MAC协议-IEEE 802.11

CSMA
• CSMA(载波侦听多 路访 问 ( CSMA with collision avoidance , CSMA/CA ) 协 议)是 基于竞争的无线网络MAC典型协议。 • 所谓的CSMA/CA，指在信号传输之前，发 射机先侦听介质中是否有同信道载波，若 不存在，意味着信道空闲，将直接进入数 据传输状态；若存在载波，则随机退避一 段时间后重新检测信道。
虚拟载波侦听过程
• 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 , CT S ) 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 M AC 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。N AV 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。
MAC协议
概述
• 在无线 传 感 器 网 络 中 , 介 质 访 问 控 制 ( medium acces s 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。 • M AC 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。 • 所谓的MAC协议就是通过一组规则和过程 来有效，有序，公平地使用共享介质。
CSMA/ CA 的基本访问机制
• 根据 CSMA/ CA 协议 , 当一个节点 要传 输一 个分 组 时 , 它首 先侦 听 信道 状态。 如果信道空闲 , 而且经过一个帧间间隔时 间 DIFS 后 , 信 道仍 然空 闲 , 则 站点 立即 开始 发 送信息。如果信道忙 , 则站点一直侦听信道直到信 道的空闲时间超过 DI FS。当信道最终空闲下来时 , 节点进一步使用二进制退 避算法 ( binary backoff algorith m) , 进 入退避 状态 来避免发生碰撞。图 描 述 CSM A/ CA 的基本访问机制。
网络的 MAC 协议分为三类
( 1) 采用无线信道的时分复用方式 ( time division multiple access , TDMA ) , 给每个 传感器节点分配固定的无线信道使用时段 , 从而避免节点之间的相互干扰 ; ( 2) 采用无线信道的随机竞争方式 , 节点在需 要发送数据时随机 使用无 线信道 , 重点考 虑尽量减少节点间的干扰 ; ( 3) 其他 M AC 协议 , 如通过采用频分复用或 者码 分复用等 方式 , 实现节 点间无 冲突的 无线信道的分配。
网络能量浪费 的主要原因
( 1) 竞争方式使用共享无线信 道 , 引起多个 节点之间发送的数据产生 碰撞。 ( 2) 节点接收并处理不必要的数据。 ( 3) 过度的空闲侦听或者没必要的空闲侦听同 样会造成节点能量的浪费。 ( 4 ) 在控 制 节 点 之 间 的 信 道 分 配 时 , 如果控制消息过多,也会消耗较多 的 网 络能 量。
802 .11 MAC 协议的退避机制
节 点在进 入退 避状态 时 , 启 动一个 退避 计时 器 , 当计 时达 到退避 时间 后结束 退 避 状态 。在退 避状 态下 , 只 有 当 检 测 到 信 道 空 闲 时 才 进 行 计 时。 如 果 信 道 忙 , 退 避 计 时 器中 止计时 , 直到 检测到 信道 空闲 时 间 大 于DIFS 后 才 继 续 计 时。 当 多 个 节 点 推 迟 且 进入 随机退 避 时 , 利 用 随 机 函 数 选 择 最 小 退 避 时 间 的 节 点 作 为 竞 争 优 胜 者 , 如 图 所 示。
• PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问 , 是一 种可选的 控制方 式。它通 过访 Leabharlann Baidu接 入点 ( access point , AP ) 协调节点的数据 收发 , 通过 轮询 方式 查询当 前哪 些节点 有数 据发送的请求, 并在必要时给予数据发 送权。
虚拟载波侦听
• 在 DC F 工作方式下 , 载波侦听机制通过物 理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信 道的状态。物理载波侦听由 物 理层 提供 , 而 虚 拟载 波侦 听由 M AC 层 提供。
基于竞争的 MAC 协议
• 基于竞争的随机访问 MAC 协议采 用按需 使用 信道 的方式 , 它 的基 本思 想是 当 节 点需要发送数据时 , 通过竞争方式使用无线 信道 , 如果 发送 的数据 产生 了碰 撞 , 就 按照 某种策略重发数据 , 直到数据发送成 功或放 弃发 送。
• 典型 的基 于竞争 的随 机访 问 M AC 协议是载波 侦听多路访 问 ( carrier sense multip le access , CSMA ) 。无线局域网 IEEE802 .11M AC协议的 分布式协调 ( distributedcoordination function , DCF ) 工 作 模式 采用 带冲 突避免的载波侦听多 路访 问 ( CSMA with collision avoidance, CSMA/ CA ) 协 议 , 它 可以 作为基于竞争 M AC 协议的 代表。在 IEE E 802 .11 M AC 协议的基础上 , 研 究者提出了多个用于传感器网络的基于竞争的 M AC 协议。
802 .11 M AC 协议的应答与预留机制
• 为减少节点间使用共享无线信道的碰撞概 率 , 预留 机制 要求源 节点 和目标 节点 在发送数据帧之前交换简短的控 制帧 , 即发送 请求 帧 R TS 和清除 帧 CT S。从 RT S ( 或 C TS )帧开始到 ACK 帧 结 束的 这 段 时 间 , 信 道 将 一 直 被 这 次 数 据 交 换 过 程 占 用。 RT S 帧 和CT S 帧中包含有关于这段时间长度的信息。每个站 点维护一 个定时 器 , 记 录网络分 配向量 N AV , 指示信道被占用的 剩余时间。 一旦 收到 R T S 帧 或 CT S 帧 , 所 有节点 都 必 须更新它们的 N AV 值。只有在 N A V 减至零 , 节点才 可能发送信息。通过此种方 式 , RT S 帧和 CT S 帧为节 点的数据传输预留了无线信道。
• 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。 • 在设计无线传感器网络的MAC协议时, 需要 着重考虑以下几个方面: • ( 1) 节省能量。 ( 2) 可扩展性。 ( 3) 网络 效率。
802 .11 M AC 协议的应答与预留机制
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802 .1 1 M AC 协议中通过立即主动确认机制和预留机制 来提高 性能 , 如图 所示。在主动确认机制中, 当目标节点收到一个发给它的有效数据 帧 ( DA T A ) 时 , 必须向 源节点发送一个应答帧 ( ACK ) , 确认 数据 已 被 正确接 收到。为了保证目标节点 在发 送 ACK 过程中不与其他节点 发生 冲突 , 目 标 节点 使用 SIFS 帧间 隔。
IEEE 802 .11 MAC 层协议
• IEEE 802 .11 MAC 协议有分布式 协调 DCF 和点 协
调 ( pointcoordination function ,PCF ) 两种访问控制 方式 , 其中 DCF 方式是IEEE 802 .11 协议 的基本访 问控制方式。由于在无线信道中难以检测到信号的碰 撞 , 因而只能采用随机退避的方式来减少数据 碰撞的 概率。在 DCF工作方式下,节点在侦听到无线信道忙 之 后 , 采用 CSMA/ CA 机 制和随机退避时间 , 实现 无 线 信道 的 共享。 另外 , 所 有定 向 通信 都 采 用 立 即 的 主 动 确认 ( ACK帧 ) 机制 : 如果没有收到 ACK 帧 , 则发送方会重传数据。