新一代移動(dòng)通信技術(shù)4-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議 內(nèi)容提要概述 背景知識(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)各種MAC協(xié)議結(jié)論和開(kāi)放的問(wèn)題 內(nèi)容提要概述 背景知識(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)各種MAC協(xié)議結(jié)論和開(kāi)放的問(wèn)題 概述首先無(wú)線感器網(wǎng)絡(luò)與我們的日常的網(wǎng)絡(luò)是有很大區(qū)別的，最關(guān)鍵的體現(xiàn)在于傳感器本身依賴(lài)于電池，而不是固定的電源，這就決定了節(jié)約能量開(kāi)銷(xiāo)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命成為了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)所關(guān)心的最主要的問(wèn)題。另外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其他的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)很大的特性就是所有傳感器都是對(duì)等的，擁有共同的任務(wù)，因而公平性往往不是傳感器網(wǎng)絡(luò)所要考慮的問(wèn)題。那么基于以上這些思想，人們提出了各種不同的MAC層的協(xié)議。下面，我們就來(lái)關(guān)注這些協(xié)議。內(nèi)容提要概述 背景

2、知識(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)各種MAC協(xié)議結(jié)論和開(kāi)放的問(wèn)題 背景知識(shí)u科普w能量損失的原因s沖突soverhearings控制報(bào)文的開(kāi)銷(xiāo)s空閑偵聽(tīng)sovermittingw傳輸?shù)姆绞絪broadcastslocal gossipsconvergecast無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議u網(wǎng)絡(luò)特征w傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限w傳感器節(jié)點(diǎn)失效概率大 w傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算處理能力有限w通信帶寬有限w以數(shù)據(jù)為中心 w高密度、大規(guī)模隨機(jī)分布 對(duì)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)！內(nèi)容提要概述 背景知識(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)各種MAC協(xié)議結(jié)論和開(kāi)放性的問(wèn)題 協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)w能量效率s空閑監(jiān)聽(tīng)s沖突 s控制開(kāi)銷(xiāo) s串?dāng)_ w可擴(kuò)展性 和適應(yīng)性w網(wǎng)絡(luò)效

3、率 w算法復(fù)雜度 w與其它層協(xié)議的協(xié)同 目前普遍認(rèn)為重要性依次遞減！內(nèi)容提要概述 背景知識(shí)協(xié)議設(shè)計(jì)的重點(diǎn)各種MAC協(xié)議結(jié)論和開(kāi)放性的問(wèn)題 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議u基本思想w發(fā)送時(shí)主動(dòng)搶占，CSMA方式（載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)）CSMA/CA主要使用兩種方法來(lái)避免碰撞： 送出資料前，偵聽(tīng)媒體狀態(tài)，等沒(méi)有人使用媒體，維持一段時(shí)間后，再等待一段隨機(jī)的時(shí)間后依然沒(méi)有人使用，才送出資料。由于每個(gè)裝置采用的隨機(jī)時(shí)間不同，所以可以減少碰撞的機(jī)會(huì)。 送出資料前，先送一段小小的請(qǐng)求傳送封包（RTS : Request to Send）給目標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng)封包后，才開(kāi)始傳送w按需分配u優(yōu)點(diǎn)w網(wǎng)絡(luò)流量和規(guī)模變化自適應(yīng)w網(wǎng)絡(luò)

4、拓?fù)渥兓赃m應(yīng)w算法較簡(jiǎn)單u典型協(xié)議wSMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、SiftSMAC協(xié)議-前提條件和基本思想u前提條件u數(shù)據(jù)量少，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和融合u節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成共同的任務(wù)u網(wǎng)絡(luò)可以容忍一定程度的通信延遲u基本思想u周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng) ；協(xié)商一致的睡眠調(diào)度機(jī)制（虛擬簇）u自適應(yīng)的偵聽(tīng)機(jī)制，減少信息的傳輸延遲u消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來(lái)減少控制信息的開(kāi)銷(xiāo)和消息的傳遞延遲SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng) w一個(gè)周期內(nèi)有睡眠和監(jiān)聽(tīng)兩種狀態(tài)w節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同，保持監(jiān)聽(tīng)同步w同步調(diào)度，形成虛擬簇w降低功耗，增加延遲圖 1-1 周期性監(jiān)聽(tīng)和睡眠SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2，3u自適應(yīng)監(jiān)聽(tīng)

5、 在一次通信過(guò)程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居在此次通信結(jié)束后喚醒并保持監(jiān)聽(tīng)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(gè)監(jiān)聽(tīng)周期，從而減少了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸延遲。u消息傳遞 w將長(zhǎng)的信息包分成若干個(gè)短的DATA段 w突發(fā)式傳輸SMAC協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)u優(yōu)點(diǎn) 通過(guò)睡眠機(jī)制減少了空閑偵聽(tīng)的能量損耗，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，交換交換時(shí)間表減少了同步所需要的開(kāi)銷(xiāo)。u缺點(diǎn) 廣播數(shù)據(jù)包并沒(méi)有使用RTS-CTS，這樣就增大的沖突碰撞的可能性，自適應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致空閑偵聽(tīng)和竊聽(tīng)（overhearing），睡眠和監(jiān)聽(tīng)的周期是預(yù)先定義的，并且固定的，這樣在復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下，這種策略的效率會(huì)大大降低

6、。TMAC協(xié)議-基本思想uSMAC協(xié)議調(diào)度占空比固定，不能很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化 u動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度周期中的活躍時(shí)間長(zhǎng)度 u在TA時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生激活事件則進(jìn)入睡眠 圖 1 2 TMAC基本機(jī)制TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u周期性監(jiān)聽(tīng)同步 w延用SMAC協(xié)議思想，周期性廣播SYNC幀w固定周期調(diào)度后全監(jiān)聽(tīng)周期，發(fā)現(xiàn)鄰居uRTS操作和TA的選擇w發(fā)送RTS未收到CTS，應(yīng)再發(fā)送一次wTA 競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)間 +RTS發(fā)送時(shí)間 +CTS準(zhǔn)備時(shí)間 圖 1 3 TMAC基本數(shù)據(jù)交換TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u早睡問(wèn)題 w節(jié)點(diǎn)在鄰居準(zhǔn)備向其發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入了睡眠狀態(tài) 圖 1 4 早睡問(wèn)題TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3u早睡問(wèn)題

7、解決辦法 w未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送（Future request-to-send, FRTS） 圖 1 5 FRTS幀交換TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4u早睡問(wèn)題解決辦法 w滿緩沖區(qū)優(yōu)先圖 1- 6接收RTS節(jié)點(diǎn)優(yōu)先PMAC協(xié)議-基本思想uSMAC調(diào)度占空比固定，TMAC早睡問(wèn)題u引入模式信息，節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)模式信息提前獲知鄰居的下一步活動(dòng)，調(diào)度都根據(jù)模式信息來(lái)進(jìn)行 圖 1 7空閑監(jiān)聽(tīng)周期長(zhǎng)度比較PMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u模式的生成w由一個(gè)二進(jìn)制位串組成 w每一位表示節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙應(yīng)處于何種狀態(tài)，1為監(jiān)聽(tīng)，0為睡眠w形式：0m1，m=0,1,N-1，m代表串中0的個(gè)數(shù) w每個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)的模式串為1，表示流量很大

8、w節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量更新模式在第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送：更新模式為 01在第二個(gè)模式中監(jiān)聽(tīng)時(shí)隙內(nèi)仍無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送：更新模式為 001；依此類(lèi)推PMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u模式的交換w在當(dāng)前周期結(jié)束時(shí)將進(jìn)行廣播來(lái)交換模式信息w引入超幀STF ,分為兩個(gè)子幀 PRTF和PETFw模式重復(fù)時(shí)間幀PRTF，節(jié)點(diǎn)重復(fù)自己的模式 w模式交換時(shí)間幀，鄰居之間進(jìn)行模式信息交換 圖 1 8 時(shí)間幀劃分WiseMAC協(xié)議-基本思想u基于CSMA機(jī)制，使用前導(dǎo)采樣技術(shù)u通過(guò)本地同步的廣播獲得最小的前導(dǎo)長(zhǎng)度 u隨機(jī)的前導(dǎo)長(zhǎng)度保證沖突避免 WiseMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u前導(dǎo)采樣 w對(duì)信道進(jìn)行采樣 ，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)無(wú)線信道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)

9、 w所有節(jié)點(diǎn)都保持相同的采樣時(shí)間Tww采樣時(shí)監(jiān)聽(tīng)到信道忙，節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，直到接收到數(shù)據(jù)或者信道空閑 w數(shù)據(jù)包發(fā)送之前都要發(fā)送一個(gè)喚醒前導(dǎo)序列，該序列的長(zhǎng)度和采樣周期的長(zhǎng)度相等，保證在數(shù)據(jù)部分到達(dá)時(shí)節(jié)點(diǎn)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài) WiseMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u前導(dǎo)長(zhǎng)度最小化 w根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的采樣時(shí)間偏移量，選擇最小長(zhǎng)度的喚醒前導(dǎo) 圖 1 9 同步前導(dǎo)采樣Sift協(xié)議-基本思想1u適用于事件驅(qū)動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)u出發(fā)點(diǎn)w空間和時(shí)間相關(guān)性w并非每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要報(bào)告事件w時(shí)變性u(píng)設(shè)計(jì)目的wN個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)到一個(gè)事件，希望在最短時(shí)間內(nèi)有R個(gè)節(jié)點(diǎn)(R=N)無(wú)沖突發(fā)送事件消息Sift協(xié)議-基本思想2u常規(guī)窗口競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議w在1，

10、CW時(shí)間長(zhǎng)度窗口內(nèi)，等概率選擇發(fā)送時(shí)槽w沖突時(shí)就倍增時(shí)間窗口大小CW，等概率選取發(fā)送時(shí)間uSift協(xié)議w固定長(zhǎng)度的競(jìng)爭(zhēng)窗口 w不等概率選擇時(shí)槽，在不同時(shí)槽采用不同的選擇概率Sift協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)u假設(shè)目前參與競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)數(shù) N，競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間窗口1，CW中的時(shí)隙。如果第一個(gè)時(shí)隙沒(méi)有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)減小競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)數(shù)假設(shè)值，增加在第二個(gè)時(shí)隙中的傳輸概率，這一過(guò)程中每個(gè)時(shí)隙中都重復(fù)執(zhí)行。 u當(dāng)信道空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)概率分布在傳輸之前退避隨機(jī)長(zhǎng)度。 u假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)隙r1，CW發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為Pr。 Pr的概率分布如下： （r = 1,CW）分配型MAC協(xié)議u基本思想w將一個(gè)物理信道分為多個(gè)子信道 w將子信道

11、靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地分配給需要通信的節(jié)點(diǎn)，避免沖突 w根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信流量最大限度地節(jié)省能量 u優(yōu)點(diǎn)w無(wú)沖突 w無(wú)隱藏終端問(wèn)題w易于休眠u典型協(xié)議wSMACS、TRAMA、DMAC、BMACSMACS協(xié)議-基本思想1u結(jié)合TDMA、FDMA的基本思想 u假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能在多個(gè)載波頻點(diǎn)上進(jìn)行切換 u將每個(gè)雙向信道定義為兩個(gè)時(shí)間段 u發(fā)現(xiàn)鄰居后立即分配信道 u每個(gè)鏈路都分配一個(gè)隨機(jī)選擇的頻點(diǎn)，相鄰鏈路都有不同的工作頻點(diǎn) SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u鏈路建立 w引入超幀的概念，用固定參數(shù)Tframe表示 w在上電后先進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，每發(fā)現(xiàn)一個(gè)鄰居就有一對(duì)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)雙向信道 w在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的超幀中為該鏈路分配一對(duì)時(shí)

12、隙用于雙向通信，這種不同步的時(shí)隙分配稱(chēng)為異步分配通信 w每對(duì)時(shí)隙都會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)的頻點(diǎn)，減少鄰近鏈路沖突 的可能 SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u鏈路建立w節(jié)點(diǎn)A和D分別在Td和Ta時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn) w節(jié)點(diǎn)B和C分別在Tb和Tc時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn) w兩個(gè)時(shí)隙分配不同的頻點(diǎn) fx和fy圖 1 10 異步分配通信 SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3u鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配 w假設(shè)節(jié)點(diǎn)B，C，G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)的時(shí)間段內(nèi)打開(kāi)射頻部分，在一個(gè)固定的頻點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)一個(gè)隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)間。節(jié)點(diǎn)C在監(jiān)聽(tīng)結(jié)束后廣播一個(gè)邀請(qǐng)消息Type1 w節(jié)點(diǎn)B和G接收到C發(fā)出的Type1消息后，等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間，然后各自廣播一個(gè)應(yīng)答

13、消息Type2 wC將接收到B和G發(fā)來(lái)的邀請(qǐng)應(yīng)答 ，可以選擇最早到達(dá)的應(yīng)答者，也可以選擇接收信號(hào)強(qiáng)度最大的應(yīng)答者。在選擇了應(yīng)答者后C將立即發(fā)送一個(gè)Type3 給最早到達(dá)的B ，Type3消息中攜帶分配信息，該信息包含節(jié)點(diǎn)C的下一個(gè)超幀的起始時(shí)間 w節(jié)點(diǎn)B根據(jù)Type3得到一個(gè)時(shí)間偏移，并找出兩個(gè)共同的空閑時(shí)間段做為時(shí)隙對(duì)，分配給B和C之間的鏈路。 SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4u鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配 w節(jié)點(diǎn)B選擇一個(gè)隨機(jī)的頻點(diǎn)，將時(shí)隙對(duì)在超幀中的位置信息以及選擇的頻點(diǎn)通過(guò)Type4發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C。這些信息成功交換之后，B和C之間就完成了時(shí)隙分配和頻率選擇，可以切換到對(duì)應(yīng)的時(shí)隙和頻率進(jìn)行通信。圖 1 1

14、1 鄰居發(fā)現(xiàn)TRAMA協(xié)議-基本思想u將一個(gè)物理信道分成多個(gè)時(shí)隙，通過(guò)對(duì)這些時(shí)隙的復(fù)用為數(shù)據(jù)和控制信息提供信道 u每個(gè)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(chēng)為信令時(shí)隙，分配接入時(shí)隙也稱(chēng)為傳輸時(shí)隙 u節(jié)點(diǎn)交換兩跳內(nèi)鄰居信息和分配信息u采用流量自適應(yīng)的分布式選舉算法選擇在每個(gè)時(shí)隙上的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn) 圖 1 12 時(shí)隙分配TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1uNP協(xié)議 w節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后處于隨機(jī)接入時(shí)隙，此時(shí)節(jié)點(diǎn)為接收狀態(tài) w通過(guò)在隨機(jī)接入時(shí)隙中交換控制信息，NP協(xié)議實(shí)現(xiàn)鄰居信息的交互?？刂菩畔⒅袛y帶了增加的鄰居的更新，如果沒(méi)有更新，控制信息作為通知鄰居自己存在的信標(biāo) w節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步信息也是

15、在隨機(jī)接入時(shí)隙中發(fā)送 w每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送關(guān)于自己下一跳鄰居的增加更新，可以用來(lái)保持鄰居之間的連通性。如果節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有再收到某個(gè)鄰居的信標(biāo)，則該鄰居失效。 TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u調(diào)度交換協(xié)議 w建立和維護(hù)發(fā)送者和接收者選擇時(shí)需要的調(diào)度信息 ，包括調(diào)度信息生成和調(diào)度信息交換與維護(hù) w根據(jù)高層應(yīng)用產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率計(jì)算出一個(gè)調(diào)度間隔，確定可分配的時(shí)隙數(shù)，生成調(diào)度信息w節(jié)點(diǎn)通過(guò)調(diào)度分組廣播廣播調(diào)度信息 w節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的廣播維護(hù)下一跳鄰居的分配信息 uAEA算法w確定節(jié)點(diǎn)當(dāng)前時(shí)隙應(yīng)處于發(fā)送、接收還是睡眠狀態(tài)DMAC協(xié)議-基本思想u適合于節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后，向一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)匯聚的單向樹(shù)狀模式 u采

16、用預(yù)先分配的方法來(lái)避免睡眠延遲 u引入了一種交錯(cuò)的監(jiān)聽(tīng)睡眠調(diào)度機(jī)制，保證數(shù)據(jù)在多跳路徑上的連續(xù)傳輸 DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u交錯(cuò)喚醒機(jī)制 w假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)保持靜止，且每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)有足夠的存活時(shí)間，可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持網(wǎng)絡(luò)路徑不發(fā)生變化w假設(shè)數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點(diǎn)向唯一的sink單向傳輸w假設(shè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間保持時(shí)鐘同步 DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u交錯(cuò)喚醒機(jī)制 w在一個(gè)多跳傳輸路徑上，各個(gè)節(jié)點(diǎn)交錯(cuò)喚醒，如同鏈鎖一樣環(huán)環(huán)相扣，保證數(shù)據(jù)在樹(shù)狀結(jié)構(gòu)上能持續(xù)傳輸，不被睡眠所中斷w每個(gè)間隔分為接收、發(fā)送和睡眠三個(gè)周期。 圖 1 13 DMAC協(xié)議基本機(jī)制DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4u自適應(yīng)占空比機(jī)制 w如果節(jié)點(diǎn)在一

17、個(gè)發(fā)送周期內(nèi)有多個(gè)數(shù)據(jù)包要發(fā)送，就需要該節(jié)點(diǎn)和樹(shù)狀路徑上的上層節(jié)點(diǎn)一起加大發(fā)送周期占空比 w通過(guò)在MAC層數(shù)據(jù)幀的幀頭加入一個(gè)標(biāo)記(more data flag)，以較小的控制開(kāi)銷(xiāo)發(fā)送占空比更新請(qǐng)求。在ACK幀中加入同樣的標(biāo)記位DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)5u數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制 w在數(shù)據(jù)采集樹(shù)中，越靠近上層的節(jié)點(diǎn)，匯聚的數(shù)據(jù)越多，對(duì)樹(shù)的底層節(jié)點(diǎn)適合的占空比不一定適合中間節(jié)點(diǎn) w如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收狀態(tài)下接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，該節(jié)點(diǎn)預(yù)測(cè)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3u個(gè)周期，節(jié)點(diǎn)重新切換到接收狀態(tài)DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)6uMTS幀機(jī)制 w必要性：雖然自適應(yīng)占空比機(jī)制和數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制考慮了沖突避免，

18、數(shù)據(jù)采集樹(shù)中不同分枝節(jié)點(diǎn)仍有沖突的可能 wMTS幀只包含目的地址和MTS標(biāo)志位。標(biāo)志位為1時(shí)稱(chēng)為MTS請(qǐng)求，標(biāo)志位為0時(shí)稱(chēng)為MTS清除w發(fā)送或接收到MTS請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)每隔3u個(gè)周期就喚醒一次，只有MTS請(qǐng)求已經(jīng)被清除時(shí)，節(jié)點(diǎn)才回到原來(lái)的占空比方式 ZMAC協(xié)議-基本思想u采用CSMA機(jī)制作為基本方法 u競(jìng)爭(zhēng)加劇時(shí)使用TDMA機(jī)制u引入時(shí)間幀，為節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙 u節(jié)點(diǎn)可以選擇任何時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù) u在分配的時(shí)隙發(fā)送優(yōu)先級(jí)更高ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u鄰居發(fā)現(xiàn)w周期性發(fā)送PING消息 w包含本地發(fā)現(xiàn)的所有一跳范圍內(nèi)的鄰居u時(shí)隙分配wDRAND算法ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u本地時(shí)間幀交換w節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)本地的

19、時(shí)間幀長(zhǎng)度 w幀長(zhǎng)度與兩跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)相對(duì)應(yīng) w實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的同步需要運(yùn)行時(shí)鐘同步算法 ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3u傳輸控制 w低沖突級(jí)別(LCL)和高沖突級(jí)別(HCL)兩種工作模式w時(shí)隙擁有者，短時(shí)間監(jiān)聽(tīng)，優(yōu)先發(fā)送 w非時(shí)隙擁有者LCL模式，退避較長(zhǎng)時(shí)間再監(jiān)聽(tīng)w非時(shí)隙擁有者HCL模式，等待下個(gè)時(shí)隙ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4u局部同步w完全失去時(shí)鐘同步時(shí)，退化為CSMA協(xié)議w維護(hù)臨近的發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步 w周期性的發(fā)送時(shí)間同步包 w根據(jù)時(shí)間同步包修正時(shí)間偏差 MAC層的跨層設(shè)計(jì)u基本思想w為了提高能量效率，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) w傳統(tǒng)方法中各層的設(shè)計(jì)相互獨(dú)立，因此各層

20、的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)最優(yōu) w實(shí)現(xiàn)邏輯上并不相鄰的協(xié)議層次間的設(shè)計(jì)互動(dòng)與性能平衡u典型協(xié)議wMINAMINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)1u節(jié)點(diǎn)分成三種類(lèi)型w大量靜止的低容量(內(nèi)存、CPU、能量)傳感器節(jié)點(diǎn)w少量手持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(PDA)w靜止的大容量基站節(jié)點(diǎn)u每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都帶有一個(gè)半雙工或全雙工的射頻收發(fā)器，節(jié)點(diǎn)之間都能進(jìn)行雙向通信u每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址 u一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的簇定義為在該節(jié)點(diǎn)廣播傳輸范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的集合 u基站是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，可以將數(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(zhǎng)的傳輸距離，通過(guò)一個(gè)廣播可將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)2圖 1 14 MI

21、NA架構(gòu)組網(wǎng)示例MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3u流量類(lèi)型主要為傳感器節(jié)點(diǎn)到基站的上行鏈路u網(wǎng)絡(luò)幀類(lèi)型有三種w控制幀w信標(biāo)幀w數(shù)據(jù)幀u分層架構(gòu) w距離基站跳數(shù)相同的節(jié)點(diǎn)組成一層 w每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居也可以分為三類(lèi)：內(nèi)部鄰居、同等鄰居、外部鄰居。距離基站跳數(shù)比本地更小的鄰居為內(nèi)部鄰居，跳數(shù)相同的鄰居為同等鄰居，跳數(shù)更大的鄰居為外部鄰居 UNPF協(xié)議框架1u網(wǎng)絡(luò)主要工作在兩個(gè)交替的狀態(tài)w網(wǎng)絡(luò)自組織狀態(tài)，在此期間節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰居 w數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，在此期間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，需要路由協(xié)議來(lái)確定目的地址，MAC協(xié)議來(lái)完成信道訪問(wèn)uMAC協(xié)議超幀圖 1 15 MAC協(xié)議幀結(jié)構(gòu)UNPF協(xié)議框架2u網(wǎng)絡(luò)自組織 w在每個(gè)超幀的起始階段，基站廣播一個(gè)控制幀CR (Control Packet)。CR包括傳感器節(jié)點(diǎn)同步需要的時(shí)間信息，以及傳感器節(jié)點(diǎn)在信標(biāo)幀BI(Beacon Packet)內(nèi)傳輸各自的信標(biāo)信息的序號(hào)wBI緊跟在CR后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)CR中的順序發(fā)送BI，幀格式如圖 3 25示。BI包含了節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)、距離基站的跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)的接收信道信息w在信標(biāo)幀后緊跟著就是