MAC层协议1解读

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面临的挑战：
* 要求严格的时间同步，这对计算和 处理能力有限的传感器节 点是个难题 * 要求能够根据节点的需求进行时隙分配调度，这就要求有完 善的调度算法 * 扩展性不好，一旦帧长度和时隙分配算法确定就很难调整， 对于网络拓扑的适应性较差
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基于分簇网络的MAC协议

将传感器节点分簇，簇首节点进行数据融合后把 聚集的数据传送给汇聚节点。这种方式能满足传 感器网络的可扩展性，有效的维持传感器节点的 能量消耗，从而延长网络生命周期
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协议通信配置

采用了基于二跳簇的网络拓扑结构，在簇首节点与汇 聚节点的通信采用 FDMA （频分多址）编码。在同一 簇内，簇内节点和簇首节点的通信被分为交替循环的 两个阶段
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随机访问阶段

在随机访问阶段, 簇内节点采用CSMA /CA机制实现与 簇首节点建立通信连接, 实现无线信道的共享。 簇内节点在发送数据包之前, 先发送请求帧, 簇首节点 收到请求帧后发送清除帧进行应答, 簇内节点根据自己 采集的信息流量, 向簇首节点发送携带自己节点编号ID 和信息流量大小的预约信息数据包。当簇首节点收到 数据包后, 向簇内节点广播一个应答帧( ACK )确认数 据包已被正确接收。簇内其它节点侦听到请求帧或者 清除帧后等待直到本次数据包发送完成然后再次竞争 信道。利用CSMA /CA 机制, 簇首收到全部簇内节点 发送的数据包后, 通过分析各簇内节点需要发送的信息 流量大小建立信息调度访问列表, 该调度访问列表决定 了簇内各节点在调度访问阶段的工作时隙段。
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基于分簇的MAC协议中，节点的状态有四种：感知状 态、转发状态、感知并转发状态以及休眠状态。 周期性的将时间帧分为四个阶段：
* 簇内数据传输阶段，簇内各节点在自己的发送时隙内将本节 点感知到的数据发送给簇头 * 簇内状态报告阶段，簇内节点将本节点的状态报告给簇头 * 时隙调度分配阶段，簇头根据簇内状态报告阶段收集到的节 点转台信息，给簇内节点分配时隙 * 重组阶段，这个阶段是由事件触发的，簇头根据发生的事件 重新给簇内节点分配时隙，这个阶段不是经常被触发的，往 往间隔多个周期才会有事件触发本阶段
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随机访问阶段

簇首节点将包含这些信息的数据包在调度访问阶段的 第一个时隙(调度时隙) 内向簇内所有节点广播。各簇 内节点收到广播信息后, 调整时间同步, 转入睡眠状态 直到分配给自己的时隙段来临时醒来, 进入采集信息的 发送。假如一个簇内节点没有采集信息需要发送, 该节 点在收到数据包后立即转入睡眠状态直到下一循环开 始才醒来。簇内各节点通过查看调度访问列表来掌握 下一循环开始的时间。
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无线局域网

在无线局域网中，MAC所对应的标准为IEEE 802.11 在无线局域网802.11协议中，冲突检测存在一定的问 题，这个问题称为“near/far”现象，这是因为在无线 系统中无法做到一边接收数据信号同时一边传送数据 信号。IEEEE802.11协议簇对CSMA/CD做了一些调整， 新的协议载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）
MAC层协议
目录
§简介 §MAC层算法 §MAC层协议分类 §基于TDMA机制的MAC协议 §几种典型的协议
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传统局域网


在传统局域网中，各种传输介质的物理层对应到相应 的MAC层，目前普遍使用的网络采用的是IEEE 802.3 的MAC层标准，采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/ 冲突检测）访问控制方式。 802.3协议中，用CSMA/CD的协议来完成各个终端站 间的调节，这个协议解决了在Ethernet中的各个工作 站怎样在共享线缆上进行传输的问题，利用它检测和 避免当两个或两个以上的网络设备需要进行数据传送 时造成的网络上的冲突。
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特点
能够根据簇内节点的状态和触发事件及时更新簇内时 隙调度，从而能适应网络拓扑的变化，节点加入或者 离开簇，节点状态的变化等。 簇头需有较强的处理数据的能力、发送接收数据的能 力以及有充足的能量

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DEANA协议


DEANA（Distributed Energy-Aware Node Activation）分布式能量感知协议 将时间周期性的划分为帧，每帧又被划分为两个阶段， 即调度访问阶段和随机访问阶段。 调度访问阶段又被划分为多个数据时隙，DEANA协议 将数据时隙根据一定的时隙调度算法分配给不同的节 点，实现无碰撞数据传输 调度访问阶段中，每个节点都会分配到自己的数据时 隙，用来发送和接收数据，在不属于自己的数据时隙 里，节点则进入休眠状态进行节能。
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随机访问阶段

由于在随机访问阶段簇内节点与簇首节点通信过程中 发送的数据包仅仅包含一些简单的控制信息, 信息量小, 而且簇内每个节点仅发送一个数据包, 这样使得系统在 随机访问阶段通信量很小, 阶段持续时间相应也很短, 避免了簇内节点长时间的侦听等待, 有利于提高系统的 能效。同时, 在随机访问阶段采用CSMA /CA 机制能 够很简单的解决簇内隐蔽节点的问题。
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集中式访问控制


PCF（Point Coordination Function）点协调功能 提供无竞争的帧传送，在这种工作模式下，置于访问 节点AP中的中心控制器控制来自工作站的帧的发送。 所有工作站均服从中心控制器（P C ）的控制。在竞 争期的开始，P C首先获得介质的控制权。这样中心 控制器就可在无竞争期保持控制权；PC 通过发送CFpoll 轮询有数据要发送的工作站，工作站收到轮询帧 后必须予以反应。PC遵循PIFS 对介质访问；因为 PIFS 比DIFS小，PCF 能够获得介质并且在它轮询和 接收相应时把所有的DCF方式下发出的帧排出介质外。 工作站具有被轮询与否的选择权。中心控制器维护着 一个轮询队列，队列中的工作站在无竞争期受到轮询。
假设传感器网络用于数据的收集业务多个传感器节点向一个汇聚节点发送采集到的数据中间的传感器节点进行转发从而形成了以汇聚节点为根节点的数据采集树整理课件21dmac协议的核心思想是交错调度机制节点周期性的将帧划分为接收状态发送状态和休眠状态接收状态和发送状态长度相等并且两个状态紧紧相连节点根据自己在数据采集树中的深度调整接收状态的偏移时间最后达到的交错效果为本层节点的发送状态要和下层节点的接收状态对齐这样数据收集树上有数据要发送给汇聚节点时就能送感知节点无延时的到达目的地从而解决了smac和tmac协议中时延累加的问题感谢亲观看此幻灯片此课件部分内容来源于网络如有侵权请及时联系我们删除谢谢配合
上一MAC协议由于引入了周期性的侦听/休眠机 制，导致数据在传输过程中经常出现要等待一整个休 眠周期才能继续进行数据传输的问题。 DMAC协议基于数据采集树提出来的 数据采集树：假设传感器网络用于数据的收集业务， 多个传感器节点向一个汇聚节点发送采集到的数据， 中间的传感器节点进行转发，从而形成了以汇聚节点 为根节点的数据采集树。
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分布式访问控制

DCF（Distrbuted Coordination Function）分布式 协调功能 每个节点都使用CSMA机制接入，使用的竞争服务模 式 当工作站监听到介质空闲时，工作站会延迟相应的一 个帧间时隙（IFS），如果此时介质保持忙状态，站点 使用退避算法并继续监听介质；如果介质空闲，站点 才传输
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随机访问阶段又被划分为多个信令时隙，信令时隙没有被 分配给特定的节点，节点在信令时隙随机接入信道发送信 令，实现时间同步、节点的添加/删除等功能。 为了进一步节能，协议将数据时隙又细分为控制子时隙和 数据传输子时隙，前者相对于后者而言比较短。在分配到 的数据时隙中，节点若有数据需要发送，则在控制子时隙 发送控制信息并在后续的数据传输子时隙发送数据，其他 不需要发送数据的节点在控制子时隙处于接收状态。若其 他节点接收到控制信息并且自己是目的节点，则在这一整 个数据时隙里保持接收状态，以保证完成后续数据的接收； 若接收到控制信息后发现自己不是目的节点，则进入休眠 状态，知道自己分配到下一个时隙才醒来。

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DMAC协议的核心思想是交错调度机制 节点周期性的将帧划分为接收状态、发送状态和休眠 状态，接收状态和发送状态长度相等并且两个状态紧 紧相连，节点根据自己在数据采集树中的深度调整接 收状态的偏移时间，最后达到的交错效果为本层节点 的发送状态要和下层节点的接收状态对齐，这样，数 据收集树上有数据要发送给汇聚节点时，就能送感知 节点无延时的到达目的地，从而解决了SMAC和 TMAC协议中时延累加的问题。
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MAC层算法

MAC层的目的是在LLC层的支持下为共享介质提供访 问控制功能。 802.11工作组考虑了两种操作模式：
* 分布式的访问控制，就像以太网一样，用载波监听的方法将 控制各站点对介质的访问； * 集中式访问控制，由一个中央的决定者来协调访问。 * 另外，MAC还提供了分段存储和分段重组服务，讲MSDU分 成较小的单元进行传输。
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基于TDMA机制的MAC协议


每个节点分配独立于其他节点的时隙，在属于自己的 时隙内进行数据的发送、接收和睡眠三种状态，在发 送状态完成数据的发送，在接收状态完成数据的接收， 在睡眠时隙保持休眠。 优点：
* 可以避免节点间数据的碰撞，减少因为碰撞产生的能耗 * 在睡眠时隙进入睡眠状态进行节能，减少因为空闲侦听产生 的能耗 * 发送数据时不需要过多的控制信息，较少因为控制信息产生 的能耗
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调度访问阶段

在调度访问阶段, 各个簇内节点在调度访问列表规定的 时隙段醒来向簇首节点发送采集信息。在一个簇内节 点发送采集信息的时候, 其他簇内节点依然保持睡眠状 态, 通过这方式实现数据无冲突通信, 以达到有效节能 的目的。同时, 通过避免把时隙分配给无流量的节点, 而使其在整个调度访问阶段都处于睡眠状态以提高系 统能效。安排可变长度的时隙段, 也有利于最大化的利 用信道和延长节点睡眠时间。