第3章 无线传感器网络数据链路层设计

第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
3）自适应侦听 ➢S-MAC协议中，节点周期性地进入睡眠状态会增加延时，这种延时并 不会自动消除，反而会在每跳中累积，所以S-MAC采用自适应侦听策 略来减少这种累加的效应。 ➢它的基本思想是当一个节点在其通信范围内得知相邻的节点要传输 数据时就睡眠并记录其传输数据的时间，只有当其相邻的节点传输数 据结束后才能醒来一个短暂的时间，这时它可以通过侦听信道查看信 道的状态（忙或空闲），判断是否有数据需要传输。 ➢在这种方式下，如果此时正好有一个消息需要传递给该节点，那么 它就可以立刻接收，而不用等到该节点的睡眠结束后再进行传递；假 如没有任何消息需要传递给该节点，那么它就继续睡眠。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计 无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
2）需要解决的主要问题
早睡问题
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
未来请求发送：采用提前通知需要接收数据的节点的方法来实现早睡的 避免： ➢如上页中的a所示，当节点C接收到CTS后，除了触发自己保持监听状 态之外，还发送一个FRTS分组给节点D，FRTS分组中含有节点D需要等 待的时间，在此空闲状态中，节点D必须要保持侦听状态。 ➢在节点C发送FRTS时看哪个节点会干扰节点A发送的数据，因此节点A
第三章 无线传感器网络数据链路层设计 无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC 4）消息传递
S-MAC传输大量数据
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
T-MAC协议 1）基本思想 相对于S-MAC协议来说，保持了S-MAC的周期，根据网络负载的流 量自适应地调整激活的时间。
需要延迟原数据的发送响应的时间，但是又必须保持对信道的占用，因
此节点A在这段时间内发送一个与FRTS一样长度的分组，该分组不包含
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
如果发送节点在TA时间间隔内没有收到CTS分组，它就会进入睡眠。 但是从上面的前两种情况可以看出节点还没有收到CTS分组，直接进入 睡眠会导致实时性降低，接收节点一直都处于空闲监听，浪费大量的能 量，因此TMAC协议规定，节点发送RTS分组之后没有收到CTS分组， 则重新发送一次RTS分组，还没有收到则进入休眠状态。
2．跨层优化 无线传感器网络区别于传统的无线网络最重要的就是
无线传感器网络各层之间能够实现合作和信息共享。在无 线传感器网络中采用了跨层设计，各层之间能够通过共享 一些信息来共同调节网络的性能。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计 无线传感器网络数据链路层关键问题
3．能量效率问题 在无线传感器节点中，能量消耗主要用于无线信号的收 发。 无线通信模块一般有4个状态，即发送、接收、空闲和 休眠，在这4个状态中，能量消耗逐级递减。协议必须 合理选择节点侦听和休眠的时间比例。 还需考虑休眠期间节点的接收问题和唤醒期间节点收发 的最大利用率问题，以最大限度地节省能量。
S-MAC协议做出如下假设： ➢ 大多数节点之间是进行多跳短矩离通信； ➢ 节点在无线传感器网络中的作用是平等的，即一般情
况下没有基站； ➢ 为了减少通信量，采用网内数据处理； ➢ 运用信号的协作处理，改善感知信息的质量； ➢ 节点具有较长的空闲时间而且可以容忍一定的延时； ➢ 网络寿命是首要考虑的问题。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
S-MAC协议将节点的活动状态分为两个部分以保证 节点能接收到数据包和同步包，第一个部分用于发送和接 收同步包，第二部分用于发送和接收数据包，每个部分都 设有载波帧听时间。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
如下所示的多跳网络，它由节点A、B、C、D、E、F构成，每个节点只能 和其一跳以内的邻居节点进行数据的传输。假设此时节点A正向节点B发送数 据，那么显然节点D应该睡眠，因为它的传输干扰了B正确接收A发出的数据。 而节点E和F不会影响其他节点，所以它们不需要睡眠。C和B之间的距离有两 跳远，即使它传输数据也不会干扰到B接收，所以它可以自由地向其他节点 （如E）发送数据。但是，C却无法接收E的应答（CTS或其他数据等），这是 因为E和A同时传输会在节点C处产生冲突，所以即使C传输，也是浪费能量。 总而言之，不管是发送者还是接收者，它们之间相邻的节点在听到CTS或RTS 包后都需要睡眠，一直要等到传输结束才可以醒来。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
1）周期性地侦听和睡眠
睡眠侦听机制
S-MAC协议基本的节能手段是依靠传感器节点定期进入睡眠状态从而减少 节点空闲侦听的时间来实现的。 S-MAC协议把时间分割成许多时隙，在每个时隙中又划分为侦听和睡眠两 个状态，在侦听状态，节点可以和其通信范围内的邻居节点自由地进行通 信；在睡眠状态，为了减少节点功耗，不参与任何的数据传递活动，只是 设定计时器开始计时，这样在经过一段时间后自己就能自动醒来，醒来后 则立刻查看是否有消息传递给自己。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络数据链路层关键问题
1．网络性能的优化 在MAC协议中，无线传感器网络的关键性能指标不是
独立存在的，而是互相影响的，在提高一种性能的同时可 能会降低其他性能。现在所提出源自文库的MAC协议往往只考虑 一种或两种性能指标，没有综合各种指标使之达到更好的 性能。
TA>C+R+T 式中，C为竞争信道的时间，R为发送RTS的时间，T为RTS分组发送结束到开始 发出CTS的时间。
节点发送完RTS分组之后，如果未收到对应的CTS分组，那么就有三种情况： 由于无线信道发生碰撞，目的节点没有接收到RTS分组； 目的节点已经收到串扰的分组； 目的节点正处于睡眠状态。
数据链路层也向它的上层——网络层提供透明的数据传送服 务，主要负责数据流多路复用、数据帧监测、媒体介入和差 错控制，保证无线传感器网络内点到点以及点到多点的连接。
无线传感器网络的数据链路层研究的主要内容就是MAC和差 错控制。
怎样实现无线传感器网络中无线信道的共享，即介质控制协 议（MAC）的实现是无线传感器网络数据链路层研究的一个 重点，MAC协议的好坏直接影响网络的性能优劣。
无线传感器网络MAC协议——分类
2．按信道占用数划分 在无线传感器网络中，按物理层所采用的信道划分
方法，可以分为单信道、双信道和多信道三种方式，目 前无线传感器网络中采用的主要是单信道MAC协议。
3．按分配信道方式划分 在无线传感器网络中，竞争性是区分MAC协议最重
要的一个依据，竞争是指节点在接入信道的过程中采用 的是随机竞争方式还是有计划的竞争方式，因此MAC协 议可以分为固定接入和随机接入两种。竞争MAC协议基 本上都属于随机接入协议，其实现非常简单，能灵活地 解决无线节点移动的问题，能量波动非常小。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计 无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
S-MAC协议采用的机制有以下几种：
将节点的工作模式分为侦听和睡眠两个状态，并让节点尽 可能长时间睡眠以达到节能的目的； ➢通过协商的一致性睡眠调度机制让相邻节点在相同时间 活动、相同时间睡眠，从而形成虚拟簇； ➢通过突发传递和消息分割机制来减少消息的传输延时和 控制消息的开销； ➢通过流量自适应的侦听机制，减少网络延时在传输过程 中的累加效应。
侦听MAC协议主要采用间断侦听的方式；
唤醒MAC协议主要采用基于低功耗的唤醒接收机来实现， 当然也有集合侦听和唤醒两种方式的MAC协议，如低功耗 前导载波侦听MAC协议；
调度MAC协议主要使用广播中，广播的数据信息包含了接 收节点何时接入信道与何时控制接收节点开启接收模块。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
T-MAC协议规定，当邻居节点还没有结束通信时，节点不能进入到睡眠状态，因 为该节点很有可能就是下一个数据的目的节点。假设节点检测到串扰以后能够触 发一个空闲间隔TA，TA必须要足够大，以保证节点能够监测到串扰的CTS， TMAC协议规定TA取值约束为
一般来说，在无线网络中存在三种信道共享方式，即点对点、点对 多点、多点对多点，无线传感器网络采用的就是多点对多点共享方式， 更准确地说应该是以一种多跳共享方式，也可以说这是一种信道的空间 复用方式。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络数据链路层关键问题
信道共享容易造成两个问题：
数据的冲突：当同一信道上有两个节点都在发送数据时，若 它们相互干扰则将导致数据包发送不成功，这会使数据的时 延增加，也将消耗一些不必要的能量，因此避免信道的上冲 突是信道共享所必须考虑的一个问题。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络数据链路层关键问题
3．公平性 每个节点都有相同的权利来访问信道； 每个节点的能量消耗保持大概的平衡，从而延长整个网络的寿命。
5．可扩展性 无线传感器网络域与其他无线网络相比，具有规模大、分布密集等
特点。网络的节点分布结构会动态性地变化，因此无线传感器网络的 MAC协议必须具备可扩展性。 4．信道共享问题
第三章 无线传感器网络数据链路层设计 无线传感器网络MAC协议——分类
➢基于竞争的MAC协议 ➢基于分配的MAC协议 ➢混合型MAC协议 ➢跨层MAC协议
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
根据无线传感器网络负载量小、针对节点间的公平性及通 信延时要求不高等特点来设计的，其主要的设计目标是提供大 规模分布式网络所需的可扩展性，并同时降低能耗。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络数据链路层关键问题
在无线传感器网络的链路层上，MAC协议的多余能量开耗 主要体现在以下几个方面： 碰撞：在无线信道上，如果有两个节点同时发送数据，那么这 两个发送节点都将发射不成功，这会造成能量的大量浪费。 持续侦听：在无线传感器网络中的接收节点无法预测数据何时 到达，另外每个节点还需要侦听各节点的拥塞状况，因此节点 必须始终保持侦听状态，以防特殊情况的发生，但这里包含了 许多没必要的侦听，从而浪费了许多能量。 控制开销：为了保证无线传感器网络的可靠性，MAC层协议需 要使用一些控制分组来调节节点状态，但这些控制分组中不存 在有用的数据，因此也要消耗一部分的能量。
理论上，网络中所有的节点都需要遵守相同的调度时 间，不能有丝毫的误差。但是由于传感器节点的时间表本身 就是随时变化的，而且无线传感器网络还是多跳地传递数据， 所以只有在局部节点之间才有可能形成同步。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——基于竞争的MAC
2）冲突避免
如果有两个或两个以上的邻居节点想同时与一个节点进行通信，那么它 们都会试图在该节点的侦听时段发送消息，在这种情况下必然发生冲突和碰 撞，于是它们就需要开始争夺对信道的使用权。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络数据链路层概述 无线传感器网络数据链路层关键问题 无线传感器网络的MAC协议
➢ 竞争型 分配型 混合型
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络数据链路层概述
数据链路层：就是利用物理层提供的数据传输功能，将物理 层的物理连接链路转换成逻辑连接链路，从而形成一条没有 差错的链路，保证链路的可靠性。
串扰：在一个共享的无线信道中，每个节点都能够接收到在 信道中传输的数据，但是有许多数据是自己不需要的，接收 之后再将其抛弃，在这个过程中也将造成能量的大量浪费。
第三章 无线传感器网络数据链路层设计
无线传感器网络MAC协议——分类
1．按节点接入方式划分 发送节点发送数据包给目的节点，目的节点接收到数据包 的通知方式通常可分为侦听、唤醒和调度三种MAC协议；