无线传感器网络MAC协议.ppt

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1、MAC Protocols for Wireless Sensor Networks,2012年3月5日,A Survey,内容提要,概述 背景知识 协议设计的重点 各种MAC协议 结论和开放的问题 我的想法和问题,内容提要,概述 背景知识 协议设计的重点 各种MAC协议 结论和开放的问题 我的想法和问题,概述,我的ppt主要是面向那些没有太多相关知识的2b青年。在科普介绍的同时，也欢迎各位文艺青年提出批评。 首先无线感器网络与我们的日常的网络是有很大区别的，最关键的体现在于传感器本身依赖于电池，而不是固定的电源，这就决定了节约能量开销，延长网络的使用寿命成为了无线传感网络所关心的最主要的问题

2、。另外无线传感器网络区别于其他的无线网络的一个很大的特性就是所有传感器都是对等的，拥有共同的任务，因而公平性往往不是传感器网络所要考虑的问题。那么基于以上这些思想，人们提出了各种不同的MAC层的协议。下面，我们就来关注这些协议。,内容提要,概述 背景知识 协议设计的重点 各种MAC协议 结论和开放的问题 我的想法和问题,背景知识,科普 能量损失的原因 冲突 overhearing 控制报文的开销 空闲侦听 overmitting 传输的方式 broadcast local gossip convergecast,无线传感器网络MAC协议,网络特征 传感器节点能量受限 传感器节点失效概率大 传感

3、器节点计算处理能力有限 通信带宽有限 以数据为中心 高密度、大规模随机分布 对MAC协议的设计提出了新的挑战！,内容提要,概述 背景知识 协议设计的重点 各种MAC协议 结论和开放性的问题 我的想法和问题,协议设计的重点,能量效率 空闲监听 冲突 控制开销 串扰 可扩展性 和适应性 网络效率 算法复杂度 与其它层协议的协同 目前普遍认为重要性依次递减！,内容提要,概述 背景知识 协议设计的重点 各种MAC协议 结论和开放性的问题 我的想法和问题,竞争型MAC协议,基本思想 发送时主动抢占，CSMA方式（载波侦听多路访问） CSMA/CA主要使用两种方法来避免碰撞： 送出资料前，侦听媒体状态，等

4、沒有人使用媒体，维持一段時间后，再等待一段随机的时间后依然沒有人使用，才送出资料。由于每个裝置采用的随机时间不同，所以可以减少碰撞的机会。 送出资料前，先送一段小小的请求传送封包（RTS : Request to Send）給目标端，等待目标端回应封包后，才开始传送 按需分配 优点 网络流量和规模变化自适应 网络拓扑变化自适应 算法较简单 典型协议 SMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift,SMAC协议-前提条件和基本思想,前提条件 数据量少，可进行数据的处理和融合 节点协作完成共同的任务 网络可以容忍一定程度的通信延迟 基本思想 周期性睡眠和监听 ；协商一致的睡眠调度机制（虚拟

5、簇） 自适应的侦听机制，减少信息的传输延迟 消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息的传递延迟,SMAC协议-关键技术1,周期性睡眠和监听 一个周期内有睡眠和监听两种状态 节点之间协同，保持监听同步 同步调度，形成虚拟簇 降低功耗，增加延迟,图 1-1 周期性监听和睡眠,SMAC协议-关键技术2，3,自适应监听 在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后唤醒并保持监听一段时间。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，从而减少了两个节点间的数据传输延迟。 消息传递 将长的信息包分成若干个短的DATA段 突发式传输,SMAC协议的优缺点,优点

6、 通过睡眠机制减少了空闲侦听的能量损耗，实现简单，交换交换时间表减少了同步所需要的开销。 缺点 广播数据包并没有使用RTS-CTS，这样就增大的冲突碰撞的可能性，自适应可能会导致空闲侦听和窃听（overhearing），睡眠和监听的周期是预先定义的，并且固定的，这样在复杂多变的网络负载条件下，这种策略的效率会大大降低。,TMAC协议-基本思想,SMAC协议调度占空比固定，不能很好的适应网络流量的变化 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,图 12 TMAC基本机制,TMAC协议-关键技术1,周期性监听同步 延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧 固定周期

7、调度后全监听周期，发现邻居 RTS操作和TA的选择 发送RTS未收到CTS，应再发送一次 TA 竞争信道时间 +RTS发送时间 +CTS准备时间,图 13 TMAC基本数据交换,TMAC协议-关键技术2,早睡问题 节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态,图 14 早睡问题,TMAC协议-关键技术3,早睡问题解决办法 未来请求发送（Future request-to-send, FRTS）,图 15 FRTS帧交换,TMAC协议-关键技术4,早睡问题解决办法 满缓冲区优先,图 1- 6接收RTS节点优先,PMAC协议-基本思想,SMAC调度占空比固定，TMAC早睡问题 引入模式信息，节点能够

8、通过模式信息提前获知邻居的下一步活动，调度都根据模式信息来进行,图 17空闲监听周期长度比较,PMAC协议-关键技术1,模式的生成 由一个二进制位串组成 每一位表示节点在当前时隙应处于何种状态，1为监听，0为睡眠 形式：0m1，m=0,1,N-1，m代表串中0的个数 每个节点启动时的模式串为1，表示流量很大 节点根据网络流量更新模式 在第一个时隙内无数据发送：更新模式为 01 在第二个模式中监听时隙内仍无数据发送：更新模式为 001；依此类推,PMAC协议-关键技术2,模式的交换 在当前周期结束时将进行广播来交换模式信息 引入超帧STF ,分为两个子帧 PRTF和PETF 模式重复时间帧PRT

9、F，节点重复自己的模式 模式交换时间帧，邻居之间进行模式信息交换,图 18 时间帧划分,WiseMAC协议-基本思想,基于CSMA机制，使用前导采样技术 通过本地同步的广播获得最小的前导长度 随机的前导长度保证冲突避免,WiseMAC协议-关键技术1,前导采样 对信道进行采样 ，在短时间内对无线信道进行监听 所有节点都保持相同的采样时间Tw 采样时监听到信道忙，节点会继续监听，直到接收到数据或者信道空闲 数据包发送之前都要发送一个唤醒前导序列，该序列的长度和采样周期的长度相等，保证在数据部分到达时节点处于监听状态,WiseMAC协议-关键技术2,前导长度最小化 根据邻居节点的采样时间偏移量，选

10、择最小长度的唤醒前导,图 19 同步前导采样,Sift协议-基本思想1,适用于事件驱动型传感器网络 出发点 空间和时间相关性 并非每个节点都要报告事件 时变性 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,Sift协议-基本思想2,常规窗口竞争协议 在1，CW时间长度窗口内，等概率选择发送时槽 冲突时就倍增时间窗口大小CW，等概率选取发送时间 Sift协议 固定长度的竞争窗口 不等概率选择时槽，在不同时槽采用不同的选择概率,Sift协议-关键技术,假设目前参与竞争的节点数 N，竞争时间窗口1，CW中的时隙。如果第一个时隙没有节点发送数据节点减小竞

11、争节点数假设值，增加在第二个时隙中的传输概率，这一过程中每个时隙中都重复执行。 当信道空闲时，节点根据概率分布在传输之前退避随机长度。 假设每个节点选择时隙r1，CW发送数据的概率为Pr。 Pr的概率分布如下： （r = 1,CW）,分配型MAC协议,基本思想 将一个物理信道分为多个子信道 将子信道静态或动态地分配给需要通信的节点，避免冲突 根据网络通信流量最大限度地节省能量 优点 无冲突 无隐藏终端问题 易于休眠 典型协议 SMACS、TRAMA、DMAC、BMAC,SMACS协议-基本思想1,结合TDMA、FDMA的基本思想 假设每个节点都能在多个载波频点上进行切换 将每个双向信道定义为两

12、个时间段 发现邻居后立即分配信道 每个链路都分配一个随机选择的频点，相邻链路都有不同的工作频点,SMACS协议-关键技术1,链路建立 引入超帧的概念，用固定参数Tframe表示 在上电后先进行邻居发现，每发现一个邻居就有一对节点形成一个双向信道 在两个节点的超帧中为该链路分配一对时隙用于双向通信，这种不同步的时隙分配称为异步分配通信 每对时隙都会选择一个随机的频点，减少邻近链路冲突 的可能,SMACS协议-关键技术2,链路建立 节点A和D分别在Td和Ta时刻开始进行邻居发现 节点B和C分别在Tb和Tc时刻开始进行邻居发现 两个时隙分配不同的频点 fx和fy,图 110 异步分配通信,SMACS

13、协议-关键技术3,邻居发现和信道分配 假设节点B，C，G进行邻居发现。节点在随机的时间段内打开射频部分，在一个固定的频点监听一个随机长度的时间。节点C在监听结束后广播一个邀请消息Type1 节点B和G接收到C发出的Type1消息后，等待一个随机的时间，然后各自广播一个应答消息Type2 C将接收到B和G发来的邀请应答 ，可以选择最早到达的应答者，也可以选择接收信号强度最大的应答者。在选择了应答者后C将立即发送一个Type3 给最早到达的B ，Type3消息中携带分配信息，该信息包含节点C的下一个超帧的起始时间 节点B根据Type3得到一个时间偏移，并找出两个共同的空闲时间段做为时隙对，分配给B

14、和C之间的链路。,SMACS协议-关键技术4,邻居发现和信道分配 节点B选择一个随机的频点，将时隙对在超帧中的位置信息以及选择的频点通过Type4发送给节点C。这些信息成功交换之后，B和C之间就完成了时隙分配和频率选择，可以切换到对应的时隙和频率进行通信。,图 111 邻居发现,TRAMA协议-基本思想,将一个物理信道分成多个时隙，通过对这些时隙的复用为数据和控制信息提供信道 每个时间帧分为随机接入和分配接入两部分，随机接入时隙也称为信令时隙，分配接入时隙也称为传输时隙 节点交换两跳内邻居信息和分配信息 采用流量自适应的分布式选举算法选择在每个时隙上的发送节点和接收节点,图 112 时隙分配,

15、TRAMA协议-关键技术1,NP协议 节点启动后处于随机接入时隙，此时节点为接收状态 通过在随机接入时隙中交换控制信息，NP协议实现邻居信息的交互。控制信息中携带了增加的邻居的更新，如果没有更新，控制信息作为通知邻居自己存在的信标 节点之间的时钟同步信息也是在随机接入时隙中发送 每个节点发送关于自己下一跳邻居的增加更新，可以用来保持邻居之间的连通性。如果节点在一段时间内都没有再收到某个邻居的信标，则该邻居失效。,TRAMA协议-关键技术2,调度交换协议 建立和维护发送者和接收者选择时需要的调度信息 ，包括调度信息生成和调度信息交换与维护 根据高层应用产生数据的速率计算出一个调度间隔，确定可分配

16、的时隙数，生成调度信息 节点通过调度分组广播广播调度信息 节点根据接收到的广播维护下一跳邻居的分配信息 AEA算法 确定节点当前时隙应处于发送、接收还是睡眠状态,DMAC协议-基本思想,适合于节点采集数据后，向一个sink节点汇聚的单向树状模式 采用预先分配的方法来避免睡眠延迟 引入了一种交错的监听睡眠调度机制，保证数据在多跳路径上的连续传输,DMAC协议-关键技术1,交错唤醒机制 假设网络中的节点保持静止，且每个路由节点有足够的存活时间，可以在较长时间内保持网络路径不发生变化 假设数据由传感器节点向唯一的sink单向传输 假设各个节点之间保持时钟同步,DMAC协议-关键技术2,交错唤醒机制

17、在一个多跳传输路径上，各个节点交错唤醒，如同链锁一样环环相扣，保证数据在树状结构上能持续传输，不被睡眠所中断 每个间隔分为接收、发送和睡眠三个周期。,图 113 DMAC协议基本机制,DMAC协议-关键技术4,自适应占空比机制 如果节点在一个发送周期内有多个数据包要发送，就需要该节点和树状路径上的上层节点一起加大发送周期占空比 通过在MAC层数据帧的帧头加入一个标记(more data flag)，以较小的控制开销发送占空比更新请求。在ACK帧中加入同样的标记位,DMAC协议-关键技术5,数据预测机制 在数据采集树中，越靠近上层的节点，汇聚的数据越多，对树的底层节点适合的占空比不一定适合中间节

18、点 如果一个节点在接收状态下接收到一个数据包，该节点预测子节点仍有数据等待发送。在发送周期结束后再等待3u个周期，节点重新切换到接收状态,DMAC协议-关键技术6,MTS帧机制 必要性：虽然自适应占空比机制和数据预测机制考虑了冲突避免，数据采集树中不同分枝节点仍有冲突的可能 MTS帧只包含目的地址和MTS标志位。标志位为1时称为MTS请求，标志位为0时称为MTS清除 发送或接收到MTS请求的节点每隔3u个周期就唤醒一次，只有MTS请求已经被清除时，节点才回到原来的占空比方式,ZMAC协议-基本思想,采用CSMA机制作为基本方法 竞争加剧时使用TDMA机制 引入时间帧，为节点分配时隙 节点可以选

19、择任何时隙发送数据 在分配的时隙发送优先级更高,ZMAC协议-关键技术1,邻居发现 周期性发送PING消息 包含本地发现的所有一跳范围内的邻居 时隙分配 DRAND算法,ZMAC协议-关键技术2,本地时间帧交换 节点维持一个本地的时间帧长度 帧长度与两跳范围内的节点数相对应 实现时隙的同步需要运行时钟同步算法,ZMAC协议-关键技术3,传输控制 低冲突级别(LCL)和高冲突级别(HCL)两种工作模式 时隙拥有者，短时间监听，优先发送 非时隙拥有者LCL模式，退避较长时间再监听 非时隙拥有者HCL模式，等待下个时隙,ZMAC协议-关键技术4,局部同步 完全失去时钟同步时，退化为CSMA协议 维护

20、临近的发送节点之间的时间同步 周期性的发送时间同步包 根据时间同步包修正时间偏差,MAC层的跨层设计,基本思想 为了提高能量效率，能量管理机制、低功耗设计等在各层设计中都有所体现 传统方法中各层的设计相互独立，因此各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优 实现逻辑上并不相邻的协议层次间的设计互动与性能平衡 典型协议 MINA,MINA网络架构1,节点分成三种类型 大量静止的低容量(内存、CPU、能量)传感器节点 少量手持移动节点(PDA) 静止的大容量基站节点 每个传感器节点都带有一个半双工或全双工的射频收发器，节点之间都能进行双向通信 每个节点都有一个唯一的网络地址 一个传感器节点的簇定义

21、为在该节点广播传输范围内的节点的集合 基站是无线传感器网络的数据汇聚节点，可以将数据发送到有线网络中去，基站节点必须具有超长的传输距离，通过一个广播可将数据发送给网络中的所有节点,MINA网络架构2,图 114 MINA架构组网示例,MINA网络架构3,流量类型主要为传感器节点到基站的上行链路 网络帧类型有三种 控制帧 信标帧 数据帧 分层架构 距离基站跳数相同的节点组成一层 每个节点的邻居也可以分为三类：内部邻居、同等邻居、外部邻居。距离基站跳数比本地更小的邻居为内部邻居，跳数相同的邻居为同等邻居，跳数更大的邻居为外部邻居,UNPF协议框架1,网络主要工作在两个交替的状态 网络自组织状态，在

22、此期间节点发现邻居 数据传输状态，在此期间节点进行数据的发送或接收，需要路由协议来确定目的地址，MAC协议来完成信道访问 MAC协议超帧,图 115 MAC协议帧结构,UNPF协议框架2,网络自组织 在每个超帧的起始阶段，基站广播一个控制帧CR (Control Packet)。CR包括传感器节点同步需要的时间信息，以及传感器节点在信标帧BI(Beacon Packet)内传输各自的信标信息的序号 BI紧跟在CR后，每个节点根据CR中的顺序发送BI，帧格式如图 325示。BI包含了节点的能量状态、距离基站的跳数、节点的接收信道信息 在信标帧后紧跟着就是数据传输帧。每个数据帧包括个时隙，由MAC

23、协议来负责分配 基站启动后第一个超帧期间进行第一轮BI信息交互时，基站获得了第一层节点的信息。第二个超帧期间重复上述步骤，第一层节点发送带有跳数信息为1的BI信息。第二层的节点接收到该信息并将自己的跳数设置为2，第二层节点就形成了。超帧周期性的重复，假设网络最大跳数为N，第N个超帧完毕后，整个网络的自组织过程就完成了,UNPF协议框架3,MAC协议DTROC 假设网络总共有L层，节点i位于l层，且lL Si表示第l+1层中将节点i选择为下一跳地址的节点的集合 分配一个信道Ci给节点i的接收机，同时Si中每个节点都将发射机调整到这个信道 主要解决两个问题：在Si中共享信道Ci；分配信道时避免相互

24、干扰,内容提要,概述 背景知识 协议设计的重点 各种MAC协议 结论和开放性的问题 我的想法和问题,结论和开放性的问题,图 116 各种MAC协议比较,下图是各种MAC协议的比较：Time Synchronization Needed column indicates whether the protocol assumes that the time synchronization is achieved externally. Adaptivity to Changes means ability to handle topology changes,结论和开放性的问题,尽管在前面我们看到了各种不同的MAC层的协议，但是没有一种协议被接受作为标准，一个重要的原因是，MAC协议的选择依赖于应用的环境，这就意味着MAC不会存在一个通用的标准。而另一个重要的原因就是在传感器硬件和底层的设计上缺少标准化组织。,内容提要,概述 背景知识 协议设计的重点 各种MAC协议 结论和开放性的问题 我的想法和问题,我的想法和问题,能否再给我些时间去想这些问题，这样我才能做得更好,谢谢！,