第3章-无线传感器网络的MAC协议概要课件.ppt
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- 无线 传感器 网络 MAC 协议 概要 课件
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1、第第 3 3 章章无线传感器网络的MAC协议1n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 n首先考虑网络的能量效率23.1.1无线传感器网络MAC协议的特点n无线信道通信的带来的问题n频谱资源有限n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3必须采用有效的MAC协议4无线传感器网络MAC协议的主要特点1.能量效率2.可扩展性3.公平性4.传输效率3.1.2无线传感器网络MAC协议的分类5无线传感器网络MAC协议竞争型非竞争型混合型6无线传感器网络MAC协议竞争型非竞争型混合型竞争型MAC协议n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
2、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。n传统的无线网络:n ALOHA(Additive Link On-Line Hawaii Syslem)n 载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)7ALOHA协议n纯ALOHA协议 当节点有数据需要发送时,直接向信道发送数据分组。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。n但在重传策略上,等待一段随机的时间,然后再进行重发n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8ALOHA协议n时隙ALOHA协议 将时间划分成一系列固定长度的时
3、隙 各节点只能在每个时隙开始时才能发送数据9纯ALOHA和时隙ALOHA比较n纯ALOHAn实现简单n信道利用率较低n时隙ALOHAn将信道利用率提高一倍以上n要求在各节点之间实现时间同步10CSMA协议n使用了一个载波侦听装置nCSMA协议的类型:n非坚持型n1-坚持型np-坚持型11非坚持CSMA 节点一旦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退避算法延迟一段随机的时间后重新开始侦听。若侦听时发现信道空闲,则将数据发送出去。n优点:n提高了 信道的利用率、网络的吞吐量n缺点:n无法及时发现信道状态的变化12坚持CSMA协议n发送数据时,节点先侦听信道n
4、当侦听到信道忙时,仍坚持侦听,一直侦听到信道空闲为止n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:n1-坚持CSMAnp-坚持CSMA13n1-坚持CSMAn以概率1,立即发送数据n优点:n能够充分抓紧时间发送数据。n缺点:n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np-坚持CSMAn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CSMA/CD协议14n增加冲突检测nIEEE802.3标准n优点:发生冲突时,可以使信道很快地空闲下来n缺点:n节点必须能够同时接收和发送无线信号,增加节点成本n无线网络中,存在“隐终端问题”CSMA/C
5、A协议n多跳的无线网络nCSMA/CAn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);n若信道空闲,接收端就响应一个允许发送报文(Clear-To-Send,CTS);n然后开始传送。n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。15CSMA/CA的改进:冲突避免多路接入协议(Multiple Aecess with Collision Avoidance,MACA)n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
6、时间。16无线传感器网络MAC协议竞争型非竞争型混合型17非竞争型MAC协议n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。n相互不干扰 避免冲突n时分多路接入(TDMA)、频分多路接入(FDMA)和码分多路接入(CDMA)协议18时分多路接入(TDMA)协议n无线蜂窝系统n较高的能量效率n缺点n仅适用于簇形网络结构n各节点之间严格的时间同步19频分多路接入(FDMA)n实现简单n缺点n保护频带将浪费相当大的带宽n非常准确地控制发送功率20码分多路接入(CDMA)协议n采用正交伪随机码
7、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。n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n终端设计复杂,同步精度要求高21n无线传感器网络也可以采用非竞争型MAC协议nTDMA DEANE、SMACS、DE-MAC、TRAMA协议2223无线传感器网络MAC协议竞争型非竞争型混合型3.2无线传感器网络MAC协议设计n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243.2.1 设计目标1.提高能量效率能量效率n降低“成功传输单位数据所消耗的能量”2.提高可扩展性可扩展性nMAC协议适应网络大小变化的能力3.提高适应性适应性n适应节点密度
8、和网络拓扑变化的能力4.提向信道利用率n用于有效通信的带宽利用率253.2.1 设计目标5.降低端到端传输迟延。n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。n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n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263.2.2 节能设计n数据通信是能量消耗最主要的来源n100m的距离上发送1kbit的数据需要消耗3J的能量n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n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
9、27MAC层能量浪费的主要来源1.冲突n分组出错或丢失n重传分组2.串音n传感器节点接收到 发往其他节点的分组数据或消息283.空闲侦听n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nIEEE802.11 2Mbit/s,空闲侦听、接收、发送所消耗的能量比率为1:2:2.54.控制开销29303.2.3 MAC协议设计的技术挑战n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n单位时间内消耗的能量依次递减n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31节点的休眠调度问题节点的休眠调度问题n
10、要解决的问题n每个周期侦听多次时间n侦听的时间过长,能量浪费;n侦听时间过短,增大传输迟延n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32协议的复杂度问题n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33复杂度与性能间的折中问题n在复杂度与性能之间寻找最佳折中方案34性能指标间的折中问题n为了降低功耗,可能会增大消息或数据的迟延353.3 无线传感器网络的MAC协议363.3.1竞争型MAC协议37WSNMAC协议竞争型S-MACT-MAC非竞争型SMACSDEANA混合型Funneling-MAC38WSNMAC协议竞争型S
11、-MACT-MAC非竞争型SMACSDEANA混合型Funneling-MACSMAC协议(Sensor MAC)n802.11 MAC协议+能量效率nSMAC协议基本思想n周期性睡眠和监听 n串扰避免n长消息传递39n一个周期内有睡眠和监听两种状态n节点之间协同,保持监听同步n调度方式:节点进行监听和睡眠的时间表n相邻节点间 尽可能“同时监听、同时休眠”n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。n全监听周期,保证邻居发现n避免存在“节点互相发现不了对方”SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听 40SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听 nSMAC协议将监听
12、时间分为两段n发送/接收SYNC包n发送/接收RTS和接收/发送CTS41SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听 n发送数据的 3 种可能情形42图3-2 接收节点与发送节点的关系SMAC协议关键技术-自适应监听 n多跳通信网络中,节点的周期性休眠会导致通信延迟延迟的累加的累加n流量自适应监听机制:n在一次通信过程中,通信节点的邻居邻居在此次通信结束后唤醒唤醒并保持监听监听一段时间;n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。n优点:减少了两个节点间的数据传输延迟43SMAC协议关键技术-消息冲突与串扰避免nSMAC协议中,在RTS/CTS帧中都带有目的
13、地址和本次通信的持续时间信息n节点接收到RTS/CTS帧后,如果发现目的地址不是自己的地址n节点马上进入睡眠状态n将此次邻居节点间通信的持续时间持续时间存储到本地的网络分配网络分配向量向量(NAV)中nNAV会随着本地时钟的运行递减n在NAV值非零期间节点都处于睡眠状态44SMAC协议关键技术-长消息传递机制l将长的信息包分成若干个短的DATA段 l所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分组 占用信道 l每个DATA都有ACK保障传输成功n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。l整个传输过程中DATA和ACK都带有通信剩余时间信息,邻居
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