第3章 无线传感器网络的MAC协议 郑军 机械工业出版社

多跳通信网络中，节点的周期性休眠会导致通信延迟 的累加

流量自适应监听机制：

在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后唤 醒并保持监听一段时间； 如果节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立即接收数据， 而不需要等到下一个监听周期。


优点：减少了两个节点间的数据传输延迟
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SMAC协议关键技术--消息冲突与串扰避免
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3.2.2 节能设计

数据通信是能量消耗最主要的来源 100m的距离上发送1kbit的数据需要消耗3J的能量 一个具有每秒处理100万条指令能力的通用处理器用3J能量 能够处理300万条指令
传感器节点要先利用其处理能力先对数据进行局部、简单的处 理，然后再将经过部分处理后的数据传送给汇聚节点

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复杂度与性能间的折中问题

在复杂度与性能之间寻找最佳折中方案
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性能指标间的折中问题
为了降低功耗，可能会增大消息或数据的迟延

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3.3 无线传感器网络的MAC协议
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3.3.1竞争型MAC协议
S-MAC 竞争型
T-MAC
WSN MAC协议 非竞争型
SMACS
DEANA
混合型
Funneling-MAC
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SMAC协议关键技术----长消息传递机制
发送长信息时存在的问题：


几个比特错误造成重传
简单地将长包分段，RTS/CTS的使用形成过多的控制开销
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SMAC协议关键技术----长消息传递机制

SMAC提出了“消息传递”机制：

将长的信息包分成若干个短的DATA段
所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分组 占用来自百度文库道
4. 控制开销
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3.2.3 MAC协议设计的技术挑战
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节点的休眠调度问题
在传感器节点中，无线通信模块的状态： 发送、接收、侦听 和休眠 单位时间内消耗的能量依次递减 为了保证节点能够及时地接收到发送给它的数据，无线传感 器网络MAC协议通常采用“侦听/休眠”交替的机制访问无线 信道


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CSMA/CD协议



增加冲突检测 IEEE802.3标准 优点：发生冲突时，可以使信道很快地空闲下来 缺点： 节点必须能够同时接收和发送无线信号，增加节点成本 无线网络中，存在“隐终端问题”
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CSMA/CA协议



多跳的无线网络 CSMA/CA 在发送数据前，发送端先向接收端发送一个请求发送报文 (Request-To-Send，RTS)； 若信道空闲，接收端就响应一个允许发送报文(Clear-ToSend，CTS)； 然后开始传送。 通过一个RTS/CTS握手过程，可以使收发双方的相邻节点都能 够了解到信道上即将要进行的数据传送，从而及时退避，避免 发生冲突。
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CSMA/CA的改进：冲突避免多路接入协议 (Multiple Aecess with Collision Avoidance，MACA)

在RTS和CTS报文中增加了一个附加的域，用来指示所需传送的 数据量，从而使其他节点能够了解所需退避的时间。
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无线传感器网络MAC协议
竞争型 非竞争型 混合型
每个DATA都有ACK保障传输成功

当一个分段没有收到ACK响应时，节点便自动将信道预 留向后延长一个分段传输时间，并重传该分段。

整个传输过程中DATA和ACK都带有通信剩余时间信息，邻 居节点可以根据此时间信息避免串扰。
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SMAC协议

优点：
1. 减少了节点空闲监听的能量损耗
2. 减少了串扰和控制数据包带来的能量损耗

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MAC层能量浪费的主要来源
1. 冲突 分组出错或丢失 重传分组 2. 串音 传感器节点接收到 发往其他节点的分组数据或消息
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3. 空闲侦听 为了接收可能来到的数据，侦听无线信道，而网络中实际上 并没有数据在传送 IEEE802.11 2Mbit/s，空闲侦听、接收、发送所消耗的能量 比率为1:2:2.5

侦听和休眠的时间的合理长度与网络负载的大小有关
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TMAC协议-基本思想

动态调整调度周期中的活跃时间长度 各节点周期性地被唤醒，进入活动期

传送数据时，各节点采用RTS-CTS-DATA-ACK 的过程
如果在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠

在活动期间，可发送数据；


在休眠期间，节点如果有数据消息需要发迭，则必须等到下一 个活动期到来后再进行。
节点的休眠调度问题

要解决的问题 每个周期侦听多次时间 侦听的时间过长，能量浪费; 侦听时间过短，增大传输迟延 需要协调各节点的侦听和休眠周期，使收发节点保持 同步，避免节点在休眠时错过发送给它的数据
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协议的复杂度问题
如果协议设计得过于复杂，这种协议开销就会非常大， 将造成很大的能量浪费

一个周期内有睡眠和监听两种状态


节点之间协同，保持监听同步
调度方式：节点进行监听和睡眠的时间表
Listen Sleep Listen Sleep Time

相邻节点间 尽可能“同时监听、同时休眠”

为了建立协调或同步的休眠调度，每个节点需要向直 接相邻节点广播SYNC 消息。
全监听周期，保证邻居发现

SMAC协议中，在RTS/CTS帧中都带有目的地址和本 次通信的持续时间信息

节点接收到RTS/CTS帧后，如果发现目的地址不是自 己的地址

节点马上进入睡眠状态 将此次邻居节点间通信的持续时间存储到本地的网络分配 向量(NAV)中

NAV会随着本地时钟的运行递减

在NAV值非零期间节点都处于睡眠状态

延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧

节点上电启动后，要监听一段时间

如果该时间段内节点没有接收到SYNC帧，则节点自行选择一个 默认的调度方式，并通过SYNC 帧广播该调度方式。 如果时间段内节点接收到SYNC帧，则节点采用该SYNC帧中指明 调度方式


如果节点接收到不同的调度方式，节点调整调度
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ALOHA协议

纯ALOHA协议 ⑴ 当节点有数据需要发送时，直接向信道发送数据分组。 ⑵ 在发生数据冲突的情况下，各节点将对发生冲突的数据分 组进行重发。 但在重传策略上，等待一段随机的时间，然后再进行重 发 如果再发生冲突，则再等待一段随机的时间进行重发， 直到发送成功为止
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ALOHA协议
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无线传感器网络也可以采用非竞争型MAC协议 TDMA DEANE、SMACS、DE-MAC、TRAMA协议
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无线传感器网络MAC协议
竞争型 非竞争型 混合型
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3.2无线传感器网络MAC协议设计

协调多个节点对共享媒体的访问，避免来自不同节点数据之间 的冲突
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3.2.1 设计目标
时分多路接入(TDMA)协议


无线蜂窝系统 较高的能量效率 缺点 仅适用于簇形网络结构 各节点之间严格的时间同步
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频分多路接入(FDMA)


实现简单 缺点 保护频带将浪费相当大的带宽 非常准确地控制发送功率
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码分多路接入(CDMA)协议


采用正交伪随机码划分共享信道，所有节点可以在同一个信道 内同时发送数据，但使用不同的伪随机码。 抗干扰能力强，系统容量较大，终端可以采取较低的发射功率 终端设计复杂，同步精度要求高
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非竞争型MAC协议


采用固定使用信道的方式，将共享信道根据时间、频率或伪噪 声码划分成一组子信道，并将这些子信道分配给各节点，使得 每一个节点拥有一个专用的子信道，用于数据的发送。 相互不干扰 避免冲突 时分多路接入(TDMA)、频分多路接入(FDMA)和码分多路接入 (CDMA)协议
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避免存在“节点互相发现不了对方”
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SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听

SMAC协议将监听时间分为两段

发送/接收SYNC包
发送/接收RTS和接收/发送CTS
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SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听

发送数据的 3 种可能情形
图3-2 接收节点与发送节点的关系
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SMAC协议关键技术-自适应监听

扰避免机制 长消息传递机制

缺点：
额外的延迟，减小了系统吞吐量
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S-MAC 竞争型
T-MAC WSN
MAC协议 非竞争型 DEANA 混合型 Funneling-MAC SMACS
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TMAC协议(Timeout MAC)

SMAC协议缺陷：侦听/休眠调度占空比固定，不能很 好的适应网络流量的变化 。


发送数据时，节点先侦听信道 当侦听到信道忙时，仍坚持侦听，一直侦听到信道空闲为止 当侦听到信道空闲后，节点可以采用2种不同的策略发送数据 ： 1-坚持CSMA 1-坚持CSMA 以概率1，立即发送数据 p-坚持CSMA

优点： p坚持CSMA 能够充分抓紧时间发送数据。 以概率p发送数据，以概率(1-p)延迟 一段时间，再重新侦听信道 缺点： 若有两个或多个节点同时在侦听 信道，则一旦信道空闲，这些节 点都会立即发送数据
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非坚持CSMA
⑴ 节点一旦侦听到信道忙或发现其他节点在发送数据，就不 再坚持侦听，而是根据协议的退避算法延迟一段随机的时间 后重新开始侦听。 ⑵ 若侦听时发现信道空闲，则将数据发送出去。


优点： 提高了 信道的利用率 、网络的吞吐量 缺点： 无法及时发现信道状态的变化
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坚持CSMA协议
Ta :决定了每个节点在一个调度周期中进行空闲 监昕的最短时间。
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图 3-4 TMAC基本机制
TMAC协议-基本思想

T- MAC协议和S-MAC 协议的休眠机制比较
图 3-4 TMAC基本机制
Ta :决定了每个节点在一个调度周期中进行空闲监听的最短时间
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TMAC协议-关键技术

周期性监听同步
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S-MAC 竞争型
T-MAC WSN
MAC协议 非竞争型 DEANA 混合型 Funneling-MAC SMACS
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SMAC协议(Sensor MAC)

802.11 MAC协议+能量效率 SMAC协议基本思想 周期性睡眠和监听 串扰避免 长消息传递
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SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听

使用“全监听周期”，发现邻居
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TMAC协议-关键技术--RTS操作

当节点发送RTS帧后，如果没有接收到相应的CTS帧，可能 的原因: ⑴ 接收节点处发生碰撞，没能正确接收RTS帧 ⑵ 接收节点处于睡眠状态

时隙ALOHA协议 ⑴ 将时间划分成一系列固定长度的时隙 ⑵ 各节点只能在每个时隙开始时才能发送数据
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纯ALOHA和时隙ALOHA比较


纯ALOHA 实现简单 信道利用率较低 时隙ALOHA 将信道利用率提高一倍以上 要求在各节点之间实现时间同步
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CSMA协议


使用了一个载波侦听装置 CSMA协议的类型： 非坚持型 1-坚持型 p-坚持型
第 3 章
无线传感器网络的MAC协议
1


传统无线网络中使用的MAC协议无法直接所用于无线传感器 网络 首先考虑网络的能量效率
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3.1.1无线传感器网络MAC协议的特点

无线信道通信的带来的问题 频谱资源有限 多个传感器节点同时访问信道时，会导致数据之间的相 互冲突
必须采用有效的MAC协议
1. 提高能量效率 降低“成功传输单位数据所消耗的能量” 2. 提高可扩展性 MAC协议适应网络大小变化的能力 3. 提高适应性 适应节点密度和网络拓扑变化的能力 4. 提向信道利用率 用于有效通信的带宽利用率
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3.2.1 设计目标
5. 降低端到端传输迟延。 源节点发送一个分组到目的节点，成功接收该分组所经历的 迟延。 6. 提高吞吐量。 单位时间内发送节点向接收节点成功传输的数据量 7. 保证公平性 公平性是指不同传感器节点公平地获得共享公共传输信道的 机会
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3.1.2无线传感器网络MAC协议的分类
无线传感器网络MAC协议
竞争型 非竞争型 混合型
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无线传感器网络MAC协议
竞争型 非竞争型 混合型
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竞争型MAC协议


采用按需使用信道的方式，当节点需要发送数据时，通过竞争 方式使用信道。如果发生冲突，节点按照事先设定的某种策略 重传数据，直到数据发送成功或放弃。 传统的无线网络： ALOHA(Additive Link On-Line Hawaii Syslem) 载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)