無線傳感器網(wǎng) MAC

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第三章、MAC協(xié)議內(nèi)容提要概述 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計(jì) 主要參考文獻(xiàn)內(nèi)容提要概述 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計(jì) 主要參考文獻(xiàn)無線傳感器網(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)！主要目標(biāo) 主要完成目標(biāo)： 在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的信道頻譜資分配有限的信道頻譜資源源； 建立數(shù)據(jù)傳輸所需的基礎(chǔ)通信鏈路。研究熱點(diǎn)w能量效率s空閑監(jiān)聽s沖突 s控

2、制開銷 s串?dāng)_ w可擴(kuò)展性 w公平性 w傳輸效率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！MAC協(xié)議分類u分類方式w分配信道的方式s競(jìng)爭(zhēng)型 s分配型s混合型 w使用的信道數(shù)目s單信道s雙信道 s多信道 w網(wǎng)絡(luò)類型s同步網(wǎng)絡(luò) s異步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容提要概述 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計(jì) 主要參考文獻(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議基本思想:競(jìng)爭(zhēng)方式使用信道，如遇沖突，重傳數(shù)據(jù)，直至成功/失。 ALOHA 純ALOHA直接向信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組，如遇沖突，對(duì)沖突數(shù)據(jù)隨機(jī)重發(fā)，直至成功。 時(shí)隙ALOHA將時(shí)間分成一系列固定長(zhǎng)度的時(shí)隙，各節(jié)點(diǎn)只能在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。競(jìng)爭(zhēng)型M

3、AC協(xié)議。w發(fā)送時(shí)主動(dòng)搶占發(fā)送時(shí)主動(dòng)搶占，CSMA方式（載波偵聽多路訪問）CSMA/CA主要使用兩種方法來避免碰撞： 非堅(jiān)持型節(jié)點(diǎn)一旦真聽到信道忙或發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，就不再偵聽，延遲一段時(shí)間后，重新偵聽，若空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：可能無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)信道狀態(tài)的變化，影響信道利用率。 堅(jiān)持型節(jié)點(diǎn)偵聽到信道忙時(shí)，仍堅(jiān)持偵聽，直到空閑為止。競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議 CSMA/CD（帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問協(xié)議）節(jié)點(diǎn)偵聽到信道空閑時(shí)就發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)繼續(xù)偵聽下去，若偵聽到?jīng)_突，則立即放棄當(dāng)前數(shù)據(jù)的發(fā)送。特點(diǎn)：檢測(cè)沖突要求節(jié)點(diǎn)必須能夠同時(shí)接受和發(fā)送無線信號(hào)。增加了節(jié)點(diǎn)成本。 CSMA/CA（沖突避免的載波

4、偵聽多路訪問協(xié)議）引用握手機(jī)制，發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送端先向接收端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求報(bào)文RTS，等待接收端回應(yīng)允許發(fā)送報(bào)文CTS后，再開始傳送。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)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、Sift非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議 將共享信道根據(jù)時(shí)間、頻率或?yàn)樵肼暣a劃分成一組子信道，并將這些子信道分配給各節(jié)點(diǎn)，使得每一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)專用的子信道，用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。以避免不同節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)沖突。設(shè)計(jì)目標(biāo) 1、提高能量效率 2、提高可擴(kuò)展性 3、提高適應(yīng)性 4、提高信道利用率 5、降低端到端傳輸延遲 6、提高吞吐量 7、保證公平性SMAC協(xié)議-前提

5、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周期性睡眠周期性睡眠和監(jiān)聽監(jiān)聽 ；協(xié)商一致的睡眠調(diào)度機(jī)制（虛擬簇）u自適應(yīng)的偵聽機(jī)制，減少信息的傳輸延遲u帶內(nèi)信令來減少重傳和避免監(jiān)聽不必要的數(shù)據(jù)u消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來減少控制信息的開銷和消息的傳遞延遲SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u周期性睡眠和監(jiān)聽 w一個(gè)周期內(nèi)有睡眠睡眠和監(jiān)聽監(jiān)聽兩種狀態(tài)w節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同，保持監(jiān)聽同步w同步調(diào)度同步調(diào)度，形成虛擬簇w全監(jiān)聽周期，保證鄰居發(fā)現(xiàn)監(jiān)聽周期，保證鄰居發(fā)現(xiàn)w降低功耗，增加延遲圖 3 1 周期性監(jiān)聽和睡眠SMAC協(xié)議-關(guān)鍵

6、技術(shù)2u自適應(yīng)監(jiān)聽 在一次通信過程中，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串?dāng)_避免 w虛擬載波監(jiān)聽（控制信息）w信道忙時(shí)睡眠，避免接收串?dāng)_數(shù)據(jù)包SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3u消息傳遞 u消息相關(guān)數(shù)據(jù)單元的集合u可以是一個(gè)短的數(shù)據(jù)包，也可以是長(zhǎng)傳數(shù)據(jù)包?？梢允且粋€(gè)短的數(shù)據(jù)包，也可以是長(zhǎng)傳數(shù)據(jù)包。u問題一問題一若有幾位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，導(dǎo)致重傳若有幾位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，導(dǎo)致重傳u問題二問題二分割短數(shù)據(jù)包后，雖只重傳出錯(cuò)包分割短數(shù)據(jù)包后，雖只重傳出錯(cuò)包 ，但，但RTS/CTS會(huì)增會(huì)增

7、加數(shù)據(jù)延遲和控制開銷、差錯(cuò)開銷。加數(shù)據(jù)延遲和控制開銷、差錯(cuò)開銷。w將長(zhǎng)的信息包分成若干個(gè)短的DATA段 w所有DATA使用一個(gè)RTSCTS控制分組占用信道 w每個(gè)DATA都有ACK保障傳輸成功SMAC協(xié)議-算法描述1uGSA算法 w減少網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)度方式，以減少邊界節(jié)點(diǎn)的能量損耗 w節(jié)點(diǎn)地址與存在時(shí)間結(jié)合w經(jīng)過同步， 形成全局調(diào)度方式 SMAC協(xié)議-算法描述2uFPA算法 w消除多跳延遲 w建立快速路徑w數(shù)據(jù)在快速路徑多跳傳輸圖 3 3 快速路徑調(diào)度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)沒有發(fā)生激活事件

8、則進(jìn)入睡眠 圖 3 4 TMAC基本機(jī)制TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1u周期性監(jiān)聽同步 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 3 5 TMAC基本數(shù)據(jù)交換TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2u早睡問題 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 3 6 早睡問題TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3u早睡問題解決辦法 w未來請(qǐng)求發(fā)送（Future request-to-send, FRTS） 圖 3 7 FRTS幀交換TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4u早睡問題解決

9、辦法 w滿緩沖區(qū)優(yōu)先圖 3 8 接收RTS節(jié)點(diǎn)優(yōu)先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，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)隙沒有節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)減小

10、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）WiseMAC協(xié)議-基本思想u基于CSMA機(jī)制，使用前導(dǎo)采樣前導(dǎo)采樣技術(shù)u通過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)行采樣對(duì)信道進(jìn)行采樣 ，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)無線信道進(jìn)行監(jiān)聽在短時(shí)間內(nèi)對(duì)無線信道進(jìn)行監(jiān)聽 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)聽到信道忙，節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)監(jiān)聽采樣時(shí)監(jiān)聽到信道

11、忙，節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)監(jiān)聽，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 3 11 同步前導(dǎo)采樣內(nèi)容提要概述 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計(jì) 主要參考文獻(xiàn)分配型MAC協(xié)議 時(shí)分多路接入（TDMA） 頻分多路接入（FDMA） 碼分多路接入（CDMA）分配型MAC協(xié)議 時(shí)分多路接入（TDMA）將共享信道劃分成一組固定的時(shí)隙，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配

12、一個(gè)時(shí)隙，只允許各節(jié)點(diǎn)在自己的時(shí)隙中發(fā)送數(shù)據(jù)。限制：時(shí)間同步。分配型MAC協(xié)議 FDMA將共享信道的頻譜劃分成許多無重疊的子頻帶，并將子頻帶分配給各節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)在任意時(shí)刻只能在所分配的頻率上發(fā)送。特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單分配型MAC協(xié)議 CDMA 采用正交偽隨機(jī)碼劃分共享信道，所有節(jié)點(diǎn)可以在同一信道內(nèi)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，但使用不同的偽隨機(jī)碼。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無沖突 w無隱藏終端問題w易于休眠u典型協(xié)議wDEANE、SMACS、TRAMA、DMAC、BMACDEANA協(xié)議

13、 時(shí)間幀被劃分為：調(diào)度訪問部分、隨機(jī)訪問部分 調(diào)度訪問部分調(diào)度訪問部分：控制時(shí)隙、數(shù)據(jù)時(shí)隙 控制時(shí)隙通知相鄰節(jié)點(diǎn)是否接收數(shù)據(jù)、此時(shí)相鄰節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)； 數(shù)據(jù)時(shí)隙只有目的接受節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)、其余處于睡眠狀態(tài) 隨機(jī)訪問部分隨機(jī)訪問部分：發(fā)送、接受其他控制信息，進(jìn)行 時(shí)間同步機(jī)制 隨機(jī)訪問期間所有節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送/接受狀態(tài)SMACS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)鄰居發(fā)現(xiàn)鄰居后立即分配信道分配信道 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

14、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)隙用于雙向通信在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的超幀中為該鏈路分配一對(duì)時(shí)隙用于雙向通信，這種不同步的時(shí)隙分配稱為異步分配通信 w每對(duì)時(shí)隙都會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)的頻點(diǎn)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 3 17 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

15、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)打開射頻部分，在一個(gè)固定的頻點(diǎn)監(jiān)聽一個(gè)隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)間。節(jié)點(diǎn)C在監(jiān)聽結(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)答消息Type2 wC將接收到B和G發(fā)來的邀請(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)

16、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 3 18 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)隙也稱為信令時(shí)隙，分配接入時(shí)隙也稱為傳輸時(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 3 19 時(shí)隙分配TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1

17、uNP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

18、調(diào)度信息w節(jié)點(diǎn)通過調(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)匯聚的單向樹狀模式 u采用預(yù)先分配的方法來避免睡眠延遲 u引入了一種交錯(cuò)的監(jiān)聽睡眠調(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

19、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 3 23 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)，以較小的控制開銷發(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)采集樹中，越靠近上層的節(jié)點(diǎn)，匯聚的數(shù)據(jù)越多，對(duì)樹的底層節(jié)點(diǎn)適合的占空比不一定適合中間節(jié)

20、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，數(shù)據(jù)采集樹中不同分枝節(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)稱為MTS請(qǐng)求，標(biāo)志位為0時(shí)稱為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)才回到原來的占空比方式 內(nèi)容提要概述 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計(jì) 主要參考文獻(xiàn)ZMAC協(xié)議-基本思想

21、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，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w非時(shí)隙擁

22、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 內(nèi)容提要概述 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計(jì) 主要參考文獻(xiàn)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)分成三種類型w大量靜止的低容量(內(nèi)存、

23、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 3 24 MINA架構(gòu)組網(wǎng)示例MINA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3u流量類型主要為傳感器節(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)

24、的鄰居也可以分為三類：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)議來確定目的地址，MAC協(xié)議來完成信道訪問uMAC協(xié)議超幀圖 3 25 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

25、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)幀后緊跟著就是數(shù)據(jù)傳輸幀。每個(gè)數(shù)據(jù)幀包括個(gè)時(shí)隙，由MAC協(xié)議來負(fù)責(zé)分配w基站啟動(dòng)后第一個(gè)超幀期間進(jìn)行第一輪BI信息交互時(shí)，基站獲得了第一層節(jié)點(diǎn)的信息。第二個(gè)超幀期間重復(fù)上述步驟，第一層節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有跳數(shù)信息為1的BI信息。第二層的節(jié)點(diǎn)接收到該信息并將自己的跳數(shù)設(shè)置為2，第二層節(jié)點(diǎn)就形成了。超幀周期性的重復(fù)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)最大跳數(shù)為N，第N個(gè)超幀完畢后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的自組織過程就完成了UNPF協(xié)議框架3uMAC協(xié)議DTROC w假設(shè)網(wǎng)絡(luò)總共有L層，節(jié)

26、點(diǎn)i位于l層，且lL wSi表示第l+1層中將節(jié)點(diǎn)i選擇為下一跳地址的節(jié)點(diǎn)的集合 w分配一個(gè)信道Ci給節(jié)點(diǎn)i的接收機(jī)，同時(shí)Si中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將發(fā)射機(jī)調(diào)整到這個(gè)信道 w主要解決兩個(gè)問題：在Si中共享信道Ci；分配信道時(shí)避免相互干擾 內(nèi)容提要概述 競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議 分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議MAC的跨層設(shè)計(jì) 主要參考文獻(xiàn)主要參考文獻(xiàn)1 Demirkol, I. Ersoy, C. Alagoz F. “MAC protocols for wireless sensor networks: a survey”, Communications Magazine, IEEE April 2006,

27、Volume: 44, Issue: 4, On page(s): 115- 1212 W. Ye, J. Heidemann and D. Estrin, “An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks,” in INFOCOM 2002, New York, Jun. 2002,pp.1567-1576.(SMAC)3 W. Ye, J. Heidemann, D. Estrin, “Medium Access Control With Coordinated Adaptive Sleeping for Wire

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30、e energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networksA.Proceedings of the 19th IEEE International Parallel and Distributed Processing SymposiumC.Piscataway,USA:IEEE,2005.237.7 EI-Hoiydi A, Decotignie J D. WiseMAC: An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sen

31、sor Networks A.Proceedings of 9th International Symposium on Computers and Communications, Vol 1 C.8 C. C. Enz, A. El-Hoiydi, J-D. Decotignie, V. Peiris, “WiseNET: An Ultralow-Power Wireless Sensor Network Solution”, IEEE Computer, Volume: 37, Issue: 8, August 2004.9 K. Jamieson, H. Balakrishnan, an

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