第03次课 移动计算技术-无线网络MAC协议原理
MAC和PHY组成原理
MAC和PHY组成原理MAC（媒体访问控制）和PHY（物理层）都是在计算机网络中起关键作用的组件。
MAC负责控制数据的传输和流量，而PHY负责将数据从一个设备传输到另一个设备。
下面将详细介绍MAC和PHY的工作原理以及它们如何协同工作来实现高效和可靠的数据传输。
一、MAC（媒体访问控制）MAC层是OSI（开放系统互联）参考模型中的第二层，它负责处理数据帧的传输、接收和管理。
MAC层的功能包括以下几个方面：1.媒体接入控制：MAC层负责控制多个设备之间的资源共享。
当多个设备同时尝试发送数据时，MAC层通过其中一种算法来决定哪一个设备有权利访问共享媒体。
2.帧计时和同步：MAC层通过在数据帧中添加帧定界符和同步字，来保证数据的正确接收。
这些定界符和同步字帮助接收设备识别出帧的开始和结束。
3.帧封装和解封装：MAC层负责将上层的数据封装成数据帧，并附加必要的控制信息，如源地址、目的地址、帧校验序列等。
发送设备将数据帧发送给接收设备，接收设备根据MAC层的控制信息来解析和提取数据。
4.错误检测和纠正：MAC层使用帧校验序列（FCS）来检测数据帧是否传输正确。
接收设备会根据FCS来检验接收到的帧的完整性和准确性，并丢弃损坏的帧。
5.数据流量控制：MAC层根据网络的负载和流量情况来进行流量控制，以确保高效和可靠的数据传输。
当网络负载过高时，MAC层可以使用一些策略，如拥塞控制、流量限制等来降低网络拥塞，并避免数据丢失或性能下降。
二、PHY（物理层）PHY层是OSI参考模型中的第一层，它负责将数据从一个设备传输到另一个设备，主要涉及电信号、电压和物理介质等传输媒介。
PHY层的主要功能有以下几个方面：1.数据编码和解码：PHY层负责将数据从数字格式转换为模拟信号。
它将数字数据转换为电压、电流或光信号，以便在物理环境中传输。
接收设备则执行逆过程，将模拟信号转换为数字数据。
2.数据传输：PHY层根据具体的物理介质来传输数据。
移动计算技术-无线网络MAC协议原理-2014
无线网络MAC协议原理
无线MAC协议的分类
分配策略 应用
面向语音、面向数据和面向综合语音与数据 固定分配、随机竞争和按需分配
拓扑结构
有中心 无中心分布控制
无线网络MAC协议原理
固定分配（Fixed Assignment）
• 将一条信道分割成若干相互独立的子信道，每个 信道分配给一个或多个用户使用 • 频分多址（FDMA）、时分多址(TDMA)、码分多 址(CDMA)和空分多址(SDMA) • 面向信道，可以提供可靠的服务，信道利用率高 • 比较适用于实时性要求高或连续的流业务（语音 业务、视频业务等）以及通信量稳定的网络 • 用户不发送信息时，分配给他的信道浪费
无线网络MAC协议原理
MAC层协议的功能
定义以一定的顺序和有效的方式分配节点访问 媒体（信道）的规则
有两种极端的协调协议
完全自由（Free for All）式
•
只要有新数据立即传送，要解决碰撞重传问题
完全排序（Perfectly Scheduled）式 • 各个用户按照某种规则使用预定的区间在信道上 传输 • 确定传输顺序、时间长短、分配策略和方式
• 一次成功握手标志两站点之间的通信连接成功
无线网络MAC协议原理
依赖位置的载波侦听
隐藏终端 （Hidden Terminal） 暴露终端 (Exposed Terminal)
无线网络MAC协议原理
隐藏终端
无线网络MA议原理
低功耗
电池 发射功率大影响频率复用
无线网络MAC协议原理
研究带内控制信息的CA协议时，一般假 设信道没有衰落，不存在捕获效应，分 组错误仅是由碰撞引起的 数据分组和控制分组在同一信道内传送
无线局域网的mac协议
无线局域网的mac协议篇一：无线传感网mac协议设计一种符合无线传感器网络特征的MAC层协议设计1. 无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。
无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。
潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
2. 无线传感器网络特征1) 传感节点体积小,成本低,计算能力有限。
2) 传感节点数量大、易失效,具有自适应性。
3) 通信半径小,带宽很低。
4) 电源能量是网络寿命的关键。
5) 数据管理与处理是传感器网络的核心技术。
3. MAC层协议设计3.1 MAC层协议设计的考虑无线传感器网络是应用相关的网络，不同应用网络，对MAC协议的考虑也不尽相同，不存在一个适用于所有无线传感器网络的通用MAC协议。
MAC协议设计时，需要着重考虑以下几个方面：节省能量传感器网络节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，电池能量通常难以补充，MAC协议在满足应用要求前提下，应尽量节省节点的能量。
可扩展性传感器网络中网络节点数目一般较大。
另外，由于节点死亡、新节点加入、节点移动导致节点数目、分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化。
因此，MAC协议应具有可扩展性，以适应动态变化的拓扑结构。
兼顾网络性能网络性能包括网络的公平性、实时性、吞吐量以及带宽利用率。
不同应用的传感器网络产生不同特征的流量，要求不同的性能参数，所以MAC协议应能兼顾好这些网络性能。
3.2 传感器网络能耗浪费问题经过大量实验和理论分析，人们发现可能造成传感器网络能量浪费的主要原因包括如下几个方面：碰撞冲突问题节点在发送数据过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞。
新一代无线网络中的MAC协议研究
新一代无线网络中的MAC协议研究随着移动互联网的普及，无线网络正日益成为人们日常生活和工作中必不可少的一部分。
新一代无线网络包括5G和物联网，这些新技术的广泛应用将推动更多的无线设备的接入。
因此，如何提高无线网络的传输速率和效率，使得大量设备不会出现冲突和碰撞，成为了无线网络中的一个极其重要的问题。
MAC（Medium Access Control）协议是无线网络中的核心协议，它负责多个终端设备之间的数据传输和协调。
在传统的Wi-Fi网络中，MAC协议采用的是CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）协议，但这种协议由于存在帧延迟问题和网络吞吐量不够高的问题，已经无法满足新一代无线网络的需求。
因此，新的MAC协议得以研发和应用到5G和物联网中。
一种新的MAC协议是TDMA（Time Division Multiple Access）协议。
在TDMA协议中，网络中的设备按照指定的时间间隔依次发送和接收数据。
相比于CSMA/CA协议，TDMA协议具有更高的网络吞吐量和更小的帧延迟，同时还可以提高无线网络中的安全性和稳定性。
然而，TDMA协议需要在网络中进行时间同步，以确保网络中各个终端设备都按照所分配的时间轮流进行传输和接收。
时间同步带来的挑战在于，不同终端设备之间的时钟存在差异和漂移，因此需要制定一种适合无线网络的时间同步机制。
一种时间同步机制是GPS（Global Positioning System）同步。
通过接收卫星发射的时钟信号，可以对网络中的设备进行高精度的时间同步。
然而，GPS同步会增加网络中设备的成本，并且在室内环境下GPS信号不够稳定和可靠，因此GPS 同步并不适合所有情况。
另一种时间同步机制是基于信标的同步。
该机制通过在网络中的某些设备发送信标来进行时间同步。
其中，设备A发送一个信标B，设备C收到信标B后，根据信标所包含的时间信息对自己的时钟进行校准。
以太网原理MAC和PHY
以太网原理MAC和PHY以太网是一种局域网（LAN）技术，用于在计算机之间传输数据。
以太网原理包括物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）两个部分。
物理层（PHY）是以太网技术的底层，负责将传输的数据转化为电信号，并在网络中传输和接收数据。
PHY负责处理传输介质、传输速率等物理层面的细节。
MAC层是以太网技术的上层，负责管理和控制网络中的通信。
MAC层协议定义了数据的传输方式、帧结构、帧格式等规范，以确保数据的可靠传输和有效利用。
在以太网中，数据被分割成一系列的帧（Frame），每个帧由MAC层添加标识符和校验码，并传输到物理层。
物理层将数据转化成电信号，并通过传输介质（如双绞线、光纤等）传输到目标计算机。
PHY层通过一系列的电器和电子设备来处理数据的传输。
这些设备包括编码器、解码器、物理传输媒介、放大器等。
编码器和解码器负责将数据转化为电信号和相反的操作，物理传输媒介负责在不同的介质中传输数据，放大器用于增强信号的强度。
当数据传输到目标计算机后，物理层将电信号转化为数据，并传递给MAC层处理。
MAC层根据帧的标识符和校验码来验证数据的完整性和正确性，并将其传递给上层应用程序。
MAC层还负责管理和控制网络中的通信。
为了避免数据冲突，以太网采用了一种称为“载波侦听多址接入/碰撞检测”（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）的协议。
该协议允许多个计算机同时发送数据，但如果检测到冲突，则发送方会停止发送，等待一段随机时间后重新发送。
以太网的传输速率通常用Mbps（兆位每秒）来衡量，常见的速率有10Mbps、100Mbps和1000Mbps（即千兆以太网，也被称为千兆网）。
总结起来，以太网的原理包括物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）两个部分。
PHY层负责将数据转化为电信号，并在物理介质上传输和接收数据。
MAC层负责管理和控制网络中的通信，确保数据的可靠传输和有效利用。
MAC和PHY的工作原理
MAC和PHY的工作原理MAC（Media Access Control）和PHY（Physical Layer）是指网络协议中的两个重要组成部分。
MAC层是网络协议中的第二层，用于控制网络中的数据传输。
它负责在共享媒体环境中决定哪个设备有权利发送数据，并解决可能产生的冲突问题。
MAC层的工作原理主要分为两个方面：介质访问控制和错误检测与纠正。
介质访问控制是MAC层的主要任务之一、在共享媒体环境中，多个设备都可以同时使用同一条传输线路来发送数据。
为了避免冲突，MAC层使用了各种访问控制策略，例如CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）和CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）。
这些策略可以监测传输线路上的信号，以确定是否有其他设备正在发送数据。
如果有冲突发生，MAC层还需要进行冲突检测，并通过一定的算法来解决冲突。
错误检测与纠正也是MAC层的重要任务之一、在数据传输过程中，可能会发生一些传输错误，例如噪声、干扰等。
MAC层通过使用校验码（CRC）和重传机制来检测和纠正这些错误。
校验码可以通过对数据帧进行计算得到，然后在接收端进行比较以确定是否有错误发生。
如果有错误发生，MAC层会要求发送端重新发送数据帧，以确保数据的完整性和准确性。
PHY层是网络协议中的第一层，负责将数据在物理媒体上进行传输。
它主要依靠物理媒体（例如电缆、光纤等）和传输设备（例如网卡）来完成数据传输。
PHY层的工作原理主要包括编码、调制和解调、传输速率控制等。
编码是PHY层的主要任务之一、在数据传输过程中，需要将数字信号转换为模拟信号以在物理媒体上进行传输。
PHY层使用特定的编码方案，例如曼彻斯特编码或4B/5B编码，将数字信号转换为模拟信号，并在接收端将其还原为数字信号。
第3章-MAC协议
3.1.3．通信模式 传感器网络是与应用高度相关的。不同的网络结构、不同的应用场 景和目的，其业务特征呈现多样性，需要采用不同的通信模式，以更 有效地交换业务。基于不同的业务特征，MAC协议对不同通信模式的 支持，可以有效减少节点能耗。所以对不同通信模式的支持与否，也 是衡量MAC协议能量有效性的重要因素。
三种帧间间隔
当信道空闲时间大于 DIFS时使用信道
DIFS
信道忙
DIFS PIFS SIFS
竞争窗口
退避窗口 时间槽
下一帧 时间
推迟发送
CSMA/CA的基本访问机制
二进制随机退避机制
随机退机制
3.3.2 S-MAC协议
（4）消息传递（分片传输机制）
如果在发送长信息时由于几个比特错误造成重传，则会造成 较大的延时和能量损耗，如果简单地将长包分段，则又会由 于RTS/CTS的使用形成过多的控制开销。基于此，SMAC提 出了“消息传递”机制。将长的信息包分成若干个DATA， 并将它们一次传递，但是只使用一个RTS/CTS控制分组作为 交互。节点为整个传输预留信道，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。
传统网络的MAC协议不适用于WSN。
3.1.2 MAC协议设计面临的问题
①空闲监听：
因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己 的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损 耗；
②冲突（碰撞）：
如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败 ，发送包被丢弃。此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉
无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC
无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC摘要：无线传感器网络是一种新兴的网络技术，它的出现使得环境智能成为现实。
它是由一些微小的节点在特设环境中彼此连接，并相互配合，而形成的一个网络。
它具有广泛的应用，例如入侵者警报和跟踪，环境监测，工业过程监测和战术系统等潜在领域。
然而，当无线网络在地势陡峻的地方传播时，为了实现地区全覆盖就需要使用大量的无线传感器，但它们的电池一旦耗尽时要想更换就很困难。
所以节能对于传感器网络是非常必要的特别是在MAC层水平。
现已经提出了多种针对不同目标的MAC协议的无线传感器网络。
在各种协议中SMAC就是其中一个简单修改的成果。
SMAC有静态睡眠时间表同时TMAC有动态睡眠时间表。
在本文中，我们首先概述了无线传感器网络的基础知识，然后我们讨论了MAC层的性能特征，在随后的一节中概括了WSN中能源浪费的原因。
紧接着描述了 i.e SMAC 和TMAC两个协议的各自的优缺点。
最后，在结束之前，根据无线传感器网络与SMAC 和TMAC有关的各种设计过程都包含在文章中。
关键词：无线传感器网络，环境智能，MAC层，能源废物，SMAC，TMAC1.引言在开始介绍无线传感器网络前，我们需要了解为无线传感器网络发明铺平道路的要求和条件。
通常情况下在我们的工作场所我们所使用的系统，主要包括个人电脑，笔记本电脑，电脑，智能手机和平板电脑等。
这些系统都是建立在“人 - 系统”互动的概念上的。
在这种人与信息处理系统交流互动的系统中。
整个装置是间接连接到物理环境的。
由用户和用户交流系统读取物理环境。
另一方面，系统的装置与物理环境相互作用，并自行调整。
在图1和图2中描绘了这两个方案。
系统人环境图 1 人机交互系统环境人图 2 系统环境交互正如我们从图1和图2中观察到的，系统本身能够与环境相互作用，这就是我们所说的“嵌入式系统”。
例如洗衣机，微波炉，化学工艺厂或高炉温度调节装置。
由于科技发展了我们的能力让我们产生了这样一种感觉，大机器也有把它传授给小型设备和对我们的日常生活相关的东西的渴望。
mac层协议
mac层协议MAC（媒体访问控制）层协议是在计算机网络中负责控制数据帧在网络媒体上的传输的协议。
本文将对MAC层协议进行详细的介绍。
MAC层协议是OSI（开放式系统互联）参考模型中的第二层，位于物理层之上。
它的主要任务是控制数据在传输媒体上的访问，以避免不同设备在媒体上的冲突。
MAC层协议还负责数据帧的封装和解封装，确保数据能够在网络上正确传输。
MAC层协议有多种不同的实现方式，其中最常见的是CSMA/CD（载波侦听多点接入/碰撞检测）协议。
在CSMA/CD协议中，数据发送方在发送数据之前首先侦听媒体是否正在被其他设备使用。
如果媒体空闲，则发送数据；否则，等待一段时间后再次侦听。
如果检测到碰撞（多个设备同时发送数据导致冲突），则立即停止发送，并进行退避重传操作。
另一种常见的MAC层协议是TDMA（时分多址）协议。
在TDMA协议中，设备被划分为不同的时间槽，每个时间槽都分配给一个设备进行数据传输。
这种方式可以有效地避免碰撞，提高传输效率。
然而，TDMA协议需要对网络进行严格的时间同步，对网络的扩展性有一定的限制。
除了CSMA/CD和TDMA协议外，还有其他一些MAC层协议，如CDMA（码分多址）协议和FDMA（频分多址）协议。
CDMA协议通过将数据分配到不同的码片上，使多个设备可以同时发送数据而不会发生冲突。
FDMA协议则通过将频谱分成不同的频段，将数据分配给不同的设备进行传输。
这些协议在无线网络中广泛应用，可以提供更高的网络容量和可靠性。
除了协议的选择，MAC层还涉及到数据帧的封装和解封装。
在发送数据时，MAC层会在数据包前添加一些控制信息，如目的地址和发送地址，以便接收方能够正确地识别和处理数据。
在接收数据时，MAC层会解析数据帧，提取出有效的信息，并将数据传递给上层协议进行处理。
总之，MAC层协议在计算机网络中扮演着重要的角色。
它负责控制数据在传输媒体上的访问，以避免冲突和碰撞，并提供数据帧的封装和解封装功能。
MAC工作原理范文
MAC工作原理范文MAC（Media Access Control）是一种在计算机网络中用于管理和控制物理介质访问的协议，它是数据链路层协议的一个子层，负责实现数据帧的传输和路由。
MAC工作原理是指MAC协议在网络中的工作机制和实现方式。
MAC协议主要有两个主要任务：一是将数据帧从一个节点传输到另一个节点，保证数据的可靠传输；二是实现多个节点对网络介质的公平共享，防止冲突和混乱。
在以太网中，最常用的MAC协议是CSMA/CD（Carrier SenseMultiple Access with Collision Detection）。
它的原理是在发送数据前，节点会先监听网络，判断是否有其他节点正在发送数据。
如果检测到有数据发送，则会等待一段时间，直到网络空闲。
如果网络空闲，节点则会开始发送数据。
如果多个节点同时发送数据，就会发生碰撞，节点会检测到碰撞发生，并发送一个干扰信号通知其他节点。
发送碰撞的节点会在一段时间后重新尝试发送数据。
通过这种机制，CSMA/CD协议能够实现多个节点对介质的公平竞争。
CSMA/CD协议的工作过程可以分为以下几个步骤：1.监听网络：节点在发送数据前会先检测网络，判断是否有其他节点正在发送数据。
如果网络忙碌，节点则等待一段时间再进行下一步操作。
2.发送数据：如果网络空闲，节点就开始发送数据。
它会将数据帧拆分为一系列的比特位，通过物理层将数据以电信号的形式发送出去。
3.监测碰撞：在发送数据的同时，节点会不断地监听网络。
如果检测到有碰撞发生，节点会发送一个干扰信号，通知其他节点发生了碰撞，并停止发送数据。
4.回退等待：当节点检测到碰撞后，它会等待一个随机的时间，然后重新尝试发送数据。
这个等待时间是根据指数退避算法生成的，目的是避免多次碰撞。
5.重传数据：经过一段时间的等待后，节点再次尝试发送数据。
如果再次发生碰撞，节点会重复以上步骤，直到成功发送数据为止。
CSMA/CD协议通过上述步骤实现了较高效的数据传输和介质共享。
无线传感器网络MAC协议
无线传感器网络MAC协议摘要近年来，无线传感器网络(WSNs)作为国内外一个新兴的研究方向，吸引了许多研究者和机构的广泛关注。
本文从无线传感器网络 MAC 协议角度出发,介绍了无线传感器网络的MAC 协议及当前的研究现状，分析了无线传感器网络协议和传统网络协议在设计上的不同点，对已有的MAC 协议进行分类，着重研究和比较了S—MAC和T—MAC无线传感器网络MAC 协议。
最后，展望了无线传感器网络MAC协议的进一步研究策略和发展趋势。
关键词无线传感器网络(WSNs)，MAC协议，能量有效性Abstract In recent years， wireless sensor networks (WSNs）, as a new research direction at home and abroad， has attracted the attention of many researchers and organizations。
We conduct a deeply research on wireless sensor network MAC protocol,and we propose the difference between WSN and traditional networks， not only given the characteristic of WSN，we also have illustrate the research orientation in this area.Focus on the research and comparison of S-MAC and T-MAC wireless sensor network MAC protocol。
Finally， the future research strategies and trends of MAC protocols in WSNs are summarized。
mac协议是什么
mac协议是什么Mac协议是什么？Mac协议是一种数据链路层协议，全称为媒体访问控制协议（Media Access Control Protocol）。
它是一种在局域网中控制计算机对传输媒介的访问的协议。
在计算机网络中，数据链路层是OSI模型中的第二层，它负责在物理层上传输数据的同时，也负责控制数据的访问。
Mac协议的作用就是控制多台计算机在共享传输媒介时的访问顺序，以避免数据冲突和混乱。
Mac协议的主要功能包括帧同步、媒体访问控制、逻辑链路控制和物理地址寻址。
它通过一定的规则来管理多台计算机对传输媒介的访问，以确保数据的传输顺利进行。
在局域网中，常见的Mac协议包括CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测）、CSMA/CA（载波监听多点接入/碰撞避免）等。
CSMA/CD是一种常见的Mac协议，它通过不断监听传输媒介上的载波情况，来确定何时发送数据。
如果多台计算机同时发送数据，就会发生碰撞，此时CSMA/CD协议会立即停止发送数据，并进行重传。
这样可以有效避免数据冲突，提高数据传输的效率。
而CSMA/CA是另一种Mac协议，它在发送数据之前，会先发送一个RTS （请求发送）信号，然后等待接收方的CTS（清除发送）信号，确认可以发送数据后再进行传输。
这样可以有效避免碰撞，提高数据传输的可靠性。
总的来说，Mac协议在局域网中起着非常重要的作用。
它通过一系列的规则和机制，来控制多台计算机对传输媒介的访问，避免数据冲突和混乱，提高数据传输的效率和可靠性。
除了局域网中的Mac协议，无线局域网中也有自己的Mac协议，如802.11协议。
它定义了在无线网络中的数据传输规则，包括数据帧的格式、传输方式、信道管理等。
无线局域网中的Mac协议与有线局域网中的Mac协议有所不同，但其基本功能和作用是相似的，都是为了控制数据的访问，确保数据传输的顺利进行。
总之，Mac协议是一种在局域网中控制计算机对传输媒介的访问的协议，它通过一系列的规则和机制，来管理数据的传输，避免数据冲突和混乱，提高数据传输的效率和可靠性。
第七章 MAC协议
7.2.2 S-MAC
（3）产生调度周期之后，收到邻居的不同的调度 信息，首先判断是否有邻居节点和自己同步，没 有就放弃自己的调度周期，转而采用邻居节点的 调度周期。
如果节点没有收到与自己调度相同的邻居节点的 通告，在调度表中添加该邻居节点的调度信息， 依照自己和邻居节点的调度周期工作。
7.2.2 S-MAC
2）基于分配的信道访问控制
基于分配的信道访问控制将共享的信道 资源按照某种策略无冲突的分配给网络 中的各个节点，当节点需要发送数据时， 在自身分配的信道资源内完成数据传输。 节点之间互不干扰，因此没有冲突。
2）基于分配的信道访问控制
固定信道分配将共享的无线信道以频分多址 FDMA、时分多址TDMA、码分多址CDMA等 方优式点：划无分冲为突若干个逻辑子信道。
7.2.2 S-MAC
S-MAC基本思想：通过周期性侦听/睡眠的低占 空比方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来减 少空闲侦听时间，降低能量消耗。此外为了避 免网络中的冲突和隐藏终端问题，采用物理和 虚拟载波侦听机制，以及RTS/CST通告机制。
7.2.2 S-MAC
1）周期性侦听和睡眠
侦听
和CSMA。 缺点： 如何解决竞争访问的冲突问题
ALOHA
随机方式占用信道 解决冲突的方式—ACK确认 优点：实现简单 缺点：大量数据发送时，冲突率很高
CSMA
载波侦听方式占用信道 先听后发 CA 有效降低网络中的冲突概率
基于竞争的信道访问控制
无线系统中，碰撞发生在接收端，因此，
与传统无线网络相比，传感器网络在节点 规模、网络结构、通信带宽、电源能量、 应用场景等方面都有显著的区别。
7.1.2 传感器网络MAC协议的特点
MAC协议
MAC协议MAC协议全称是媒体访问控制协议(Media Access Control Protocol)，是指在计算机网络中，用于控制多个节点同时访问共享信道的协议。
其作用是协调传输站点之间的顺序，使得数据包能够顺利地传输并减少冲突的发生。
MAC协议是在数据链路层中实现的，主要功能有：选择合适的传输介质、规定帧的格式和访问方式、控制帧的传输以及解决帧冲突等。
MAC协议的设计必须考虑到多个节点同时访问共享信道的情况，并且要避免节点之间的冲突，以确保数据传输的顺利进行。
常见的MAC协议有以下几种：1. CSMA/CD协议：该协议是最常用的MAC协议之一，全称是“载波侦听多路访问/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)”。
它通过先监听信道是否被占用，然后再发送数据，以避免冲突的发生。
如果发生冲突，则发送方会采取一定的算法进行重传。
2. CSMA/CA协议：该协议是无线局域网中常见的MAC协议，全称是“载波侦听多路访问/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access/Coll ision Avoidance)”。
它采用了一些控制机制来减少冲突的发生，如网络分区、数据帧传输时间的随机化等。
3. TDMA协议：该协议采用时分多路复用的方式，将时间分成若干时隙，每个节点只有在自己的时隙内才能发送数据。
它可以保证数据传输的实时性和可靠性，但同时也会浪费一部分时隙资源。
4. Token Ring协议：该协议使用了令牌环的方式来规定节点之间的通信顺序。
只有当节点拥有令牌时，才能发送数据。
该协议可以有效避免冲突的发生，但同时也会增加系统的延迟。
总之，MAC协议在网络通信中起着至关重要的作用，它不仅可以保证通信的可靠性，还可以有效减少冲突的发生。
随着网络技术的不断发展，我们相信MAC协议也会不断进化和完善，以适应现代网络通信的需求。
传感网原理及应用—第3讲(MAC协议)
陈永乐
目录
MAC协议概述
竞争型MAC协议
分配型MAC协议 混合型MAC协议 总结
2
MAC协议概述
在无线传感器网络中，介质访问控制（medium access control，MAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器 节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络 系统的底层基础结构。 MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络 的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关 键网络协议之一。 传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限， 单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众 多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要 MAC协议 协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协 议选择通信路径。
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TA的选择
周期性侦听同步设计
延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧
前提：节点发现串扰的RTS或CTS都能够触发一个新的监听间隔，为 了确保节点能够发现邻居的串扰，TA的取值必须保证当前节点能够 发现串扰的CTS TA >竞争信道时间（C）+RTS发送时间（R）+CTS准备时间（T） TMAC实验中，采用TA = 1.5 x (C + R + T)
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早睡问题解决办法 （1）
未来请求发送（Future request-to-send, FRTS）
当节点C收到B发给A的CTS后，立即向D发送一个FRTS。FRTS帧包含节点D接 收数据前需要等待的时间长度，D在此时间内必须保持在监听状态。 由于C发送的FRTS可能干扰A发送的数据，所以A需要将发送的数据延迟相 应的时间。A在接收到CTS之后发送一个与FRTS长度相同的DS帧，该帧不包 含有用信息，只是为了保持AB对信道的占用，在发送DS之后A立即向B发送 数据信息 由于采用了FRTS机制。增加一个DS时间。FRTS方法可以提高吞吐量，减少 延迟，但是增加了控制开销，会降低TMAC协议的能量效率
第3章 MAC协议
竞争协议无需全局网络信息，扩展性好，易于实现，但能耗大；调度协议没有冲突，因而节省能量， 但难于调整帧长度和时隙分配，难以处理拓扑结构变化，扩展性差，时钟同步精度要求高；混合MAC 协议具有上述两种MAC协议的优点，但通常比较复杂，实现难度大。
（2）根据MAC协议使用的信道数目可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。
如图3-1所示，节点A希望向节点B发送数据，节点C在A的无线通信范围内，节点D在节点B的无线通信范围内，但 不在节点A的无线通信范围内。 节点A首先向节点 B发送一个请求帧（request-to-send，RTS），节点B返回一个清除帧（clear-to-send，CTS） 进行应答。 在这两个帧中都有一个字段表示这次数据交换需要的时间长度，称为网络分配矢量（network allocation vector， NAV），其他帧的MAC头也会捎带这一信息。 节点C和 D在侦听到这个信息后，就不再发送任何数据，直到这次数据交换完成为止。NAV可看作一个计数器，以 均匀速率递减计数到零。当计数器为零时，虚拟载波侦听指示信道为空闲状态；否则，指示信道为忙状态。
无线传感网中能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗。其中通信能耗 所占比重远大于计算能耗，通信部件和计算部件的功耗比通常在1000倍以上。因 此减少MAC协议通信中的能量浪费，是延长网络生存时间的有效手段。
无线传感网MAC协议设计面临的问题
通信过程中造成能量损耗主要体现在以下几方面：
在无线传感网络中，MAC协议决定无线信道的使用方式。通过在传感器节点之间分配和共享 有限的无线信道资源，MAC协议构建起无线传感器网络通信系统的底层基础结构。由于多个 节点共享无线信道，且无线传感器网络通常采用多跳通信方式，因此MAC协议要解决隐藏终 端和暴露终端问题，使用分布式控制机制实现信道资源共享。
MAC层协议协议
1.MAC层协议，数据包通信过程，加密认证过程，代码理解（80211，wpa_supplicant）物理层：参考：802.11a：最高54Mbit/s，播在5GHz，在52个OFDM副载波中，802.11b：其载波的频率为2.4GHz，可提供1、2、5.5及11Mbit/s的多重传送速度。
11个频段，每个频段为22M, DSSS802.11g: 共14个频段，原始传送速度为54Mbit/s, OFDM调制方式802.11i: 填补802.11脆弱的安全加密功能(WEP), 其中定义了基于AES的全新加密协议CCMP （CTR with CBC-MAC Protocol）802.11n: 2.4 GHz or 5 GHz bands；速率：300 Mbit/s (20MHz*4 MIMO) 或者600Mbit/s(40MHz*4 MIMO)；802.11ac：更宽的RF带宽（提高至160 MHz），更多的MIMO空间流（spatial streams）（增长到8），多用户的MIMO，以及高密度的解调变（modulation，最高可达成256 QAM）。
Wifi的整个信道列表：下图是2.4OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，事实上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多载波调制的一种。
其重要思想是：将信道提成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。
64-QAM：256-QAM：FHSS(frequency-hopping spread-spectrum):调频展频DSSS(direct-sequence spread-spectrum):直接序列展频OFDM():正交频分复用MAC层协议MAC层的功能：扫描，接入，认证，加密，漫游，同步。
MAC层面临的问题：隐藏节点的问题如图3-2 所示，节点2 可以之间跟节点1 和节点3 通信，但是某些因素导致节点1 与节点3 无法直接通信。
mac,psc,serdes,phy工作原理
mac,psc,serdes,phy工作原理1. MAC (Media Access Control) 的工作原理：MAC 层位于OSI 模型中的数据链路层，负责协调各个节点发送和接收数据的时间，防止数据冲突和错误。
它通过硬件的方式向网络上的所有节点广播数据帧，其中包含了目的地址、源地址、数据内容等信息。
MAC 通常采用CSMA/CD （载波监听多路访问/冲突检测）协议来协调不同节点的发送，保证网络的顺利运行。
2. PSC (Physical Coding Sublayer) 的工作原理：PSC 层是数据链路层中的子层，负责将数据流转换成特定的电信号和光信号。
它采用一种调制解调方式来将数据转换成电信号或光信号，然后通过物理层来进行传输。
一般来说，PSC 会根据不同的传输介质和通信协议而采用不同的调制解调方式，如NRZ（非归零码）、RZ（返回零码）、Manchester 等码型。
3. SerDes (Serializer/Deserializer) 的工作原理：SerDes 是一种数字信号传输技术，可以将高速串行数据流转换成对应的并行数据流，并进行编解码、为传输做好准备。
在发送端，它接收来自MAC/PSC 层的数据，并将其进行流控、编码、串行化和电平调整等处理；在接收端，它将经过传输的串行数据流重新转换成并行数据流，并进行解码和流控等处理。
4. PHY (Physical Layer) 的工作原理：PHY 层负责将数字信号转化为适合于不同物理介质（如铜线、光缆、无线电波等）的模拟信号，并将其发送到物理介质中进行传输。
PHY 层包括多个子层，如媒介访问子层（MAC）、物理编码子层（PCS）、PHY 变压器等。
由于不同的物理介质和传输协议对PHY 层的要求不同，因此相应的PHY 层也需要根据不同的标准进行设计和实现。
MAC和PHY的工作原理
MAC和PHY的工作原理MAC（媒体访问控制）和PHY（物理层）是计算机网络中的两个重要概念，它们共同参与实现数据的传输和通信。
MAC负责数据帧的生成、解析以及网络中各个节点之间的访问和协调，而PHY负责将生成的数据帧经过适当的编码、调制、传输等物理过程转换为电信号，进而在网络中传输。
下面将详细介绍MAC和PHY的工作原理。
首先，我们先了解MAC的工作原理。
MAC协议是一种数据链路层协议，主要负责管理和控制网络节点之间的数据传输。
其工作原理如下：1.定义数据帧格式：MAC协议规定了数据帧的格式，包括帧头、帧尾、地址等字段。
这些字段用于标识数据帧的起始和结束、发送和接收节点的地址等信息。
2.地址分配：MAC协议采用唯一的物理地址（MAC地址）对网络节点进行标识和寻址。
每个网络设备都有一个唯一的MAC地址，用于区分网络中的不同设备。
3.帧生成与解析：发送节点在数据链路层将数据转换成数据帧，并附加上适当的帧头和帧尾信息。
接收节点在数据链路层解析数据帧，并将其转换回原始数据。
4.轮询和仲裁：MAC协议使用轮询或仲裁机制来管理节点之间的访问顺序。
轮询机制顺序地让每个节点按照一定的顺序传输数据。
仲裁机制当多个节点同时发生数据帧时，通过一种算法来决定哪个节点优先传输。
5.碰撞检测与重传：当两个节点同时发送数据帧时，可能会发生碰撞。
MAC协议通过碰撞检测机制来感知碰撞的发生，然后触发重传机制，让发送节点重新发送数据帧。
接下来，我们详细了解PHY的工作原理。
PHY是网络中的物理层，负责将数据帧经过一系列物理过程转换为电信号，以便在网络中传输。
其工作原理如下：1.编码与调制：PHY层将数据帧进行适当的编码，并使用调制技术将数字数据转换为模拟信号。
常用的调制技术包括频移键控（FSK）、相移键控（PSK）和正交振幅调制（QAM）等。
2.帧同步：通过在数据帧中插入同步信号，PHY层确保发送和接收节点之间的时钟同步，以便正确解析数据帧。
MAC协议在通信电子中的应用
MAC协议在通信电子中的应用随着科技的不断发展，电信领域也得到了飞速的发展，通信电子已经成为了现代生活不可或缺的一部分。
然而，在实现通讯的过程中，如何保证信息的快速传输，信息的安全性和可靠性等问题也同样需要解决。
因此，为了在无线通信技术中实现高效可靠的数据传输，MAC协议被广泛应用于通信电子领域。
一、什么是MAC协议？MAC协议是一种通信协议，全称为"媒体访问控制"协议。
它是用来约束共享媒体网络中许多站点传输数据时的行为，协调资源的利用。
通俗地说，MAC协议旨在解决多个用户或设备访问同一媒体资源时发生的冲突问题。
在一个无线网络中，有许多不同的设备和用户需要通过共享网络传输数据。
由于存在多个设备同时访问同一媒体资源的情况，就需要MAC协议来对这些设备进行控制，以确保合理分配网络资源，避免网络拥塞和传输错误等问题的出现。
二、MAC协议的工作原理MAC协议主要运作于OSI参考模型中的第二层——数据链路层，主要功能是控制数据链路层的访问，使得多个设备之间在利用同一媒体链路时可以互不干扰，保证数据的可靠性和安全性。
在MAC协议中，主要采用了两种常见的工作方式：竞争访问和非竞争访问。
竞争访问方式最常见的实现方式就是CSMA/CA协议。
当一个设备需要传输数据时，它会先监听媒体资源的占用情况。
如果媒体资源正在被占用，则设备会等待一定时间后再次进行监听。
在检测到媒体资源空闲后，设备会发送一定的前导码和其他控制信息，以便其他设备知道该设备要发送数据；接着，设备开始传输数据，传输完数据后等待接收设备的确认信息。
如果确认信息没有收到，则设备会重新发送数据。
非竞争访问方式采用轮询方式进行。
这种方式是由一个主节点负责数据的传输和传输控制，各个从节点按照一定的顺序进行轮流发送数据。
主节点会发出询问指令，询问从节点是否有数据要发送；如果有，则从节点发送数据；如果没有，则从节点不进行任何响应。
使用这种方式可以避免竞争冲突，但由于一个主节点负责控制网络中所有从节点的访问，因此网络效率可能会降低。
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无线网络MAC协议原理
RIBTMA （Receiver Initiated， BTMA） 协议
பைடு நூலகம்
无线网络MAC协议原理
随机分配（Random Assignment）或竞争 (Contention)
面向广播式信道 连接到信道上的终端都可以向信道发送广播信息 所有终端都能接收到发自任意终端的信息，如果检 测试是发给自己的就接收，否则丢弃 代表协议有Aloha系列和CSMA系列 通过冲突分解算法（CRA）定义的规则解决冲突 适用于间歇性工作、非时延敏感的业务，如ＩＰ业 务、文件传送业务
三次 (Three-way) 握手机制
第一次在无线网络中采用握手信息的协议是 SRMA (Split-channel Reservation Multiple Access) 发送方使用ALOHA或CAMA决定何时向接收者 发送 “请求发送”RTS分组，CTS 通知发送者 何时发送数据分组
无线网络MAC协议原理
带碰撞避免的多址接入协议(MACA) 可以用三次握手机制解决隐藏终端问题
无线网络MAC协议原理
任何一个接收到RTS的工作站，将会等待一个 足够长的时间去让发送这个RTS的工作站接收 返回的CTS 任何一个接收到CTS的工作站将会避免与即将 由Ａ发送到Ｂ的数据碰撞 因区域有别的传输存在，导致有的站点接收不 到CTS 能接收到RTS而接不到CTS的站点不影响Ａ数 据的传输
无线网络MAC协议原理
多址接入核心问题
对于一个共享信道，当信道的使用产生竞争时，如何 采用有效的协调机制或服务准则来分配信道的使用权
采用媒体（信道）访问控制MAC （Medium Access Control）技术实现
无线网络MAC协议原理
多址接入的共同点
避免不同用户同时使用同一物理链路（信道）；否则 或产生干扰（主要为碰撞问题） 各用户之间的通信必须要有一个彼此都遵循的协议， 即多址接入协议或多址访问协议 理想的多址协议应能够使所有排队队列成为一个总队 列，由信道来服务，从而使信道的利用率高
无线网络MAC协议原理
无线网络MAC协议原理
2、基于CSMA的无线MAC协议
基于ALOHA的竞争协议效率低的原因是碰撞和 重发 CSMA协议采用先听后说(Listen Before Talks) 的思想
无线网络MAC协议原理
无线网络MAC协议原理
1-坚持CSMA 非坚持-CSMA p-坚持CSMA
无线网络MAC协议原理
研究带内控制信息的CA协议时，一般假 设信道没有衰落，不存在捕获效应，分 组错误仅是由碰撞引起的 数据分组和控制分组在同一信道内传送
无线网络MAC协议原理
两次(Two Way)握手机制
又称ACK机制,是一种最基本的握手机制 如802.11DFC(Distributed Coordination Function,分布协调) 中的基本访问机制 (BAM-Basic Access Mechanism) 只发送DATA和ACK，当正确接收后，立 即发送确认帧，发送方收到该确认后，知 道该确认帧已成功发送
无线网络MAC协议原理
按需分配（Demand Assignment）
也称预约类或无竞争类 网络按某种循环顺序询问每个终端受否有数据发送， 如果有立即发送，否则询问下一个终端 根据询问方式，又可分为 集中控制和分布式控制 典型协议Token Ring 、PRMA、 DAMA等 按需分配，带宽浪费少，没有由于竞争而浪费的带宽 以及由此产生的时延
无线网络MAC协议原理
三次握手RTS-CTS-DATA 存在隐藏节点的情况下，吞吐率比 ALOHA、CSMA和MACA好 并不能彻底解决“隐藏节点”和“暴露 节点”的问题 但能很大程度地阻止“隐藏节点”的产 生
无线网络MAC协议原理
四次（握手）握手机制
四次握手机制包括RTS-CTS-DATA-ACK 减小节点的退避时延 当节点接到ACK后，可以发送 可以解决发送长帧时的碰撞问题 缓解“隐藏终端”，仍不能解决暴露终端
无线网络MAC协议原理
MACA-BI(Multiple Access Collision Avoidance-By Invitation)协议
发送驱动协议 接收节点主动发送RTP( Ready Receive)分组 发送端根据RTP分组要求（发送速率、包长度） 发送数据分组
无线网络MAC协议原理
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依赖位置的载波侦听
隐藏终端 （Hidden Terminal） 暴露终端 (Exposed Terminal)
无线网络MAC协议原理
隐藏终端
无线网络MAC协议原理
暴露终端
无线网络MAC协议原理
低功耗
电池 发射功率大影响频率复用
无线网络MAC协议原理
无线MAC协议的分类
无线网络MAC协议原理
面向数据的随机竞争MAC 协议
基于ALOHA的无线随机MAC协议，各用户 终端不必经过协调可各自发送自己的分组
基于载波监听（CSMA）的无线随机协议， 终端用户发送自己的分组之前需要侦听信道
无线网络MAC协议原理
1、基于ALOHA的无线随机MAC协议
（1）ALOHA协议（纯ALOHA协议） 站点发送分组时，并不需要知道信道是否空 闲，直接发送 由于多用户随机发送，发送时间重叠，发生 碰撞（冲突） 发送端发送后一段时间内没有接收到确认， 就认为分组发生了冲突，经过一个随机延迟 后重发
无线网络MAC协议原理
(1)1-坚持CSMA
CSMA技术的最简单方式 每个站点在发送前监测信道 信道空闲发送信息 如信道忙则一直坚持，一旦监测到信道 空闲则发送
无线网络MAC协议原理
如果两个或以上的站点一监测到信道 空闲就发送信号，容易引起冲突
无线网络MAC协议原理
（2）非坚持-CSMA
消除了大量的碰撞，性能比１-CSMA有所提高 负载较轻时，延迟时间长
无线网络MAC协议原理
面向语音的固定分配MAC协议
FDMA TDMA CDMA
频分多址FDMA
将总的频带分成若干个子信道，每个子信道再分配 给每个用户 一个子信道在某一个时刻只能有一个用户
无线网络MAC协议原理
(1) 频分多址FDMA
FDMA信道带宽非常窄，在移动通中只有 30kHz或更小 相对于 TDMA, 系统简单 为减小临信道干扰，对射频滤波器要求较 高 主要在模拟蜂窝系统采用（无绳电话） 数据连续传送
信息中带有识别码 接收节点只有解码并识别出自己是预定的接收 者后才发送忙音 距离接收节点发送半径Ｒ内的节点被抑制 解码需要时间，并不能完全消除隐藏终端
无线网络MAC协议原理
带带内控制信息的CA协议
在同一无线信道上传输控制握手（Control Handshaking）信息 两次握手 三次握手 四次握手 。。。。。。
无线网络MAC协议原理
MAC协议的指标与要求
延迟 吞吐率 公平性 稳定性
无线网络MAC协议原理
无线MAC 协议面临的问题
资源有限 • 信道有限 • 带宽有限 信道为时变信号 • 无线信道特性随时间变化，从而引起传输质量、 传输容量和连接性变化 • 握手机制是缓解由信道衰落而引起信号时有时无 的有效手段 • 一次成功握手标志两站点之间的通信连接成功
分配策略
固定分配、随机竞争和按需分配
应用
面向语音、面向数据和面向综合语音与数据
拓扑结构
有中心 无中心分布控制
无线网络MAC协议原理
固定分配（Fixed Assignment）
• 将一条信道分割成若干相互独立的子信道，每个 信道分配给一个或多个用户使用 • 频分多址（FDMA）、时分多址(TDMA)、码分多 址(CDMA)和空分多址(SDMA) • 面向信道，可以提供可靠的服务，信道利用率高 • 比较适用于实时性要求高或连续的流业务（语音 业务、视频业务等）以及通信量稳定的网络 • 用户不发送信息时，分配给他的信道浪费
无线网络MAC协议原理
MAC层协议的功能
定义以一定的顺序和有效的方式分配节点访问 媒体（信道）的规则
有两种极端的协调协议
完全自由（Free for All）式
•
只要有新数据立即传送，要解决碰撞重传问题
完全排序（Perfectly Scheduled）式 • 各个用户按照某种规则使用预定的区间在信道上 传输 • 确定传输顺序、时间长短、分配策略和方式
无线网络MAC协议原理
P-坚持CSMA
介于上述两种方式之间 监听信道，如果信道空闲，以概率p发 送数据 延时到另一个时隙的概率为1-p 协议的性能取决于p的优化程度
无线网络MAC协议原理
CSMA/CD
站点发送的同时检测信道 检测到冲突发送干扰组迫使发送节点停 止发送
无线网络MAC协议原理
无线节点很难做到收发同时进行 即使可以同时收发，CSMA/CD也很难解 决在发送站点实现CD 即使可以在发送方实现CD，由于隐藏节 点和暴露节点，即使发送方检测到信道 空闲，在接收端仍可能存在冲突 无线通信中一般采用带有冲突避免的 CSMA/CA方式
无线网络MAC协议原理
基于冲突避免CA的无线MAC协议
在CA机制中，节点在等待信道保持预
定的一段静默时间后才能发送 静默允许最差情况下的传输时延和处 理时延 为了解决隐藏终端问题， CA机制通过 阻止碰撞来提高协议性能
•带带外信令的CA协议－忙音多址 •带带内控制信息的CA协议－控制握手信息
无线网络MAC协议原理
无线网络MAC协议原理