定增加活動周期的條件是：節(jié)點(diǎn)發(fā)送了標(biāo)志設(shè)置為1的數(shù)據(jù)分組，或者收到了標(biāo)志設(shè)置為1的ACK分組。自適應(yīng)占空比機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)據(jù)在傳輸路徑上逐跳進(jìn)行預(yù)約，從而能夠提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率。,2)數(shù)據(jù)預(yù)測機(jī)制在數(shù)據(jù)采集樹中，越靠近上層的節(jié)點(diǎn)，匯聚的數(shù)據(jù)越多，所以對數(shù)據(jù)的底層節(jié)點(diǎn)適合的占空比不一定適合中間節(jié)點(diǎn)。比如節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B有共同的父節(jié)點(diǎn)C，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B在每個發(fā)送周期都只有一個數(shù)據(jù)包要發(fā)送。如果節(jié)點(diǎn)A通過競爭獲得了信道，就向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)C在接收到數(shù)據(jù)后向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一個ACK，隨后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這樣就給節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)帶來了睡眠延遲。,DMAC協(xié)議引入了數(shù)據(jù)預(yù)測機(jī)制來解決此問題。如果一個節(jié)點(diǎn)在接收狀態(tài)下接收到一個數(shù)據(jù)包，該節(jié)點(diǎn)預(yù)測子節(jié)點(diǎn)仍有數(shù)據(jù)等待發(fā)送。在發(fā)送周期結(jié)束后再等待個周期之后，節(jié)點(diǎn)重新切換到接收狀態(tài)。所有接收到該數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)都執(zhí)行這樣一個操作，增加一個接收周期，在這個增加的接收周期中，節(jié)點(diǎn)如果沒有接收到數(shù)據(jù)則直接轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，不會進(jìn)入發(fā)送周期。如果接收到數(shù)據(jù)，那么在個周期之后再增加一個接收周期。在節(jié)點(diǎn)發(fā)送周期內(nèi)，如果節(jié)點(diǎn)競爭信道失敗，,會接收到父節(jié)點(diǎn)發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)的ACK，那么節(jié)點(diǎn)就知道父節(jié)點(diǎn)在個周期后會增加一個接收周期，所以節(jié)點(diǎn)在睡眠個周期之后進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，在這個增加的發(fā)送周期內(nèi)向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。,3.特點(diǎn)DMAC協(xié)議具有如下特點(diǎn)：DMAC協(xié)議是一種針對樹狀數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)提出的能量高效、低延遲的MAC協(xié)議。DMAC協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集樹上的深度為節(jié)點(diǎn)分配交錯的活動/睡眠周期，在占空比方式下避免了數(shù)據(jù)多跳傳輸中的睡眠延遲。通過引入自適應(yīng)占空比機(jī)制，DMAC協(xié)議能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量動態(tài)地調(diào)整占空比。,競爭型MAC協(xié)議能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的變化，能靈活地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，無需精確的時(shí)鐘同步機(jī)制，比較容易實(shí)現(xiàn)；但是由于沖突重傳、空閑監(jiān)聽、串?dāng)_等引起能量損耗，存在能量效率不高的缺點(diǎn)。分配型MAC協(xié)議將信道資源按時(shí)隙、碼型或頻段分為多個子信道，各子信道之間無沖突，互不干擾。,3.4混合型MAC協(xié)議,數(shù)據(jù)包在傳輸過程中不存在沖突重傳，所以能量效率較高。但是分配型MAC協(xié)議節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中形成簇，不能靈活地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。因此，研究人員提出了混合型MAC協(xié)議。本節(jié)介紹比較有代表性的混合型MAC協(xié)議：ZMAC協(xié)議。,3.4.1ZMAC協(xié)議概述ZMAC協(xié)議是一種混合型MAC協(xié)議，此協(xié)議對競爭方式和分配方式進(jìn)行了組合。采用CSMA機(jī)制作為基本方法，在競爭加劇時(shí)使用TDMA機(jī)制來解決信道沖突問題。,3.4.2基本思想ZMAC引入了時(shí)間幀的概念，每個時(shí)間幀又分為若干個時(shí)隙。在ZMAC中，網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)每個節(jié)點(diǎn)都執(zhí)行時(shí)隙分配的DRAND算法。時(shí)隙分配結(jié)束后，每個節(jié)點(diǎn)都會在時(shí)間幀中擁有一個時(shí)隙。分配時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)稱為該時(shí)隙的所有者，時(shí)隙所有者在對應(yīng)的時(shí)隙中發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級更高。在ZMAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)可以選擇在任何時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)在某個時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)需要先監(jiān)聽信道狀態(tài)，但是該時(shí)隙的所有者擁有更高的發(fā)送優(yōu)先級。,發(fā)送優(yōu)先級的設(shè)置通過設(shè)定退避時(shí)間窗口的大小來實(shí)現(xiàn)。時(shí)隙的所有者被賦予一個較小的時(shí)間窗口，所以能夠搶占信道。通過這種機(jī)制，時(shí)隙在被所有者閑置時(shí)還能被其他節(jié)點(diǎn)所使用，從而提高信道利用率。,3.4.3算法描述DRAND算法適用于節(jié)點(diǎn)靜止的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是一種分布式時(shí)隙分配算法。按照DRAND算法進(jìn)行時(shí)隙分配后，各節(jié)點(diǎn)可以在自己的時(shí)隙中進(jìn)行無干擾通信。該算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：在全網(wǎng)范圍內(nèi)無需精確的時(shí)間同步。良好的可擴(kuò)展性，即局部拓?fù)渥兓挥绊憙商秶鷥?nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙的重新分配，對全網(wǎng)沒有影響。與分簇協(xié)議的時(shí)隙分配機(jī)制相比，不存在簇間干擾。,3.4.4關(guān)鍵技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)部署階段，節(jié)點(diǎn)啟動后ZMAC協(xié)議將順序執(zhí)行以下步驟：鄰居發(fā)現(xiàn)、時(shí)隙分配、本地時(shí)間幀交換、全局時(shí)間同步。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，除非網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，否則節(jié)點(diǎn)不會重復(fù)以上步驟，避免能量浪費(fèi)。1.鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和時(shí)隙分配當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)啟動后，就會開始一個鄰居節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)過程，周期性發(fā)送一段消息，這段消息包含節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)的所有一跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，可以在一定范圍內(nèi)隨機(jī)發(fā)送。通過這個過程，每個節(jié)點(diǎn)可以獲得自己兩跳范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的信息，作為時(shí)隙分配算法的輸入?yún)?shù)。,時(shí)隙分配算法采用DRAND算法，可以確保不會分配相同的時(shí)隙給兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，從而使節(jié)點(diǎn)在給一跳鄰居節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的時(shí)候不會被兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)干擾。此外，DRAND算法分配給節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙號不會超過兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，DRAND算法可以在不改變當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙調(diào)度的情況下，實(shí)現(xiàn)本地時(shí)隙分配的更新。,2.本地時(shí)間幀交換每個節(jié)點(diǎn)在分配了時(shí)隙以后需要定位時(shí)間幀，常規(guī)方法是所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都保持同步，并且所有節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間幀都相同，也就是有同樣的開始和結(jié)束時(shí)刻。這種方法需要在整個網(wǎng)絡(luò)中廣播的時(shí)間幀為最大時(shí)隙數(shù)量，所有節(jié)點(diǎn)都使用同一長度的時(shí)間幀，這不滿足局部時(shí)隙改變的自適應(yīng)性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，導(dǎo)致最大時(shí)隙數(shù)量變化，這時(shí)需要在全網(wǎng)中重新廣播這個消息，這會帶來很大的開銷。,ZMAC協(xié)議使用一種新的調(diào)度方法，這種方法采用一種局部的策略，每個節(jié)點(diǎn)維持一個本地的時(shí)間幀長度，該時(shí)間幀和它的兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)相適應(yīng)。即假設(shè)某個節(jié)點(diǎn)i的兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為Fi，分配給i的時(shí)隙為Si，那么可以保證節(jié)點(diǎn)i兩跳范圍內(nèi)的任何節(jié)點(diǎn)都不會使用Si。ZMAC使用局部時(shí)間幀，需要保證所有節(jié)點(diǎn)開始的第一個時(shí)隙是在相同的時(shí)刻。如果節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步，通過設(shè)定一個精確的時(shí)間作為每個節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙是比較容易實(shí)現(xiàn)的。新節(jié)點(diǎn)如果能夠保證和網(wǎng)絡(luò)的全局時(shí)鐘同步，也可以較容易地實(shí)現(xiàn)時(shí)隙同步。為了達(dá)到全局時(shí)鐘同步，MAC需要在網(wǎng)絡(luò)啟動的初期運(yùn)行時(shí)鐘同步算法。,3.傳輸控制在網(wǎng)絡(luò)的初始化階段完成之后，每個節(jié)點(diǎn)都同步到了一個全局的時(shí)鐘，并且都擁有了自己的時(shí)間幀和時(shí)隙，可以對外服務(wù)。在ZMAC協(xié)議下，每個節(jié)點(diǎn)可以工作在低沖突級別和高沖突級別兩種模式下。在低沖突級別工作方式下，任何節(jié)點(diǎn)可以在任何時(shí)隙競爭信道。在高沖突級別工作方式下，只有擁有該時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)，以及它的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)可以競爭信道。,不管在哪種工作方式下，擁有該時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)都有最高的優(yōu)先級。當(dāng)擁有該時(shí)隙節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)傳送的時(shí)候，其他節(jié)點(diǎn)可以竊取這個時(shí)隙使用。ZMAC協(xié)議使用以下三種機(jī)制來實(shí)現(xiàn)低沖突級別和高沖突級別：退避：當(dāng)節(jié)點(diǎn)i有數(shù)據(jù)要傳送的時(shí)候，它首先檢查自己是否是現(xiàn)在時(shí)隙的擁有者，如果是的話，它就選擇一個在退避窗口時(shí)間0，T0之間的隨機(jī)數(shù)作為退避時(shí)間。信道空閑評估：當(dāng)退避時(shí)間到達(dá)后，它啟用CCA來檢查信道是否空閑，如果空閑，那么它就發(fā)送數(shù)據(jù)，否則它就等待，直到信道空閑，然后重復(fù)上面的過程。,低功耗監(jiān)聽：如果節(jié)點(diǎn)i不是現(xiàn)在時(shí)隙的擁有者，并且它處于低沖突級別狀態(tài)，但是當(dāng)前的時(shí)隙沒有被其兩跳鄰居范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)占用。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)首先等待一段時(shí)間T0，然后在0，nT0的退避窗口中選擇一個隨機(jī)的退避時(shí)間。當(dāng)退避時(shí)間到達(dá)后，采用和前面一樣的方法處理。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i處于高沖突級別狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會一直等待，直到遇到一個時(shí)隙，這個時(shí)隙直接被節(jié)點(diǎn)i擁有，節(jié)點(diǎn)i的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)中任何節(jié)點(diǎn)都不會使用此時(shí)隙。,4.局部同步由于使用了載波監(jiān)聽和擁塞退避機(jī)制，在發(fā)生時(shí)鐘錯位的情況下，ZMAC協(xié)議比TDMA協(xié)議有更強(qiáng)的生命力，具體表現(xiàn)為以下三種情況：在完全失去時(shí)鐘同步的情況下，ZMAC協(xié)議退化為CSMA協(xié)議。在低沖突級別情況下，ZMAC協(xié)議可以不需要時(shí)鐘同步，此時(shí)協(xié)議的性能和CSMA相仿。在高沖突級別的情況下，ZMAC協(xié)議需要在時(shí)間同步的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高沖突級別。,不管哪種情況，ZMAC協(xié)議只需要維護(hù)臨近的發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信息，是一種局部同步。同步的方式還是采用在發(fā)送的時(shí)間同步包中加入發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信息。ZMAC協(xié)議中，每個發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)會使用一部分的帶寬資源來發(fā)送時(shí)間同步包，每個發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)都要周期性地發(fā)送時(shí)間同步包。為了保持局部同步，必須在一定的時(shí)間間隔內(nèi)至少發(fā)送一個時(shí)間同步包。,3.4.5特點(diǎn)ZMAC協(xié)議具有以下特點(diǎn)：ZMAC協(xié)議是一種混合型MAC協(xié)議，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的信道競爭情況來動態(tài)調(diào)整MAC協(xié)議所采用的機(jī)制，在CSMA和TDMA機(jī)制間進(jìn)行切換。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較小時(shí)，競爭者較少，協(xié)議工作在CSMA機(jī)制下；在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，競爭者較多，ZMAC協(xié)議工作在TDMA機(jī)制下，使用拓?fù)湫畔⒑蜁r(shí)鐘信息來改善協(xié)議性能。,ZMAC協(xié)議結(jié)合了競爭型MAC協(xié)議和分配型MAC協(xié)議的特點(diǎn)，能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓⑻峁┚獾木W(wǎng)絡(luò)性能。,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用分層體系結(jié)構(gòu)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)也大都是分層進(jìn)行。各層的設(shè)計(jì)相互獨(dú)立，因此各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能保證整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最優(yōu)。針對此問題，提出了跨層設(shè)計(jì)的概念。,3.5MAC層與跨層設(shè)計(jì),3.5.1跨層設(shè)計(jì)提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量效率、能量管理機(jī)制、低功耗設(shè)計(jì)等在各層設(shè)計(jì)中都有所體現(xiàn)，但要使整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效果達(dá)到最優(yōu)，一些研究者又提出了跨層設(shè)計(jì)的概念。MAC跨層設(shè)計(jì)內(nèi)容就是讓“邏輯上并不相鄰的協(xié)議層次間設(shè)計(jì)互動與性能平衡”，這樣可以有效地節(jié)省能量，延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用跨層設(shè)計(jì)的思路來設(shè)計(jì)MAC層協(xié)議的研究成果相對較少，比較有代表性的跨層設(shè)計(jì)架構(gòu)為MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和框架。,1.MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)MINA是一種基于跨層設(shè)計(jì)的大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過UNPF協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)通常由數(shù)百個低電量、低運(yùn)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中還有一些基站節(jié)點(diǎn)，基站通常具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力和充足的能量。在MINA架構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)分為以下三種類型：大量靜止的傳感器節(jié)點(diǎn)(此種節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力和儲存能力相對較低)。少量手持移動節(jié)點(diǎn)。,靜止的基站節(jié)點(diǎn)(此種節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力和儲存能力相對較高，基站是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn))。1)組網(wǎng)示例圖3-19所示是MINA架構(gòu)組網(wǎng)示例。,圖3-19中，每個傳感器節(jié)點(diǎn)都帶有一個半雙工或全雙工的射頻收發(fā)器，每個節(jié)點(diǎn)都有一個唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。MINA架構(gòu)假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間都能進(jìn)行雙向通信。傳感器節(jié)點(diǎn)簇的定義為在該節(jié)點(diǎn)廣播傳輸范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的集合，圖中傳感器節(jié)點(diǎn)3的簇為圓形陰影區(qū)域。所有傳感器節(jié)點(diǎn)形成了一個多跳基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。移動節(jié)點(diǎn)通過這些基礎(chǔ)設(shè)施可以相互訪問，或者訪問基站?；究梢詫?shù)據(jù)發(fā)送到有線網(wǎng)絡(luò)中去，基站節(jié)點(diǎn)必須具有超長的傳輸距離，通過一個廣播可將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。,