無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計

1、 第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計l無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層概述l無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題l無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議 競爭型 分配型 混合型第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層：就是利用物理層提供的數(shù)據(jù)傳輸功能，將物理層的物理連接鏈路轉(zhuǎn)換成邏輯連接鏈路，從而形成一條沒有差錯的鏈路，保證鏈路的可靠性。數(shù)據(jù)鏈路層也向它的上層網(wǎng)絡層提供透明的數(shù)據(jù)傳送服務，主要負責數(shù)據(jù)流多路復用、數(shù)據(jù)幀監(jiān)測、媒體介入和差錯控制，保證無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)點到點以及點到多點的連接。無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)鏈路層研究的主要內(nèi)容就是MAC和差錯控制。怎樣實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡中無線信道的共享，即介質(zhì)控制

2、協(xié)議（MAC）的實現(xiàn)是無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層研究的一個重點，MAC協(xié)議的好壞直接影響網(wǎng)絡的性能優(yōu)劣。l無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層概述第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計1網(wǎng)絡性能的優(yōu)化網(wǎng)絡性能的優(yōu)化 在MAC協(xié)議中，無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵性能指標不是獨立存在的，而是互相影響的，在提高一種性能的同時可能會降低其他性能。現(xiàn)在所提出來的MAC協(xié)議往往只考慮一種或兩種性能指標，沒有綜合各種指標使之達到更好的性能。2跨層優(yōu)化跨層優(yōu)化 無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)別于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡最重要的就是無線傳感器網(wǎng)絡各層之間能夠?qū)崿F(xiàn)合作和信息共享。在無線傳感器網(wǎng)絡中采用了跨層設計，各層之間能夠通過共享一些信息來共同調(diào)節(jié)網(wǎng)絡的性能

3、。l無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計3能量效率問題能量效率問題u在無線傳感器節(jié)點中，能量消耗主要用于無線信號的收發(fā)。u無線通信模塊一般有4個狀態(tài)，即發(fā)送、接收、空閑和休眠，在這4個狀態(tài)中，能量消耗逐級遞減。協(xié)議必須合理選擇節(jié)點偵聽和休眠的時間比例。u還需考慮休眠期間節(jié)點的接收問題和喚醒期間節(jié)點收發(fā)的最大利用率問題，以最大限度地節(jié)省能量。l無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 在無線傳感器網(wǎng)絡的鏈路層上，MAC協(xié)議的多余能量開耗多余能量開耗主要體現(xiàn)在以下幾個方面：碰撞碰撞：在無線信道上，如果有兩個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，那么這兩個發(fā)送

4、節(jié)點都將發(fā)射不成功，這會造成能量的大量浪費。持續(xù)偵聽持續(xù)偵聽：在無線傳感器網(wǎng)絡中的接收節(jié)點無法預測數(shù)據(jù)何時到達，另外每個節(jié)點還需要偵聽各節(jié)點的擁塞狀況，因此節(jié)點必須始終保持偵聽狀態(tài)，以防特殊情況的發(fā)生，但這里包含了許多沒必要的偵聽，從而浪費了許多能量?？刂崎_銷控制開銷：為了保證無線傳感器網(wǎng)絡的可靠性，MAC層協(xié)議需要使用一些控制分組來調(diào)節(jié)節(jié)點狀態(tài)，但這些控制分組中不存在有用的數(shù)據(jù)，因此也要消耗一部分的能量。l無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計3公平性公平性 每個節(jié)點都有相同的權利來訪問信道； 每個節(jié)點的能量消耗保持大概的平衡，從而延長整個網(wǎng)絡的壽命。5可擴展性

5、可擴展性 無線傳感器網(wǎng)絡域與其他無線網(wǎng)絡相比，具有規(guī)模大、分布密集等特點。網(wǎng)絡的節(jié)點分布結(jié)構會動態(tài)性地變化，因此無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議必須具備可擴展性。4信道共享問題信道共享問題 一般來說，在無線網(wǎng)絡中存在三種信道共享方式，即點對點、點對多點、多點對多點，無線傳感器網(wǎng)絡采用的就是多點對多點共享方式，更準確地說應該是以一種多跳共享方式，也可以說這是一種信道的空間復用方式。l無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計信道共享容易造成兩個問題：數(shù)據(jù)的沖突數(shù)據(jù)的沖突：當同一信道上有兩個節(jié)點都在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若它們相互干擾則將導致數(shù)據(jù)包發(fā)送不成功，這會使數(shù)據(jù)的時延增加，也將消

6、耗一些不必要的能量，因此避免信道的上沖突是信道共享所必須考慮的一個問題。串擾串擾：在一個共享的無線信道中，每個節(jié)點都能夠接收到在信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但是有許多數(shù)據(jù)是自己不需要的，接收之后再將其拋棄，在這個過程中也將造成能量的大量浪費。l無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議分類1按節(jié)點接入方式劃分按節(jié)點接入方式劃分發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點，目的節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包的通知方式通?？煞譃閭陕牎拘押驼{(diào)度三種MAC協(xié)議；偵聽偵聽MAC協(xié)議協(xié)議主要采用間斷偵聽的方式；喚醒喚醒MAC協(xié)議協(xié)議主要采用基于低功耗的喚醒接收機來實現(xiàn)，當然也有集合偵聽和喚醒

7、兩種方式的MAC協(xié)議，如低功耗前導載波偵聽MAC協(xié)議；調(diào)度調(diào)度MAC協(xié)議協(xié)議主要使用廣播中，廣播的數(shù)據(jù)信息包含了接收節(jié)點何時接入信道與何時控制接收節(jié)點開啟接收模塊。第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計2按信道占用數(shù)劃分按信道占用數(shù)劃分 在無線傳感器網(wǎng)絡中，按物理層所采用的信道劃分方法，可以分為單信道、雙信道和多信道三種方式，目前無線傳感器網(wǎng)絡中采用的主要是單信道MAC協(xié)議。3按分配信道方式劃分按分配信道方式劃分 在無線傳感器網(wǎng)絡中，競爭性是區(qū)分MAC協(xié)議最重要的一個依據(jù)，競爭是指節(jié)點在接入信道的過程中采用的是隨機競爭方式還是有計劃的競爭方式，因此MAC協(xié)議可以分為固定接入和隨機接入兩種。競爭M

8、AC協(xié)議基本上都屬于隨機接入?yún)f(xié)議，其實現(xiàn)非常簡單，能靈活地解決無線節(jié)點移動的問題，能量波動非常小。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議分類第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計基于競爭的MAC協(xié)議基于分配的MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議跨層MAC協(xié)議l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議分類第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡負載量小、針對節(jié)點間的公平性及通信延時要求不高等特點來設計的，其主要的設計目標是提供大規(guī)模分布式網(wǎng)絡所需的可擴展性，并同時降低能耗。 S-MAC協(xié)議協(xié)議做出如下假設：大多數(shù)節(jié)點之間是進行多跳短矩離通信；節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡中的作用是平等的，即一般情況下沒有基站；為了減少通信量，采

9、用網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理；運用信號的協(xié)作處理，改善感知信息的質(zhì)量；節(jié)點具有較長的空閑時間而且可以容忍一定的延時；網(wǎng)絡壽命是首要考慮的問題。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計S-MAC協(xié)議協(xié)議采用的機制有以下幾種：將節(jié)點的工作模式分為偵聽和睡眠兩個狀態(tài)，并讓節(jié)點盡可能長時間睡眠以達到節(jié)能的目的；通過協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機制讓相鄰節(jié)點在相同時間活動、相同時間睡眠，從而形成虛擬簇；通過突發(fā)傳遞和消息分割機制來減少消息的傳輸延時和控制消息的開銷；通過流量自適應的偵聽機制，減少網(wǎng)絡延時在傳輸過程中的累加效應。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)

10、絡數(shù)據(jù)鏈路層設計1）周期性地偵聽和睡眠）周期性地偵聽和睡眠睡眠偵聽機制S-MAC協(xié)議基本的節(jié)能手段是依靠傳感器節(jié)點定期進入睡眠狀態(tài)從而減少節(jié)點空閑偵聽的時間來實現(xiàn)的。S-MAC協(xié)議把時間分割成許多時隙，在每個時隙中又劃分為偵聽偵聽和睡眠睡眠兩個狀態(tài)，在偵聽狀態(tài)，節(jié)點可以和其通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點自由地進行通信；在睡眠狀態(tài)，為了減少節(jié)點功耗，不參與任何的數(shù)據(jù)傳遞活動，只是設定計時器開始計時，這樣在經(jīng)過一段時間后自己就能自動醒來，醒來后則立刻查看是否有消息傳遞給自己。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 S-MAC協(xié)議將節(jié)點的活動狀態(tài)分為兩個部分以保證節(jié)點能

11、接收到數(shù)據(jù)包和同步包，第一個部分用于發(fā)送和接收同步包，第二部分用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，每個部分都設有載波幀聽時間。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 理論上，網(wǎng)絡中所有的節(jié)點都需要遵守相同的調(diào)度時間，不能有絲毫的誤差。但是由于傳感器節(jié)點的時間表本身就是隨時變化的，而且無線傳感器網(wǎng)絡還是多跳地傳遞數(shù)據(jù)，所以只有在局部節(jié)點之間才有可能形成同步。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計2）沖突避免）沖突避免 如果有兩個或兩個以上的鄰居節(jié)點想同時與一個節(jié)點進行通信，那么它們都會試圖在該節(jié)點的偵聽時段發(fā)送消息，在這種情況下必

12、然發(fā)生沖突和碰撞，于是它們就需要開始爭奪對信道的使用權。 如下所示的多跳網(wǎng)絡，它由節(jié)點A、B、C、D、E、F構成，每個節(jié)點只能和其一跳以內(nèi)的鄰居節(jié)點進行數(shù)據(jù)的傳輸。假設此時節(jié)點A正向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)，那么顯然節(jié)點D應該睡眠，因為它的傳輸干擾了B正確接收A發(fā)出的數(shù)據(jù)。而節(jié)點E和F不會影響其他節(jié)點，所以它們不需要睡眠。C和B之間的距離有兩跳遠，即使它傳輸數(shù)據(jù)也不會干擾到B接收，所以它可以自由地向其他節(jié)點（如E）發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，C卻無法接收E的應答（CTS或其他數(shù)據(jù)等），這是因為E和A同時傳輸會在節(jié)點C處產(chǎn)生沖突，所以即使C傳輸，也是浪費能量。總而言之，不管是發(fā)送者還是接收者，它們之間相鄰的節(jié)點在聽到

13、CTS或RTS包后都需要睡眠，一直要等到傳輸結(jié)束才可以醒來。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計3）自適應偵聽）自適應偵聽S-MAC協(xié)議中，節(jié)點周期性地進入睡眠狀態(tài)會增加延時，這種延時并不會自動消除，反而會在每跳中累積，所以S-MAC采用自適應偵聽策略來減少這種累加的效應。它的基本思想是當一個節(jié)點在其通信范圍內(nèi)得知相鄰的節(jié)點要傳輸數(shù)據(jù)時就睡眠并記錄其傳輸數(shù)據(jù)的時間，只有當其相鄰的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束后才能醒來一個短暫的時間，這時它可以通過偵聽信道查看信道的狀態(tài)（忙或空閑），判斷是否有數(shù)據(jù)需要傳輸。在這種方式下，如果此時正好有一個消息需要傳遞給該節(jié)點，那么它

14、就可以立刻接收，而不用等到該節(jié)點的睡眠結(jié)束后再進行傳遞；假如沒有任何消息需要傳遞給該節(jié)點，那么它就繼續(xù)睡眠。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計4）消息傳遞S-MAC傳輸大量數(shù)據(jù)l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計T-MAC協(xié)議協(xié)議1）基本思想）基本思想相對于S-MAC協(xié)議來說，保持了S-MAC的周期，根據(jù)網(wǎng)絡負載的流量自適應地調(diào)整激活的時間。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計T-MAC協(xié)議規(guī)定，當鄰居節(jié)點還沒有結(jié)束通信時，節(jié)點不能進入到睡眠狀態(tài)，因為該節(jié)點很有可能就

15、是下一個數(shù)據(jù)的目的節(jié)點。假設節(jié)點檢測到串擾以后能夠觸發(fā)一個空閑間隔TA，TA必須要足夠大，以保證節(jié)點能夠監(jiān)測到串擾的CTS， T-MAC協(xié)議規(guī)定TA取值約束為 TAC+R+T式中，C為競爭信道的時間，R為發(fā)送RTS的時間，T為RTS分組發(fā)送結(jié)束到開始發(fā)出CTS的時間。節(jié)點發(fā)送完RTS分組之后，如果未收到對應的CTS分組，那么就有三種情況：l由于無線信道發(fā)生碰撞，目的節(jié)點沒有接收到RTS分組；l目的節(jié)點已經(jīng)收到串擾的分組；l目的節(jié)點正處于睡眠狀態(tài)。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 如果發(fā)送節(jié)點在TA時間間隔內(nèi)沒有收到CTS分組，它就會進入睡眠。但是從

16、上面的前兩種情況可以看出節(jié)點還沒有收到CTS分組，直接進入睡眠會導致實時性降低，接收節(jié)點一直都處于空閑監(jiān)聽，浪費大量的能量，因此TMAC協(xié)議規(guī)定，節(jié)點發(fā)送RTS分組之后沒有收到CTS分組，則重新發(fā)送一次RTS分組，還沒有收到則進入休眠狀態(tài)。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計2）需要解決的主要問題早睡問題l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC未來請求發(fā)送未來請求發(fā)送：采用提前通知需要接收數(shù)據(jù)的節(jié)點的方法來實現(xiàn)早睡的避免：如上頁中的a所示，當節(jié)點C接收到CTS后，除了觸發(fā)自

17、己保持監(jiān)聽狀態(tài)之外，還發(fā)送一個FRTS分組給節(jié)點D，F(xiàn)RTS分組中含有節(jié)點D需要等待的時間，在此空閑狀態(tài)中，節(jié)點D必須要保持偵聽狀態(tài)。在節(jié)點C發(fā)送FRTS時看哪個節(jié)點會干擾節(jié)點A發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此節(jié)點A需要延遲原數(shù)據(jù)的發(fā)送響應的時間，但是又必須保持對信道的占用，因此節(jié)點A在這段時間內(nèi)發(fā)送一個與FRTS一樣長度的分組，該分組不包含任何有用的數(shù)據(jù)，然后才接著發(fā)送有用數(shù)據(jù)信息。從而數(shù)據(jù)傳到節(jié)點C之后節(jié)點D還是處于喚醒狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)的實時傳輸。由于采用了未來請求發(fā)送機制，協(xié)議需要增加一個FRTS分組傳輸?shù)臅r間，該方法提高了系統(tǒng)吞吐量和實時性，但是多了一些控制消息，相應地要消耗能量。第三章 無線傳感器網(wǎng)絡

18、數(shù)據(jù)鏈路層設計滿緩沖區(qū)優(yōu)先滿緩沖區(qū)優(yōu)先：當節(jié)點的緩沖區(qū)快滿時，節(jié)點對收到的RTS分組不回復CTS，而是立即向緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的接收節(jié)點發(fā)送RTS，建立連接之后發(fā)送數(shù)據(jù)，以減輕緩沖區(qū)負載。如前頁中的b所示，節(jié)點B向節(jié)點C發(fā)送RTS，而節(jié)點C因為緩沖區(qū)滿不回復一個CTS分組，而是向節(jié)點D發(fā)送RTS以求數(shù)據(jù)傳輸。這種方法在一定程度上減少了早睡問題的發(fā)生概率，并可控制網(wǎng)絡負載流量，但在網(wǎng)絡負載過大時更容易發(fā)生沖突。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計Sift協(xié)議協(xié)議對CSMA/CA機制進行修改，競爭窗口的大小是原本就設定好的，采用非均勻概率來決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)，它具

19、有以下幾個特點：（1）無線傳感器網(wǎng)絡中基于空間的競爭無線傳感器網(wǎng)絡中基于空間的競爭。一般來說，許多無線傳感器網(wǎng)絡都在某一區(qū)域放置了多個節(jié)點，利用多個節(jié)點監(jiān)測到同一事件來保證數(shù)據(jù)的可靠性。這種冗余數(shù)據(jù)的發(fā)生將導致鄰居節(jié)點間相互搶占信道，從而造成基于空間的競爭。（2）基于事件的報告方式基于事件的報告方式。在無線傳感器網(wǎng)絡中，并非所有的節(jié)點都需要報告事件，匯聚節(jié)點只需接收到所發(fā)生事件的相關信息即可。（3）感知事件的節(jié)點密度的自適應調(diào)整感知事件的節(jié)點密度的自適應調(diào)整。大量的無線傳感器節(jié)點接收到同一事件后，隨著目標的移動或者時間的推移，傳感器網(wǎng)絡感知到事件的節(jié)點也會相應地發(fā)生變化，從而能夠更好地觀測目標

20、事件。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計SMACS協(xié)議協(xié)議1）基本思想）基本思想 SMACS協(xié)議假設每個節(jié)點都能夠在多個載波頻點上進行切換，該協(xié)議將每個雙向信道定義為兩個時間段，這類似于TDMA機制中分配的時隙。 SMACS協(xié)議是一種分布式協(xié)議，允許一個節(jié)點集發(fā)現(xiàn)鄰居并進行信道分配。 由于鄰近節(jié)點分配的時隙有可能產(chǎn)生沖突，為了減少沖突的可能性，每個鏈路都分配一個隨機選擇的頻點，相鄰的鏈路都有不同的工作頻點。 當鏈路建立后，節(jié)點在分配的時隙中打開射頻部分，與鄰居進行通信，如果

21、沒有數(shù)據(jù)收發(fā)，則關閉射頻部分進行睡眠，在其余時隙節(jié)點關閉射頻部分，降低能量損耗。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 2）關鍵技術：）關鍵技術：節(jié)點在上電后先進行鄰居發(fā)現(xiàn)，每發(fā)現(xiàn)一個鄰居，這一對節(jié)點就形成一個雙向信道，即一個通信鏈路。在兩個節(jié)點的超幀中為該鏈路分配一對時隙用于雙向通信。隨著鄰居的增加，超幀慢慢地被填滿。每對時隙都會選擇一個隨機的頻點，減少鄰近鏈路沖突的可能。這樣全網(wǎng)很快就能在初始化建立鏈路，這種不同步的時隙分配稱為異步分配通信SMACS協(xié)議協(xié)議l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 如圖所示，假設

22、節(jié)點B、C、G進行鄰居發(fā)現(xiàn)。這些節(jié)點在隨機的時間段內(nèi)打開射頻模塊，在一個固定的頻點監(jiān)聽一個隨機長度的時間。如果在此監(jiān)聽時間內(nèi)節(jié)點沒有接收到其他節(jié)點發(fā)出的邀請消息，那么隨后節(jié)點將發(fā)送一個邀請消息。 圖中 ，節(jié)點C就是在監(jiān)聽結(jié)束后廣播的一個邀請消息Type1。節(jié)點B和節(jié)點G接收到節(jié)點C發(fā)出的Type1消息后，等待一個隨機的時間，然后各自廣播一個應答消息Type2。如果兩個應答消息不沖突，節(jié)點C將接收到節(jié)點B和節(jié)點G發(fā)來的邀請應答。 節(jié)點C在這里進行一個選擇，可以選擇最早到達的應答者，也可以選擇接收信號強度最大的應答者。在選擇了應答者后，節(jié)點C將立即發(fā)送一個Type3消息通知哪個節(jié)點被選擇。此處選擇

23、最早到達的節(jié)點B作為應答者，節(jié)點G將關閉射頻部分進入睡眠，并在一個隨機的時間后重新進行鄰居發(fā)現(xiàn)。SMACS協(xié)議協(xié)議l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 如果節(jié)點C已經(jīng)選擇了鄰居，將在消息Type3中攜帶分配信息，該信息包含節(jié)點C的下一個超幀的起始時間。在收到該分配消息后，節(jié)點B將和本地的超幀起始時間進行比較，得到一個時間偏移，并找出兩個共同的空閑時間段作為時隙對，分配給節(jié)點B和節(jié)點C之間的鏈路。在確定了時隙對后，節(jié)點B選擇一個隨機的頻點，將時隙對在超幀中的位置信息以及選擇的頻點通過消息Type4發(fā)送給節(jié)點C。經(jīng)過這些測試信息的成功交換后，節(jié)點B和節(jié)點C

24、之間就完成了時隙分配和頻率選擇。 在SMACS形成的網(wǎng)絡中，與超幀同步的節(jié)點組成一個子網(wǎng)，如圖3.10所示，節(jié)點A、節(jié)點D和節(jié)點B、節(jié)點C分別組成子網(wǎng)。隨著鄰居的增加，子網(wǎng)的規(guī)模會變大，并且會和其他子網(wǎng)的節(jié)點建立鏈路，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的無縫連接。兩個不同子網(wǎng)的節(jié)點在建立通信鏈路時，如果超幀有重疊的空閑時段，可以為新鏈路分配時隙，則可以成功建立鏈路；否則，節(jié)點只能放棄并尋找其他節(jié)點來建立鏈路。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MACSMACS協(xié)議協(xié)議第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計3）移動性管理）移動性管理-EAR算法算法EAR算法定義了一種新的信令機制，主要使用4種消息，建立移動節(jié)點和靜止節(jié)

25、點之間通信鏈路的機制主要有以下步驟：（1）靜止節(jié)點會每間隔固定個超幀發(fā)送一次BI消息，移動節(jié)點在接收到靜止節(jié)點的BI消息后將開始連接過程。（2）靜止節(jié)點在接收到MI消息后需要檢查連接是否可以建立。（3）連接建立后，移動節(jié)點在移動過程中會接收到新的鄰近靜止節(jié)點發(fā)送的BI消息，移動節(jié)點會根據(jù)信道質(zhì)量選擇淘汰鄰居節(jié)點記錄中連接質(zhì)量較差的鄰居節(jié)點。SMACS協(xié)議協(xié)議l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計TRAMA協(xié)議協(xié)議：在NAMA協(xié)議的基礎上引入了睡眠機制，該協(xié)議的信道分配機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

26、TRAMA協(xié)議采用了流量自適應的分布式選舉算法，節(jié)點交換兩跳內(nèi)的鄰居信息，傳輸分配時指明在時間順序上哪些節(jié)點是目的節(jié)點，然后選擇在每個時隙上的發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點。TRAMA協(xié)議由三個部分組成， 近鄰近鄰協(xié)議（協(xié)議（NP）和分配交換協(xié)議（分配交換協(xié)議（SEP）允許節(jié)點交換兩跳內(nèi)的鄰居信息和分配信息；自適應選舉算法（自適應選舉算法（AEA）利用鄰居和分配信息選擇當前時隙的發(fā)送者和接收者，讓其他與此次通信無關的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 TRAMA協(xié)議協(xié)議將一個物理信道分成多個時隙，通過對這些時隙的復用為數(shù)據(jù)和控制信息提

27、供信道。每個時間幀分為隨機接入和分配接入兩部分l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計TRAMA協(xié)議協(xié)議2）關鍵技術）關鍵技術（1）NP協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于節(jié)點失效或者新節(jié)點加入等現(xiàn)象存在，網(wǎng)絡拓撲在動態(tài)地變化，TRAMA協(xié)議需要適應這種變化。（2）分配交換協(xié)議（SEP）。分配交換協(xié)議用于建立和維護發(fā)送者和接收者選擇時隙要分配的信息。首先每個節(jié)點生成分配信息，然后通過廣播實現(xiàn)分配信息交換和維護。l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 為了提高能量效率，TRAMA盡可能地讓節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，通過重用已經(jīng)分配但

28、未使用的時隙來提高帶寬利用率。在分配接入周期任一給定的時隙t中，任一節(jié)點的狀態(tài)是由該節(jié)點的兩跳鄰居信息和該節(jié)點的一跳鄰居發(fā)布的分配信息來確定的，有發(fā)送、接收、睡眠三種中的一個狀態(tài)。TRAMA協(xié)議協(xié)議l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計競爭型競爭型MAC協(xié)議協(xié)議能很好地適應網(wǎng)絡規(guī)模和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量的變化，可以更靈活地適應網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的變化，無須精確的時鐘同步機制，較易實現(xiàn)；但存在能量效率不高的缺點，如沖突重傳、空閑監(jiān)聽、串擾、控制開銷引起的能量消耗分配型分配型MAC協(xié)議協(xié)議將信道資源按時隙、頻段或碼型分為多個子信道，各個子信道之間無沖突，互不干擾。數(shù)據(jù)包在

29、傳輸過程中不存在沖突重傳，所以能量效率較高。此外，在分配型MAC（如TDMA）中，節(jié)點只在分配給自己的時隙中打開射頻部分，其他時隙關閉射頻部分，可避免冗余接收，進一步降低能量損耗。但是分配型MAC協(xié)議通常需要在網(wǎng)絡中的節(jié)點形成簇，不能靈活地適應網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的變化混合型混合型MAC協(xié)議協(xié)議根據(jù)通信情況自適應的采取競爭方式或分配方式l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議混合型MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計1）基本思想ZMAC協(xié)議是一種混合型MAC協(xié)議，采用CSMA機制作為基本方法，在競爭加劇時使用TDMA機制來解決信道沖突問題。ZMAC引入了時間幀的概念，每個時間幀又分為若干個時隙。在ZMAC中，

30、網(wǎng)絡部署時每個節(jié)點執(zhí)行一個時隙分配的DRAND算法。在時隙分配完成后，每個節(jié)點都會在時間幀中擁有一個時隙。分配了時隙的節(jié)點成為該時隙的所有者，所有者在對應的時隙中發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級最高。ZMAC協(xié)議協(xié)議l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議混合型MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計2）關鍵技術 在網(wǎng)絡部署階段，節(jié)點啟動以后ZMAC協(xié)議將順序執(zhí)行以下步驟：鄰居發(fā)現(xiàn)時隙分配本地時間幀交換全局時間同步。在網(wǎng)絡的運行過程中，除非網(wǎng)絡拓撲結(jié)構發(fā)生重大變化，否則節(jié)點不會重復上述步驟，避免浪費能量。（1）鄰居發(fā)現(xiàn)和時隙分配。（2）本地時間幀交換。每個節(jié)點在分配了時隙后需要定位時間幀，常規(guī)的方法就是所有的網(wǎng)絡節(jié)點都保

31、持同步，并且所有的節(jié)點對應的時間幀都相同，也就是具有同樣的起始時刻和結(jié)束時刻。ZMAC協(xié)議協(xié)議l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議混合型MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計3）傳輸控制 在網(wǎng)絡的初始化階段完成之后，每個節(jié)點都同步到了一個全局的時鐘，并且都擁有了自己的時間幀和時隙，可以對外提供服務。在ZMAC協(xié)議下，每個節(jié)點可以工作在兩個模式：低沖突級別和高沖突級別。4）局部同步 由于使用了載波偵聽和擁塞退避機制，在發(fā)生時鐘錯位的情況下，ZMAC協(xié)議比TDMA協(xié)議有更強的生命力，在完全失去時鐘同步的情況下，ZMAC退化為CSMA協(xié)議。在低的沖突情況下，ZMAC可以不需要時鐘同步，此時協(xié)議的性能和CS

32、MA相仿。在高沖突的情況下，ZMAC協(xié)議需要在時間同步的基礎上實現(xiàn)HCL。ZMAC協(xié)議協(xié)議l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議混合型MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計MINA是一種基于跨層設計的大規(guī)模無線網(wǎng)絡協(xié)議架構，網(wǎng)絡通常由數(shù)百個低電量低運算能力的傳感器節(jié)點組成，同時網(wǎng)絡中還有一些基站節(jié)點，基站通常具有較強的運算能力，并具有充足的能量。在MINA架構中，節(jié)點分為三種類型：u大量靜止的低容量（內(nèi)存、CPU、能量）傳感器節(jié)點；u少量手持移動節(jié)點；u靜止的大容量基站節(jié)點。MINA協(xié)議協(xié)議l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議混合型MAC第三章 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層設計 MINA架構中網(wǎng)絡節(jié)點是以層的形式來組織的，距離基站跳數(shù)相同的節(jié)點組成一層。第一層節(jié)點距離基站跳數(shù)為1，第二層節(jié)點距離基站跳數(shù)為2，依次類推，如圖3.16所示，網(wǎng)絡共有三層。 根據(jù)距離基站的跳數(shù)，每個節(jié)點的鄰居也可以分為三類，即內(nèi)部鄰居內(nèi)部鄰居、同等鄰居同等鄰居、外部鄰居外部鄰居。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。MINA協(xié)議協(xié)議l無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議混合型MAC第三章 無線傳