第3讲 无线传感器网络技术-MAC协议(II)

N ASYNC ASYNC
A
A
BSYNC B
N
A ASYNC ASYNC
WSN
MAC for Sensor Networks
11
S-MAC: 周期性侦听和睡眠
相邻的节点同步形成虚拟 的簇 clusters 也称“时间表同步的岛屿”
边界节点记录两个或者多 个调度
边界节点睡眠时间短
WSN
12
C active
D TA
WSN
FRTS
active RTS
MAC for Sensor Networks
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评价
优点 提高了吞吐率、减少延时
缺点 额外的通信开销 降低能量效率
WSN
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早睡的解决办法 -2
满缓冲区优先 Full-Buffer Priority
contend A
WSN
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AL 举例
RTS Node A
DATA
Node B
CTS
ACK
Listen
AL
Node C
WSN
RTS = Request to send CTS= Clear to send
AL = Adaptive Listen Without AL A could
be sleeping at this MmAoCmforeSne1nt8sor Networks
WSN
7
S-MAC: 周期性侦听和睡眠
与邻居节点的调度周期保 持一致
节点选定自己的调度表或 者遵照别人的调度表
右图表示节点启动时的处 理流程
节点启动
侦听
邻节点调度？ N Y
根据首次收到的 调度周期更改自
身调度周期
记录收到的调度
广播自身调度
N 满足时间？
Y 产生自己的
调度周期
广播自身调度
无线传感器网络 —— MAC 协议(II)
主讲: 何丽莉
RECALL
WSN-MAC协议设计的重点 节能、可扩展、网络效率
• 冲突、串音、空闲侦听、控制开销
竞争型MAC协议——CSMA/CA 所有节点共享一个信道 按需访问信道 侦听/随机退避 RTS/CTS控制机制
WSN
A BC
RTS
t
t
t t
CTS CTS DATA
ACK RTS AL
S-MAC协议-关键技术4
消息传递机制
什么是“消息(Message)”?
• 是具有密切的内部联系的数据的集合，只 有得到完整的数据才可以在网络内部进行 数据处理、聚合
将长的信息包分成若干个短的信息段DATA； 使用一个RTS／CTS控制分组占用信道； 每个DATA都有ACK保障传输成功； 任一DATA未收到应答，则立刻重传
节点处于侦听状态（活跃状态），直到TA时间没 有激活事件发生
周期时间定时器溢出 从无线信道上收到数据 通过接受信号强度指示RSSI感知到了存在无线通信 通过侦听RTS-CTS帧，确认邻居的数据交换已经结束
WSN
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T-MAC: TA选择
TA 决定了每个周期的最短空闲侦听时间。 TA的取值约束:
TA > C+R+T
C – 竞争信道的时间; R – 发送RTS包所需的时间; T – 从RTS发送结束到开始发送CTS的时间;
TA = 1.5 * (C+R+T);
WSN
MAC for Sensor Networks
26
WSN
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T-MAC:早睡问题
Early-Sleeping Problem
WSN
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传感器网络的通信类型
周期性网络 Periodic traffic
动物习性监测 内部环境
• 温度 • 空间变化
医疗监测
• 患者生命体征
事件驱动型网络 Event-driven traffic
某些机械结构的破坏
• 水管 • 飞机的机翼
医疗上的紧急状况 设备跟踪
NodNeoBdelisBtelnisten
MAC for Sensor Networks
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SYNC Packet
定期 全周期监听
侦听时间分为2段
WSN
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S-MAC协议-关键技术2
串音避免 问题描述：
节点会听到其他节点的数据传输，与自己无关。
解决办法：
信道忙时进入睡眠
E
C
WSN
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占空比分析
如果选择较小的占空比，则收发机大部分时间处于休眠状 态，可以避免idle listening所造成的能量消耗；
选择较小的占空比，则由邻居节点流向给定节点的通信量 会集中在一个较小的时间窗口内，从而可能会引发显著的 竞争和较重的负载；
如果选择较长的休眠时段，则会出现一个显著的每跳等待 时间。在多跳的情况下，这个等待时间的累积可能会产生 较大的端到端的延迟。
WSN
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Sift协议-提出背景
针对事件驱动型传感器网络，设计能够快速反应 的MAC协议
出发点 空间和时间相关性 并非每个节点都要报告事件 感知事件的节点密度随时间变化
设计目的 N个节点同时监测到一个事件，希望在最短时 间内有R个节点(R<=N)无冲突发送事件消息
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S-MAC Vs IEEE802.11突发分组传送
WSN
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小结
特点 周期性的休眠/唤醒，降低idle时间 串音避免 自适应侦听 消息传递
缺点 调度周期是固定的，不适应网络流量变化 簇边界节点能量消耗快——GSA 仅减少两跳传输延迟——FPA
WSN
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T-MAC协议
2
S-MAC 协议
Medium Access Control with Coordinated, Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks.
W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin.
IEEE/ACM Transactions on Networking, Vol. 12, No. 3, pp. 493-506, June 2004. http://www.isi.edu/ilense/software/smac
contend B
contend C
RTS active D
RTS CTS TA
DATA ACK
WSN
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评价
优点 一定程度上控制了网络的流量
缺点 数据量较大时，增加了冲突的可能
WSN
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Sift MAC协议
K. Jamieson, H. Balakrishnan, and Y. C. Tay, “Sift: A MAC Protocol for Event-Driven Wireless Sensor Networks,” MIT Laboratory for Computer Science, Tech. Rep. 894, May 2003, http://nms.csail.mit.edu/projects/sift
An Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks T. van Dam, and K. Langendoen. SenSys 2003.
WSN
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Drawbacks of S-MAC
活跃时间的长度是固定的 按照能够处理最高负载来
WSN
进入正常工作状态 MAC for Sensor Networks
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S-MAC: 周期性侦听和睡眠
与邻居节点的调度周期保 持一致
节点选定自己的调度表或 者遵照别人的调度表
右图表示节点工作中的处 理流程
WSN
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举例 1
– 无邻居节点选定自己的调度之后，收到一个不同的调度广播
If A has no other neighbours:
C wakes up... C
Sensed
B 知道C下一次醒来的时间，但是却不想等到那时，而 希望立刻把消息传给C。
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MAC for Sensor Networks
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流量自适应侦听的解决方案
Event A
Sensed
CTS B CTS
C 从NAV 立刻知道 传输何时结束。
C
C 在传输结束时 醒来
A
B
D
F
•谁会休眠？ • 发送节点和接收节点的所有直接邻居 • 用NAV决定休眠时间
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MAC for Sensor Networks
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S-MAC协议-关键技术3
• 流量自适应侦听（Adaptive Listening）
• 问题描述：
• 周期性睡眠导致了通信延迟的累加
Event
A
B 等待C醒来... B
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MAC for Sensor Networks
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分组传送举例
1RTS. 1CTS. 多 ACKs.
Sending Node
Receiving Node
RTS
DATA
DATA
CTS
ACK
ACK
WSN
一次预约整个长消息的时间 NAV 让任意无关节点接到任一消息，进入睡眠。
MAC for Sensor Networks
ASYNC A
ASYNC
ASYNC BSYNC B
ASYNC
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举例 2
- 有邻居节点选定收到了一个不同的调度广播
If A has at least one neighbour:
1. A listens...hears no SYNC... 2. A Chooses own schedule... 3. Broadcasts SYNC... 4. A following schedule with neighbours... 5. B joins... 6. B broadcasts own SYNC... 7. A adopts both schedules.
1. A listens...hears no SYNC... 2. A Chooses own schedule... 3. Broadcasts SYNC... 4. B joins... 5. B broadcasts own SYNC... 6. A adopts B's schedule.
设计 如果网络中消息传递的速
率很低的话，仍然有大量 的能量浪费在idle-
listening
想法：
动态调整调度周期中的 活跃时间长度
在TA时间内没有发生激 活事件则进入睡眠
WSN
MAC for Sensor Networks
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T-MAC 工作过程
~S-MAC 固定调度周期 周期性广播SYNC帧 RTS/CTS控制报文
WSN
3
S-MAC概述
假设
单信道 平均数据率很低 网络能够容忍一定程度的通信延迟
设计目标
节能、扩展性
• Idle时间最长 • 冲突、串音… • 控制消息交换
WSN
MAC for Sensor Networks
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基本思想
主要思想： 1. 采用周期性的休眠/侦听方法减少空闲侦听带 来的能量损耗； 2. 当有节点收发数据时，与此无关的邻居节点 进入休眠减少冲突与串音带来的能量损耗； 3. 采用消息传递机制，减少控制消息带来的能 量损耗； 4. 采用自适应的侦听机制，减少消息传输延迟
时间同步的维护
• 时钟漂移 → 同步错误 • 为了避免该错误的发生，使用 “相对时间戳”
– 发送节点记录从发送完数据包到进入睡眠所需等待的时间Ts – 接收节点接收数据包所用的时间Tr – Ts-Tr就是接收节点需要调整的时间
WSN
NodNeoAdeliAstelnisten
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Sender Node ID Next-Sleep Time
contend RTS CTS DATA A
ACK
B contend
C active
D TA
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sleep MAC for Sensor Networks
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RTS?
早睡的解决办法 -1
未来请求发送Future RTS (FRTS)
contend RTS CTS DS DATA A
ACK
B contend
• 主要思想：通信节点的邻居节点在此次通信结束后唤醒，并且 保持侦听一段时间。如果邻居节点在这段时间收到RTS帧，则 可以立刻接收数据，而不需要等到下一个侦听周期。
• Network Allocation vector (NAV) – 传输时间倒计时 • 一旦B接收了来自A的全部数据，C立刻醒来，准备从B接收数据
WSN
5
S-MAC协议-关键技术1
周期性睡眠和侦听 周期性唤醒方法（Periodic Wakeup） 每一个节点都有一个预先确定的时间表 唤醒周期（Wakeup Period），也称调度周期 侦听时段（Active Period），也称活跃时段 睡眠时段（Sleep Period） 占空比（Duty Cycle） =Ta/Tw