无线传感器网络第二讲-MAC
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listening session ，一个是sleeping session
含调度MAC协议
S-MAC 帧格式
含调度MAC协议
缺点:
✓ 在Listen时间期间时，即使没有数据的发送或者接收，节点 依然处在苏醒状态，因此依然有能量的浪费。
结论
➢ 一些MAC协议在无线网络和无线传感器网络中都得到了应用 ➢ 所有的无线传感器网络的MAC协议的设计都是以节能为目的 ➢ 没有通用的最好的MAC协议，每个MAC协议总是有某些方面的优缺点
都使用了确认机制。 ➢ 除了使用物理载波侦听， IEEE 802.11还使用了虚拟载波侦听（NAV）。
无线MAC协议
缺点：IEEE 802.11设备由于很大一部分时间都处在侦听而不 接收数据的状态，因此消耗了大量的能量。
802.11 数据传输
差异与限制
传统MAC协议可以提供：
高吞吐量
低延迟
公平性
无调度MAC协议
1.3- B-MAC:
策略 : ➢ 同STEM-T类似，使用一个tone来唤醒邻居节点 ➢ 使用了很长的报头用来传输消息
B-MAC Data Transfer
无调度MAC协议
缺点： ➢ B-MAC 同样有无意偷听（ overhearing ）的问
题 ➢ 前导码（preamble）太长消耗了大量能量
[3] Salman Faiz Solehria, Sultanullah Jadoon, “ Medium Access Control Protocol for Wireless Sensor Network – a Survey“, in IEEE 2010.
[4] K. LANGENDOEN , “MEDIUM ACCESS CONTROL IN WIRELESS SENSOR NETWORKS“.
含调度MAC协议
缺点： 当传感器节点进入网络时，必须等待直到他
们获悉，导致一部分延迟 增加的信息导致的耗费 传感器密度以及移动方面的改变不灵活 所有的节点必须严格同步
含调度MAC协议
2.1 - S-MAC:
策略 :
➢ 节点周期性进入固定的listen/sleep循环 ➢ S-MAC中的时间帧被分为两个部分：一个是
WSN的功耗
无线传感器网络中的功率消耗是其中最大 的挑战之一，这是由于传感器的能源有限， 而且在某些特定的场景中，例如战场或者 大范围的森林等，传感器节点很难进行更 换或者充电。
WSN的功耗
典型的节点组件 的一般能耗
WSN的功耗来源
1- useful power consumption:
➢ 发送，接收数据 ➢ 处理询问请求 ➢ 转发询问和数据到邻居节点
ter/ Receiver
简介(内容)
无线传感器网络的目的
• 定期收集数据 • 将数据转换为电子信号 • 最后将数据传送到基站节 点或者汇聚节点
简介(内容)
无线传感器网络的类型
➢ Temperature sensor ➢ Light sensor ➢ Sound sensor ➢ Vibration Sensor
无线MAC协议
3-IEEE 802.11 :
➢ Infrastructure mode :设备通过接入点（AP），利用点协调功能 （PCF）实现通信。
➢ Ad hoc mode: 设备间直接相连，利用分布协调功能（DCF）直接通信 ➢ PCF和DCF都使用了跟CSMA/CA类似的信道接入方法，同时为了可靠性
无调度MAC协议
1.4- Wise MAC:
策略 : 使用同B-MAC类似的技术，但是传感器节点通过记住邻居节点的
采样偏置（ sampling offset ）来减少能耗
Wise MAC Data Transfer
无调度MAC协议
优点:
➢ 减少了节点传输前导码（preamble）的时间，同时减小了发送每个信 息时无意侦听（overhearing）的节点数目。
无调度MAC协议
1.2- STEM: stands for Sparse Topology and
Energy Management 策略：
➢ 使用两个不同的信道，wakeup 信道和data信道 ➢ 每个节点需要两个收发器
STEM duty cycle for single node
无调度MAC协议
B能收到A和C的信号，但C因距A远，收不到A的信号，对C而言，A是” 隐匿的终端”， 侦听不到A的信号
(a)
A
C
Data Frame
A transmits data frame
C senses medium,
B
station A is hidden from C
A 和 C 发送的信号将在B处冲突，但C收不到A的信号，
简介(内容)
通信模式 Broadcast：基站对其所有邻居发送信息 汇聚传输Converge cast：一组传感器节
点同一个特定节点之间的通信 Local gossip：传感器节点发送信息到其
邻居节点
简介(内容)
WSN的应用
➢ Global scale ➢ Battle field ➢ Factories ➢ Buildings ➢ Homes ➢ bodies
络流量以及拓扑结构方面的改变， 缺点: ➢ 由于所有节点侦听信道，就节约能源方面而言性能
最差
无调度MAC协议
1.1- PAMAS: stands for Power Aware Multi-Access
策略： 每个节点使用多个收发器
PAMAS Data Transfer
无调度MAC协议
优点： 可以有效避免碰撞 缺点： 多无线电要求 增加了能量消耗 增加了设备的复杂性和费用
WSN的功耗来源
2- wasteful power consumption:
➢ 信道的空闲侦听， “ waiting for possible traffic”. ➢ 由于碰撞导致的重传，例如两个数据包同时到达同一节点 ➢ 无意偷听：当节点接收到一个不属于他的数据包时 ➢ 产生和处理控制数据包开销
Medium Access Control
无调度MAC
含调度MAC
无调度MAC协议
1- Unscheduled MAC:
策略：
➢节点在发送信息之前先侦听媒介。如 果媒介忙，随机等待一段时间后重试。 如果媒介空闲，则发送消息。
无调度MAC协议
优点: ➢ 相较于含调度MAC协议，能够适应节点密度，网
因而不能检测出冲突
(b)
Data Frame B
Data Frame
C
A
C transmits data frame
& collides with A at B
New MAC: CSMA with Collision Avoidance CSMA/CA
CSMA /CA
载波侦听/冲突避免 如何解决“隐匿终端问题
1.2.1- STEM-B:
策略：传感器节点通过发送信标（beacon）唤醒一个邻居 节点
优点:
➢ 低延迟
缺点:
➢ 更加的复杂 ➢ 高耗能
无调度MAC协议
1.2.2- STEM-T:
策略 : 传感器节点发送一个长度足够长的tone，使 得目的邻居节点有很大的可能性感知到它，从而唤 醒一个邻居节点
缺点： ➢ 高延迟 ➢ 导致无意偷听（ overhearing ）
暴露终端问题
C 欲向D发送信息
由于C 侦听到信道忙，C 必须等待。
但是站A在C的射频覆盖范围之外，因此C的等待是 不必要的。 所以说， B“暴露” 给C
无线MAC协议
CSMA
CSMA/CA
IEEE 802.11
传统MAC协议
无线MAC协议
1- CSMA :
➢ Non Persistent: 如果设备检测到信道为忙碌，则先等待 一个随机退避时间，然后尝试发送。
WSN的功耗
在满足应用需求的前提下，如何最小化传感器 节点的能量消耗？ 使用某些协议尽可能的增大节点处在sleep状态 的周期。
无线网络的另一个问题
隐藏终端问题
WLAN 的 MAC 技术
WLAN的MAC层为什么用CSMA/CA, 不用CSMA/CD 技术？
无线环境中不容易检测出是否发生冲突 存在“隐匿的终端” 问题
缺点:
➢ 发送ACK消息导致额外耗费，以及存储邻居节点的采样偏置的 （ sampling offset ） 的需求内存
无线传感器网络MAC协议
2- Scheduled MAC:
策略 :使用一个共同的调度方法协调节点运作，从而 减小能耗
优点： 在分配的时隙以外关闭收发系统从而减少能源浪费 限制了碰撞，空闲侦听以及无意偷听
目录
简介 无线传感器网络（WSN） 的功耗 无线MAC协议 差异与限制 WSN的特性 WSN的MAC协议 总结
简介
什么是无线感知网络？
它是传感器节点设备的集合 传感器节点体积小，价格低廉且功率受限 协同网络 节点通过多跳路由 进行无线通信 网络拓扑结构动态变化的 网络散步过量的节点
(a)
RTS
B
A requests to send
C
A 发RTS 请求发送
(b)
CTS B
CTS
A
C
B announces A ok to send
(c)
B 发 CTS 允许A发送
Data Frame B
A sends
A 发数据帧
C remains quiet
C 能够收到CTS， 因而保持静默
无线网络的另一个问题
简介(内容)
节点的组成部分和原理
Processor
Memory RF Radio Power Source Sensor GPS
Signal Processor Sensors
Control
Power
Processing And
Decision Making
Wireless Transmit
➢ P- Persistent:如果信道检测到信道忙碌，设备会继续侦 测信道。
➢ CSMA 需要使得设备在不发送信息时处于接收状态。 缺点: 收发器消耗能量过快
无线MAC协议
2- CSMA/CA :
➢ 使用如RTS，CTS等控制消息预留信道 ➢ 首先站点执行CSMA算法 ➢ 如果确定了用于传送的适当时间，站点发送RTS ➢ 然后目标回应CTS消息 缺点：在RTS上仍然可能会发生碰撞
移动性
但是缺少对能源的考虑
改进型的MAC协议：
以最小的能量尽力提供最好的性能
无线传感器网络的特性
WSN 应该包含以下特性：
➢ 节约能源 ➢ 扩展性和适应性
首要目标
➢ 吞吐量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
➢ 公平性
次重要
➢ 延迟
MAC 协议应该
➢ 建立传感器节点间的链路 ➢ 使得节点公平有效地共享介质
无线传感器网络MAC协议
Thank you
Reference
[1] K. Kredo II, P. Mohapatra, “Medium Access Control in Wireless Sensor Networks”, in 29 June 2006.
[2] A. Bachir, M. Dohler, T. Watteyne, and K. Leung, “ MAC Essentials for Wireless Sensor Networks, “ in IEEE 2010.
含调度MAC协议
S-MAC 帧格式
含调度MAC协议
缺点:
✓ 在Listen时间期间时，即使没有数据的发送或者接收，节点 依然处在苏醒状态，因此依然有能量的浪费。
结论
➢ 一些MAC协议在无线网络和无线传感器网络中都得到了应用 ➢ 所有的无线传感器网络的MAC协议的设计都是以节能为目的 ➢ 没有通用的最好的MAC协议，每个MAC协议总是有某些方面的优缺点
都使用了确认机制。 ➢ 除了使用物理载波侦听， IEEE 802.11还使用了虚拟载波侦听（NAV）。
无线MAC协议
缺点：IEEE 802.11设备由于很大一部分时间都处在侦听而不 接收数据的状态，因此消耗了大量的能量。
802.11 数据传输
差异与限制
传统MAC协议可以提供：
高吞吐量
低延迟
公平性
无调度MAC协议
1.3- B-MAC:
策略 : ➢ 同STEM-T类似，使用一个tone来唤醒邻居节点 ➢ 使用了很长的报头用来传输消息
B-MAC Data Transfer
无调度MAC协议
缺点： ➢ B-MAC 同样有无意偷听（ overhearing ）的问
题 ➢ 前导码（preamble）太长消耗了大量能量
[3] Salman Faiz Solehria, Sultanullah Jadoon, “ Medium Access Control Protocol for Wireless Sensor Network – a Survey“, in IEEE 2010.
[4] K. LANGENDOEN , “MEDIUM ACCESS CONTROL IN WIRELESS SENSOR NETWORKS“.
含调度MAC协议
缺点： 当传感器节点进入网络时，必须等待直到他
们获悉，导致一部分延迟 增加的信息导致的耗费 传感器密度以及移动方面的改变不灵活 所有的节点必须严格同步
含调度MAC协议
2.1 - S-MAC:
策略 :
➢ 节点周期性进入固定的listen/sleep循环 ➢ S-MAC中的时间帧被分为两个部分：一个是
WSN的功耗
无线传感器网络中的功率消耗是其中最大 的挑战之一，这是由于传感器的能源有限， 而且在某些特定的场景中，例如战场或者 大范围的森林等，传感器节点很难进行更 换或者充电。
WSN的功耗
典型的节点组件 的一般能耗
WSN的功耗来源
1- useful power consumption:
➢ 发送，接收数据 ➢ 处理询问请求 ➢ 转发询问和数据到邻居节点
ter/ Receiver
简介(内容)
无线传感器网络的目的
• 定期收集数据 • 将数据转换为电子信号 • 最后将数据传送到基站节 点或者汇聚节点
简介(内容)
无线传感器网络的类型
➢ Temperature sensor ➢ Light sensor ➢ Sound sensor ➢ Vibration Sensor
无线MAC协议
3-IEEE 802.11 :
➢ Infrastructure mode :设备通过接入点（AP），利用点协调功能 （PCF）实现通信。
➢ Ad hoc mode: 设备间直接相连，利用分布协调功能（DCF）直接通信 ➢ PCF和DCF都使用了跟CSMA/CA类似的信道接入方法，同时为了可靠性
无调度MAC协议
1.4- Wise MAC:
策略 : 使用同B-MAC类似的技术，但是传感器节点通过记住邻居节点的
采样偏置（ sampling offset ）来减少能耗
Wise MAC Data Transfer
无调度MAC协议
优点:
➢ 减少了节点传输前导码（preamble）的时间，同时减小了发送每个信 息时无意侦听（overhearing）的节点数目。
无调度MAC协议
1.2- STEM: stands for Sparse Topology and
Energy Management 策略：
➢ 使用两个不同的信道，wakeup 信道和data信道 ➢ 每个节点需要两个收发器
STEM duty cycle for single node
无调度MAC协议
B能收到A和C的信号，但C因距A远，收不到A的信号，对C而言，A是” 隐匿的终端”， 侦听不到A的信号
(a)
A
C
Data Frame
A transmits data frame
C senses medium,
B
station A is hidden from C
A 和 C 发送的信号将在B处冲突，但C收不到A的信号，
简介(内容)
通信模式 Broadcast：基站对其所有邻居发送信息 汇聚传输Converge cast：一组传感器节
点同一个特定节点之间的通信 Local gossip：传感器节点发送信息到其
邻居节点
简介(内容)
WSN的应用
➢ Global scale ➢ Battle field ➢ Factories ➢ Buildings ➢ Homes ➢ bodies
络流量以及拓扑结构方面的改变， 缺点: ➢ 由于所有节点侦听信道，就节约能源方面而言性能
最差
无调度MAC协议
1.1- PAMAS: stands for Power Aware Multi-Access
策略： 每个节点使用多个收发器
PAMAS Data Transfer
无调度MAC协议
优点： 可以有效避免碰撞 缺点： 多无线电要求 增加了能量消耗 增加了设备的复杂性和费用
WSN的功耗来源
2- wasteful power consumption:
➢ 信道的空闲侦听， “ waiting for possible traffic”. ➢ 由于碰撞导致的重传，例如两个数据包同时到达同一节点 ➢ 无意偷听：当节点接收到一个不属于他的数据包时 ➢ 产生和处理控制数据包开销
Medium Access Control
无调度MAC
含调度MAC
无调度MAC协议
1- Unscheduled MAC:
策略：
➢节点在发送信息之前先侦听媒介。如 果媒介忙，随机等待一段时间后重试。 如果媒介空闲，则发送消息。
无调度MAC协议
优点: ➢ 相较于含调度MAC协议，能够适应节点密度，网
因而不能检测出冲突
(b)
Data Frame B
Data Frame
C
A
C transmits data frame
& collides with A at B
New MAC: CSMA with Collision Avoidance CSMA/CA
CSMA /CA
载波侦听/冲突避免 如何解决“隐匿终端问题
1.2.1- STEM-B:
策略：传感器节点通过发送信标（beacon）唤醒一个邻居 节点
优点:
➢ 低延迟
缺点:
➢ 更加的复杂 ➢ 高耗能
无调度MAC协议
1.2.2- STEM-T:
策略 : 传感器节点发送一个长度足够长的tone，使 得目的邻居节点有很大的可能性感知到它，从而唤 醒一个邻居节点
缺点： ➢ 高延迟 ➢ 导致无意偷听（ overhearing ）
暴露终端问题
C 欲向D发送信息
由于C 侦听到信道忙，C 必须等待。
但是站A在C的射频覆盖范围之外，因此C的等待是 不必要的。 所以说， B“暴露” 给C
无线MAC协议
CSMA
CSMA/CA
IEEE 802.11
传统MAC协议
无线MAC协议
1- CSMA :
➢ Non Persistent: 如果设备检测到信道为忙碌，则先等待 一个随机退避时间，然后尝试发送。
WSN的功耗
在满足应用需求的前提下，如何最小化传感器 节点的能量消耗？ 使用某些协议尽可能的增大节点处在sleep状态 的周期。
无线网络的另一个问题
隐藏终端问题
WLAN 的 MAC 技术
WLAN的MAC层为什么用CSMA/CA, 不用CSMA/CD 技术？
无线环境中不容易检测出是否发生冲突 存在“隐匿的终端” 问题
缺点:
➢ 发送ACK消息导致额外耗费，以及存储邻居节点的采样偏置的 （ sampling offset ） 的需求内存
无线传感器网络MAC协议
2- Scheduled MAC:
策略 :使用一个共同的调度方法协调节点运作，从而 减小能耗
优点： 在分配的时隙以外关闭收发系统从而减少能源浪费 限制了碰撞，空闲侦听以及无意偷听
目录
简介 无线传感器网络（WSN） 的功耗 无线MAC协议 差异与限制 WSN的特性 WSN的MAC协议 总结
简介
什么是无线感知网络？
它是传感器节点设备的集合 传感器节点体积小，价格低廉且功率受限 协同网络 节点通过多跳路由 进行无线通信 网络拓扑结构动态变化的 网络散步过量的节点
(a)
RTS
B
A requests to send
C
A 发RTS 请求发送
(b)
CTS B
CTS
A
C
B announces A ok to send
(c)
B 发 CTS 允许A发送
Data Frame B
A sends
A 发数据帧
C remains quiet
C 能够收到CTS， 因而保持静默
无线网络的另一个问题
简介(内容)
节点的组成部分和原理
Processor
Memory RF Radio Power Source Sensor GPS
Signal Processor Sensors
Control
Power
Processing And
Decision Making
Wireless Transmit
➢ P- Persistent:如果信道检测到信道忙碌，设备会继续侦 测信道。
➢ CSMA 需要使得设备在不发送信息时处于接收状态。 缺点: 收发器消耗能量过快
无线MAC协议
2- CSMA/CA :
➢ 使用如RTS，CTS等控制消息预留信道 ➢ 首先站点执行CSMA算法 ➢ 如果确定了用于传送的适当时间，站点发送RTS ➢ 然后目标回应CTS消息 缺点：在RTS上仍然可能会发生碰撞
移动性
但是缺少对能源的考虑
改进型的MAC协议：
以最小的能量尽力提供最好的性能
无线传感器网络的特性
WSN 应该包含以下特性：
➢ 节约能源 ➢ 扩展性和适应性
首要目标
➢ 吞吐量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
➢ 公平性
次重要
➢ 延迟
MAC 协议应该
➢ 建立传感器节点间的链路 ➢ 使得节点公平有效地共享介质
无线传感器网络MAC协议
Thank you
Reference
[1] K. Kredo II, P. Mohapatra, “Medium Access Control in Wireless Sensor Networks”, in 29 June 2006.
[2] A. Bachir, M. Dohler, T. Watteyne, and K. Leung, “ MAC Essentials for Wireless Sensor Networks, “ in IEEE 2010.