傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用-第3講(MAC協(xié)議)

第3章MAC協(xié)議計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳永樂(lè)目錄MAC協(xié)議概述競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議總結(jié)2MAC協(xié)議概述在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，介質(zhì)訪問(wèn)控制（mediumaccesscontrol，MAC）協(xié)議決定無(wú)線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線通信資源，用來(lái)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。MAC協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、存儲(chǔ)、計(jì)算和通信帶寬等資源有限，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能比較弱，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能是由眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)的。多點(diǎn)通信在局部范圍需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)其間的無(wú)線信道分配，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)需要路由協(xié)議選擇通信路徑。3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議網(wǎng)絡(luò)特征傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限傳感器節(jié)點(diǎn)失效概率大傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算處理能力有限通信帶寬有限以數(shù)據(jù)為中心高密度、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)！4無(wú)線MAC無(wú)法采用CSMA/CD兩者區(qū)別傳輸介質(zhì)不同：CSMA/CD用于總線式以太網(wǎng),而CSMA/CA則用于無(wú)線局域網(wǎng)802.11a/b/g/n等等檢測(cè)方式不同：CSMA/CD通過(guò)電纜中電壓的變化來(lái)檢測(cè)沖突；而CSMA/CA采用能量檢測(cè)(ED)、載波檢測(cè)(CS)和能量載波混合檢測(cè)三種檢測(cè)信道空閑的方式WLAN中，節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，也就是說(shuō)會(huì)把其他的信號(hào)給覆蓋掉；WLAN中，存在“隱匿的終端”問(wèn)題5CSMA/CD：CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetectionCSMA/CA：CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance無(wú)線網(wǎng)絡(luò)隱藏終端問(wèn)題隱終端描述A,B能夠相互檢測(cè)到對(duì)方B,C能夠相互檢測(cè)到對(duì)方但是A,C不能相互檢測(cè)到對(duì)方當(dāng)A,C同時(shí)向B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將產(chǎn)生碰撞隱藏終端--解決方案CSMA/CA(載波偵聽/沖突避免)如何解決“隱匿終端問(wèn)題7RTSArequeststosendBC(a)CTSCTSABCBannouncesAoktosend(b)DataFrameAsendsBCremainsquiet(c)A發(fā)RTS請(qǐng)求發(fā)送B發(fā)CTS允許A發(fā)送

A發(fā)數(shù)據(jù)幀C能夠收到CTS，因而保持靜默暴露終端問(wèn)題8C欲向D發(fā)送信息由于C偵聽到信道忙，C必須等待。但是站A在C的射頻覆蓋范圍之外，因此C的等待是不必要的。所以說(shuō)，B“暴露”給C設(shè)計(jì)WSN中MAC協(xié)議，需考慮節(jié)省能量?？蓴U(kuò)展性。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目、節(jié)點(diǎn)分布密度等在傳感器網(wǎng)絡(luò)生存過(guò)程中不斷變化，節(jié)點(diǎn)位置也可能移動(dòng)，還有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性。MAC協(xié)議也應(yīng)具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)這種動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)效率。網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。算法復(fù)雜度。MAC協(xié)議要具備上述特點(diǎn)，眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成應(yīng)用任務(wù)，必然增加算法的復(fù)雜度。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力受限，MAC協(xié)議應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用需要，在復(fù)雜度和上述性能之間取得折中。與其他層協(xié)議的協(xié)同。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性對(duì)各層協(xié)議都提出了一些共同的要求，如能量效率、可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)效率等，研究MAC協(xié)議與其他層協(xié)議的協(xié)同問(wèn)題，通過(guò)跨層設(shè)計(jì)而獲得系統(tǒng)整體的性能優(yōu)化9MAC協(xié)議面臨的能量問(wèn)題①空閑監(jiān)聽：因?yàn)楣?jié)點(diǎn)不知道鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)何時(shí)到來(lái)，所以必須始終保持自己的射頻部分處于接收模式，形成空閑監(jiān)聽，造成了不必要的能量損耗；②沖突（碰撞）：如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，并相互產(chǎn)生干擾，則它們的傳輸都將失敗，發(fā)送包被丟棄。此時(shí)用于發(fā)送這些數(shù)據(jù)包所消耗的能量就浪費(fèi)掉③控制開銷：為了保證可靠傳輸，協(xié)議將使用一些控制分組，如RTS/CTS，雖然沒(méi)有數(shù)據(jù)在其中，但是我們必須消耗一定的能量來(lái)發(fā)送它們；④串?dāng)_（串音）：出于無(wú)線信道為共享介質(zhì)，因此，節(jié)點(diǎn)也可以接收到不是到達(dá)自己的數(shù)據(jù)包，然后再將其丟棄，此時(shí)，也會(huì)造成能量的耗費(fèi)。10信道接入機(jī)制分類分配信道的方式：競(jìng)爭(zhēng)型、分配型、混合型使用的信道數(shù)目：?jiǎn)涡诺?、雙信道、多信道網(wǎng)絡(luò)類型：同步網(wǎng)絡(luò)、異步網(wǎng)絡(luò)11各種MAC協(xié)議方案的比較12協(xié)議方案出現(xiàn)時(shí)間類型需要精確同步信道接入機(jī)制SMAC2002競(jìng)爭(zhēng)型否CSMATMAC2003競(jìng)爭(zhēng)型否CSMAPMAC2005競(jìng)爭(zhēng)型否CSMAWiseMAC2004競(jìng)爭(zhēng)型否CSMASift2003競(jìng)爭(zhēng)型否CSMASMACS2000分配性是TDMA/FDMATRAMA2003分配性是TDMA/CSMADMAC2004分配性是TDMA/SlotedALOHAZMAC2005混合性是TDMA/CSMA目錄MAC協(xié)議概述競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議總結(jié)13競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議基本思想發(fā)送時(shí)主動(dòng)搶占，CSMA方式（載波偵聽多路訪問(wèn)）CSMA/CA主要使用兩種方法來(lái)避免碰撞：發(fā)送數(shù)據(jù)前，偵聽信道狀態(tài)，等沒(méi)有人使用信道，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，才發(fā)送數(shù)據(jù)。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)。發(fā)送數(shù)據(jù)前，先發(fā)一段小小的請(qǐng)求傳送封包（RTS

:RequesttoSend）給目標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng)封包后，才開始發(fā)送按需分配優(yōu)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流量和規(guī)模變化自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓赃m應(yīng)算法較簡(jiǎn)單典型協(xié)議SMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift14802.11MAC協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議有分布式協(xié)調(diào)DCF和點(diǎn)協(xié)調(diào)（pointcoordinationfunction，PCF）兩種訪問(wèn)控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11協(xié)議的基本訪問(wèn)控制方式。在DCF工作方式下，節(jié)點(diǎn)在偵聽到無(wú)線信道忙之后，采用CSMA/CA機(jī)制和隨機(jī)退避時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道的共享。另外，所有定向通信都采用立即的主動(dòng)確認(rèn)（ACK幀）機(jī)制：如果沒(méi)有收到ACK幀，則發(fā)送方會(huì)重傳數(shù)據(jù)。PCF工作方式是基于優(yōu)先級(jí)的無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)，是一種可選的控制方式。它通過(guò)訪問(wèn)接入點(diǎn)（accesspoint，AP）協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過(guò)輪詢方式查詢當(dāng)前哪些節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送的請(qǐng)求，并在必要時(shí)給予數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)15RTS請(qǐng)求發(fā)送分組CTS清除發(fā)送分組NAV網(wǎng)絡(luò)分配矢量16ABCD三種幀間間隔（1）SIFS（shortIFS）：最短幀間間隔。使用SIFS的幀優(yōu)先級(jí)最高，用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)，如ACK幀、CTS幀和控制幀等。（2）PIFS（PCFIFS）：PCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔，用以獲得在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期啟動(dòng)時(shí)訪問(wèn)信道的優(yōu)先權(quán)。（3）DIFS（DCFIFS）：DCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔，用以發(fā)送數(shù)據(jù)幀和管理幀。上述各幀間間隔滿足關(guān)系：DIFS>PIFS>SIFS17CSMA/CA的基本訪問(wèn)方式：主動(dòng)檢測(cè)信道，當(dāng)空閑大于DIFS時(shí)退避后訪問(wèn)信道二進(jìn)制隨機(jī)退避機(jī)制為避免碰撞，加入隨機(jī)退避時(shí)間：退避時(shí)間=Random（）×aSlottime18應(yīng)答與預(yù)留機(jī)制801.11主動(dòng)應(yīng)答與預(yù)留機(jī)制來(lái)提高性能收到DATA后向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK應(yīng)答（除廣播外）RTS和CTS中包含數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間NAV,為節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸預(yù)留了信道（在這段時(shí)間不會(huì)有節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)）19SMAC協(xié)議-設(shè)計(jì)目標(biāo)和基本思想設(shè)計(jì)目標(biāo)減少能量消耗空閑監(jiān)聽（802.11）、沖突（碰撞）、控制開銷、串音較好擴(kuò)展性和避免沖突基本思想周期性睡眠和監(jiān)聽；協(xié)商一致的睡眠調(diào)度機(jī)制（虛擬簇）流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制(減少信息的傳輸延遲)信令控制減少重傳和避免監(jiān)聽不必要的數(shù)據(jù)消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來(lái)減少控制信息的開銷和消息的傳遞延遲20SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1周期性睡眠和監(jiān)聽一個(gè)周期內(nèi)有睡眠和監(jiān)聽兩種狀態(tài)開始時(shí)，全監(jiān)聽周期，保證鄰居發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同，保持監(jiān)聽同步同步調(diào)度，形成虛擬簇效果降低功耗，增加延遲21SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2流量自適應(yīng)偵聽在一次通信過(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。碰撞和串?dāng)_避免采用與802.11相似的CSMA/CA通信過(guò)程:RTS/CTS/DATA/ACK(廣播除外）信道忙時(shí)睡眠讓收到CTS且處于偵聽狀態(tài)的鄰居節(jié)點(diǎn)睡眠22SMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3消息傳遞（針對(duì)WSN誤碼率高問(wèn)題）將長(zhǎng)的信息包分成若干個(gè)短的DATA段所有DATA使用一個(gè)RTS／CTS控制分組占用信道每個(gè)DATA都有ACK保障傳輸成功優(yōu)點(diǎn)

減少消息延遲減少控制開銷缺點(diǎn)公平性降低（短信息包發(fā)送等待較長(zhǎng)）23TMAC協(xié)議-基本思想SMAC協(xié)議調(diào)度占空比固定，不能很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度周期中的活躍時(shí)間長(zhǎng)度在TA（TimeActive）時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生激活事件則進(jìn)入睡眠24激活事件在活躍狀態(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(gè)時(shí)間段TA內(nèi)沒(méi)有發(fā)生激活事件時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。激活事件的定義如下：(1)定時(shí)器觸發(fā)周期性調(diào)度喚醒事件。(2)物理層從無(wú)線信道接收到數(shù)據(jù)包。(3)物理層信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)有的無(wú)線信道忙。(4)通過(guò)監(jiān)聽RTS/CTS幀，確認(rèn)鄰居的數(shù)據(jù)交換已經(jīng)結(jié)束。25TA的選擇周期性偵聽同步設(shè)計(jì)延用SMAC協(xié)議思想，周期性廣播SYNC幀TA的選擇前提：節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)串?dāng)_的RTS或CTS都能夠觸發(fā)一個(gè)新的監(jiān)聽間隔，為了確保節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)鄰居的串?dāng)_，TA的取值必須保證當(dāng)前節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)串?dāng)_的CTSTA>競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)間（C）+RTS發(fā)送時(shí)間（R）+CTS準(zhǔn)備時(shí)間（T）TMAC實(shí)驗(yàn)中，采用TA=1.5x(C+R+T)26TMAC協(xié)議-早睡問(wèn)題節(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)如圖：發(fā)送數(shù)據(jù)方向ABCD

27早睡問(wèn)題解決辦法（1）未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送（Futurerequest-to-send,FRTS）當(dāng)節(jié)點(diǎn)C收到B發(fā)給A的CTS后，立即向D發(fā)送一個(gè)FRTS。FRTS幀包含節(jié)點(diǎn)D接收數(shù)據(jù)前需要等待的時(shí)間長(zhǎng)度，D在此時(shí)間內(nèi)必須保持在監(jiān)聽狀態(tài)。由于C發(fā)送的FRTS可能干擾A發(fā)送的數(shù)據(jù)，所以A需要將發(fā)送的數(shù)據(jù)延遲相應(yīng)的時(shí)間。A在接收到CTS之后發(fā)送一個(gè)與FRTS長(zhǎng)度相同的DS幀，該幀不包含有用信息，只是為了保持AB對(duì)信道的占用，在發(fā)送DS之后A立即向B發(fā)送數(shù)據(jù)信息由于采用了FRTS機(jī)制。增加一個(gè)DS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(huì)降低TMAC協(xié)議的能量效率28早睡問(wèn)題解決辦法（2）滿緩沖區(qū)優(yōu)先當(dāng)節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)接近占滿時(shí)，對(duì)接收到的RTS幀不回復(fù)CTS，而是立即向緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS，以建立數(shù)據(jù)傳輸。如圖所示。B向C發(fā)送RTS，C因緩沖區(qū)快占滿不發(fā)送CTS，而是發(fā)送RTS給D這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了早睡問(wèn)題發(fā)生的可能性，在一定程度上能夠控制網(wǎng)絡(luò)的流量。缺點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較大時(shí)增加了沖突的可能。29PMAC協(xié)議-基本思想SMAC調(diào)度占空比固定，TMAC早睡問(wèn)題引入模式信息，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)行空閑監(jiān)聽周期長(zhǎng)度比較30PMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1模式的生成由一個(gè)二進(jìn)制位串組成每一位表示節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙應(yīng)處于何種狀態(tài)，1為監(jiān)聽，0為睡眠形式：0m1，m=0,1,…N-1，m代表串中0的個(gè)數(shù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)的模式串為1，表示流量很大節(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)聽時(shí)隙內(nèi)仍無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送：更新模式為001；依此類推31PMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2時(shí)間幀劃分32模式的交換在當(dāng)前周期結(jié)束時(shí)將進(jìn)行廣播來(lái)交換模式信息引入超幀STF,分為兩個(gè)子幀PRTF和PETF模式重復(fù)時(shí)間幀PRTF，節(jié)點(diǎn)重復(fù)自己的模式模式交換時(shí)間幀PETF，鄰居之間進(jìn)行模式信息交換WiseMAC協(xié)議-基本思想33基于CSMA機(jī)制，使用前導(dǎo)采樣技術(shù)通過(guò)本地同步的廣播獲得最小的前導(dǎo)長(zhǎng)度隨機(jī)的前導(dǎo)長(zhǎng)度保證沖突避免WiseMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)134前導(dǎo)采樣對(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)聽所有節(jié)點(diǎn)都保持相同的采樣時(shí)間Tw采樣時(shí)監(jiān)聽到信道忙，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)聽狀態(tài)WiseMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2前導(dǎo)長(zhǎng)度最小化根據(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)35圖3?11同步前導(dǎo)采樣Sift協(xié)議-基本思想1適用于事件驅(qū)動(dòng)型傳感器網(wǎng)絡(luò)出發(fā)點(diǎn)空間和時(shí)間相關(guān)性并非每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要報(bào)告事件時(shí)變性設(shè)計(jì)目的N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36Sift協(xié)議-基本思想2常規(guī)窗口競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議在[1，CW]時(shí)間長(zhǎng)度窗口內(nèi)，等概率選擇發(fā)送時(shí)槽沖突時(shí)就倍增時(shí)間窗口大小CW，等概率選取發(fā)送時(shí)間Sift協(xié)議固定長(zhǎng)度的競(jìng)爭(zhēng)窗口不等概率選擇時(shí)槽，在不同時(shí)槽采用不同的選擇概率37Sift協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)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。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。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)隙r∈[1，CW]發(fā)送數(shù)據(jù)的概率為Pr。Pr的概率分布如下(保證有且僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)的概率最高)：38Sift協(xié)議評(píng)價(jià)缺點(diǎn)需要節(jié)點(diǎn)間保持時(shí)間同步對(duì)空閑監(jiān)聽考慮較少優(yōu)點(diǎn)適合與分簇結(jié)構(gòu)，簇頭持續(xù)偵聽以簇頭能耗代價(jià)減少通信延遲39目錄MAC協(xié)議概述競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議總結(jié)40分配型MAC協(xié)議基本思想將一個(gè)物理信道分為多個(gè)子信道將子信道靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地分配給需要通信的節(jié)點(diǎn)，避免沖突根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信流量最大限度地節(jié)省能量?jī)?yōu)點(diǎn)無(wú)沖突無(wú)隱藏終端問(wèn)題易于休眠典型協(xié)議SMACS、TRAMA、DMAC、BMAC41SMACS協(xié)議-基本思想1結(jié)合TDMA、FDMA的基本思想假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能在多個(gè)載波頻點(diǎn)上進(jìn)行切換將每個(gè)雙向信道定義為兩個(gè)時(shí)間段發(fā)現(xiàn)鄰居后立即分配信道每個(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)42SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1鏈路建立引入超幀的概念，用固定參數(shù)Tframe表示在上電后先進(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43SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2異步分配通信

鏈路建立節(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)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)兩個(gè)時(shí)隙分配不同的頻點(diǎn)fx和fySMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)3鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配假設(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Type2C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)4鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配節(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。46鄰居發(fā)現(xiàn)TRAMA協(xié)議-基本思想將一個(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)隙節(jié)點(diǎn)交換兩跳內(nèi)鄰居信息和分配信息采用流量自適應(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)47時(shí)隙分配TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1NP協(xié)議節(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)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。控制信息中攜帶了節(jié)點(diǎn)ID、兩跳鄰居是否有數(shù)據(jù)發(fā)送等，構(gòu)建兩跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)流量信息。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)送每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)唯一的節(jié)點(diǎn)ID獨(dú)立計(jì)算兩跳內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)槽上的優(yōu)先級(jí)（贏時(shí)槽）。48TRAMA協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2調(diào)度交換協(xié)議(SEP)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)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)度信息節(jié)點(diǎn)通過(guò)調(diào)度分組廣播調(diào)度信息（贏時(shí)槽向誰(shuí)發(fā)送數(shù)據(jù)、放棄該贏時(shí)槽等調(diào)度信息）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AEA算法根據(jù)兩跳內(nèi)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和一跳鄰居調(diào)度信息來(lái)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)49TRAMA協(xié)議評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)通過(guò)分布式協(xié)商實(shí)現(xiàn)無(wú)沖突發(fā)送數(shù)據(jù)無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)保持睡眠，節(jié)省能量避免將時(shí)槽分配給沒(méi)有信息發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，保證網(wǎng)絡(luò)高數(shù)據(jù)傳輸率缺點(diǎn)較大空間存儲(chǔ)拓?fù)浜袜従诱{(diào)度信息需計(jì)算所有兩跳鄰居的優(yōu)先級(jí)和運(yùn)行AEA算法適用場(chǎng)景適用于周期性數(shù)據(jù)收集或檢測(cè)應(yīng)用50DMAC協(xié)議-基本思想適合于節(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目標(biāo)：減少SMAC/TMAC等的傳輸延遲采用預(yù)先分配的方法來(lái)避免睡眠延遲引入了一種交錯(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51DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1交錯(cuò)喚醒機(jī)制假設(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（拓?fù)浞€(wěn)定）假設(shè)數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點(diǎn)向唯一的sink單向傳輸假設(shè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間保持時(shí)鐘同步52DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)2交錯(cuò)喚醒機(jī)制在一個(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)在樹狀結(jié)構(gòu)上能持續(xù)傳輸，不被睡眠所中斷每個(gè)間隔分為接收、發(fā)送和睡眠三個(gè)周期。53DMAC協(xié)議基本機(jī)制DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)4自適應(yīng)占空比機(jī)制如果節(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)送周期占空比通過(guò)在MAC層數(shù)據(jù)幀的幀頭加入一個(gè)標(biāo)記(moredataflag)，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54DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)5數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)制（親兄弟節(jié)點(diǎn)干擾）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)點(diǎn)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)其他子節(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)（u為一次數(shù)據(jù)通信過(guò)程需要的時(shí)間u=競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間（固定后退時(shí)間和等待窗口隨機(jī)時(shí)間）+數(shù)據(jù)發(fā)送事件+發(fā)送ACK固定延遲+發(fā)送ACK時(shí)間55DMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)6MTS（moretosend）幀機(jī)制（表兄弟節(jié)點(diǎn)干擾）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MTS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56目錄MAC協(xié)議概述競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議分配型MAC協(xié)議混合型MAC協(xié)議總結(jié)57ZMAC協(xié)議-CSMA與TDMA58競(jìng)爭(zhēng)信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)目信道利用率TDMACSMA理想目標(biāo)能夠混合兩種訪問(wèn)方式，獲得最優(yōu)的信道利用率（QoS）?ZMAC協(xié)議-基本思想采用TDMA機(jī)制為基本方法,為節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙節(jié)點(diǎn)可以選擇任何時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，無(wú)時(shí)隙節(jié)點(diǎn)也能夠通過(guò)CSMA與分配時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)前提是分配時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸分配時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)具有最高發(fā)送優(yōu)先級(jí)引入時(shí)間幀，為節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙59ZMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)1時(shí)隙分配DRAND算法60CDAFBCDA