1、物聯網技術概論講座人：李熠講座人：李熠 （湘潭大學信息工程學院（湘潭大學信息工程學院) 第五講 無線傳感網絡MAC協議Slide 2物聯網技術概論內容提綱概述 競爭型MAC協議SMAC協議 TMAC協議BMAC協議WISEMAC協議分配型MAC協議混合型MAC協議MAC的跨層設計 Slide 3物聯網技術概論 1 概述Slide 4物聯網技術概論 無線頻譜是無線通信的介質，這種廣播介質屬于稀缺資源。無線頻譜是無線通信的介質，這種廣播介質屬于稀缺資源。在無線傳感器網絡中，可能有多個節點設備同時接入信道，在無線傳感器網絡中，可能有多個節點設備同時接入信道，導致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接

2、收到的數據，導致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數據，從而浪費了信道資源，導致網絡吞吐量下降。為了解決這些從而浪費了信道資源，導致網絡吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設計介質訪問控制問題，就需要設計介質訪問控制(Medium Access Control，MAC)協議。所謂協議。所謂MAC協議就是通過一組規則和過程來有效、協議就是通過一組規則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質。有序和公平地使用共享介質。Slide 5物聯網技術概論(1) (1) 采用分布式控制還是集中控制；采用分布式控制還是集中控制；(2) (2) 使用單一共享信道還是多個信道；使用單一共享信道還是多個信道

3、；(3) (3) 采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。目前無線傳感器網絡目前無線傳感器網絡MACMAC協議可以按照下列條件進行分類：協議可以按照下列條件進行分類：Slide 6物聯網技術概論本書根據上述的第三種分類方法，將傳感器網絡的本書根據上述的第三種分類方法，將傳感器網絡的MACMAC協議分為以下三種：協議分為以下三種： (1) (1) 時分復用無競爭接入方式時分復用無競爭接入方式( (分配型）分配型）。無線信道時分復。無線信道時分復用用(Time Division Multiple Access(Time Division Multiple

4、 Access，TDMA)TDMA)方式給每個傳感器方式給每個傳感器節點分配固定的無線信道使用時段，避免節點之間相互干擾。節點分配固定的無線信道使用時段，避免節點之間相互干擾。Slide 7物聯網技術概論 (2) (2) 隨機競爭接入方式（競爭型）隨機競爭接入方式（競爭型）。如果采用無線。如果采用無線信道的隨機競爭接入方式，節點在需要發送數據時隨機信道的隨機競爭接入方式，節點在需要發送數據時隨機使用無線信道，盡量減少節點間的干擾。典型的方法是使用無線信道，盡量減少節點間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問采用載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple (Carrier

5、Sense Multiple AccessAccess，CSMA)CSMA)的的MACMAC協議。協議。Slide 8物聯網技術概論 (3) (3) 競爭與固定分配相結合的接入方式（混合型）競爭與固定分配相結合的接入方式（混合型）。通過混合采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現節點通過混合采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現節點間無沖突的無線信道分配。間無沖突的無線信道分配。Slide 9物聯網技術概論無線傳感器網絡MAC協議 網絡特征 傳感器節點能量受限 傳感器節點失效概率大 傳感器節點計算處理能力有限 通信帶寬有限 以數據為中心 高密度、大規模隨機分布 對MAC協議的設計提出了新的挑戰！Sl

6、ide 10物聯網技術概論 基于競爭的隨機訪問基于競爭的隨機訪問MACMAC協議采用按需使用信道的方式，它的基協議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是當節點需要發送數據時，通過競爭方式使用無線信道，如本思想是當節點需要發送數據時，通過競爭方式使用無線信道，如果發送的數據產生了碰撞，就按照某種策略重發數據，直到數據發果發送的數據產生了碰撞，就按照某種策略重發數據，直到數據發送成功或放棄發送。送成功或放棄發送。 典型的基于競爭的隨機訪問典型的基于競爭的隨機訪問MACMAC協議是載波偵聽多路訪問協議是載波偵聽多路訪問(CSMA)(CSMA)接入方式。在無線局域網接入方式。在無線局域網IEEE 80

7、2.11 MACIEEE 802.11 MAC協議的分布式協調工作協議的分布式協調工作模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA with (CSMA with Collision AvoidanceCollision Avoidance，CSMA/CA)CSMA/CA)協議，它是基于競爭的無線網絡協議，它是基于競爭的無線網絡MACMAC協議的典型代表。協議的典型代表。Slide 11物聯網技術概論CSMA幾種模式 1-堅持CSMA(1-persistent CSMA):當信道忙或發生沖突時,要發送幀的站,不斷持續偵聽,一有空閑,便可發送

8、. 其中,長的傳播延遲和同時發送幀,會導致多次沖突,降低系統性能. 非堅持CSMA: 它并不持續偵聽信道,而是在沖突時,等待隨機的一段時間.它有更好的信道利用率,但導致更長延遲. p-堅持CSMA:它應用于分槽信道,按照P概率發送幀.即信道空閑時,這個時槽,欲發送的站P概率發送,Q=1-P概率不發送.若不發送,下一時槽仍空閑,同理進行發送.若信道忙,則等待下一時槽,若沖突,則等待隨機的一段時間,重新開始. Slide 12物聯網技術概論 所謂的所謂的CSMA/CACSMA/CA機制機制是指在信號傳輸之前，發射機先偵聽介質是指在信號傳輸之前，發射機先偵聽介質中是否有同信道載波，若不存在，意味著信

9、道空閑，將直接進入數中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數據傳輸狀態；若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。據傳輸狀態；若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。這種介質訪問控制層的方案簡化了實現自組織網絡應用的過程。這種介質訪問控制層的方案簡化了實現自組織網絡應用的過程。 在在IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協議基礎上，人們設計出適用于傳感器網協議基礎上，人們設計出適用于傳感器網絡的多種絡的多種MACMAC協議。協議。 下面首先介紹下面首先介紹IEEE 802.1l MACIEEE 802.1l MAC協議的內容，然后介紹一種適

10、協議的內容，然后介紹一種適用于無線傳感器網絡的典型用于無線傳感器網絡的典型MACMAC協議。協議。Slide 13物聯網技術概論 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協議分為分布式協調功能協議分為分布式協調功能(Distributed Coordination Function, DCF)(Distributed Coordination Function, DCF)和點協和點協調功能調功能(Point Coordination Function(Point Coordination Function，PCF)PCF)兩種訪兩種訪問控制方式，其中問控制方式，其中DCF

11、DCF方式是方式是IEEE 802.11IEEE 802.11協議的基本協議的基本訪問控制方式。訪問控制方式。IEEE 802.11 MAC協議協議Slide 14物聯網技術概論 在在DCFDCF工作方式工作方式下，載波偵聽機制下，載波偵聽機制通過通過物理載波偵聽物理載波偵聽和和虛擬載波偵聽虛擬載波偵聽來來確定無線信道的狀確定無線信道的狀態。物理載波偵聽態。物理載波偵聽由物理層提供，虛由物理層提供，虛擬載波偵聽由擬載波偵聽由MACMAC層層提供。提供。ABCDRTS數 據CTSA CKN A VN A VSlide 15物聯網技術概論 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 M

12、AC協議規定了三種基本幀間間隔協議規定了三種基本幀間間隔(InterFrame (InterFrame SpaceSpace，IFS)IFS)，用來提供訪問無線信道的優先級：，用來提供訪問無線信道的優先級： （1 1）SIFS SIFS (short IFS)(short IFS)：最短幀間間隔。：最短幀間間隔。 （2 2）PIFSPIFS (PCF IFS) (PCF IFS)：PCFPCF方式下節點使用的幀間間隔。方式下節點使用的幀間間隔。 （3 3）DIFS DIFS (DCF IFS)(DCF IFS)：DCFDCF方式下節點使用的幀間問隔。方式下節點使用的幀間問隔。Slide 16物

13、聯網技術概論 根據根據CSMA/CACSMA/CA協議，當節點要傳輸一個分組時，它首先偵聽信道狀協議，當節點要傳輸一個分組時，它首先偵聽信道狀態。如果信道空閑，而且經過一個幀間間隔時間態。如果信道空閑，而且經過一個幀間間隔時間DIFSDIFS后，信道仍然空后，信道仍然空閑，則站點立即開始發送信息。如果信道忙，則站點始終偵聽信道，閑，則站點立即開始發送信息。如果信道忙，則站點始終偵聽信道，直到信道的空閑時間超過直到信道的空閑時間超過DIFSDIFS。當信道最終空閑下來的時候，節點進。當信道最終空閑下來的時候，節點進一步使用二進制退避算法，進入退避狀態來避免發生碰撞。一步使用二進制退避算法，進入退

14、避狀態來避免發生碰撞。當信道空閑時間大于DIF時 使用信道DIFSPIFSSIFS信道忙競爭窗口退避窗口下一幀時間槽時間DIFS推遲發送Slide 17物聯網技術概論 隨機退避時間按下面公式進行計算：隨機退避時間按下面公式進行計算： 退避時間退避時間=Random()=Random()aSlottimeaSlottime 其中，其中，Random()Random()是在競爭窗口是在競爭窗口00，CWCW內均勻分布的偽內均勻分布的偽隨機整數；隨機整數；CWCW是整數隨機數，它的數值位于標準規定的是整數隨機數，它的數值位于標準規定的aCWminaCWmin和和aCWmaxaCWmax之間；之間；a

15、SlottimeaSlottime是一個時槽時間，包括發是一個時槽時間，包括發射啟動時間、介質傳播時延、檢測信道的響應時間等。射啟動時間、介質傳播時延、檢測信道的響應時間等。Slide 18物聯網技術概論 網絡節點在進入退避狀態網絡節點在進入退避狀態時，啟動一個退避計時器，時，啟動一個退避計時器，當計時達到退避時間后結束當計時達到退避時間后結束退避狀態。在退避狀態下，退避狀態。在退避狀態下，只有當檢測到信道空閑時才只有當檢測到信道空閑時才進行計時。如果信道忙，退進行計時。如果信道忙，退避計時器中止計時，直到檢避計時器中止計時，直到檢測到信道空閑時間大于測到信道空閑時間大于DIFSDIFS后才繼

16、續計時。當多個節點后才繼續計時。當多個節點推遲且進入隨機退避時，利推遲且進入隨機退避時，利用隨機函數選擇最小退避時用隨機函數選擇最小退避時間的節點作為競爭優勝者。間的節點作為競爭優勝者。節點A節點B節點C節點D推遲推遲推遲競爭窗口幀幀節點EDIFS推遲競爭窗口幀競爭窗口幀幀競爭窗口退避時間剩余退避時間Slide 19物聯網技術概論 802.11 MAC 802.11 MAC協議通過協議通過立即主動確認機制立即主動確認機制和和預留機制業預留機制業提高性能。在主動提高性能。在主動確認機制中，當目標節點收到一個發送給它的有效數據幀確認機制中，當目標節點收到一個發送給它的有效數據幀(DATA)(DAT

17、A)時，必須向時，必須向源節點發送一個應答幀源節點發送一個應答幀(ACK)(ACK)，確認數據已被正確接收到。為了保證目標節，確認數據已被正確接收到。為了保證目標節點在發送點在發送ACKACK過程中不與其它節點發生沖突，目標節點使用過程中不與其它節點發生沖突，目標節點使用SIFSSIFS幀間隔。主幀間隔。主動確認機制只能用于有明確目標地址的幀，不能用于組播和廣播報文傳輸。動確認機制只能用于有明確目標地址的幀，不能用于組播和廣播報文傳輸。RTSDATACTSACK競 爭 窗 口下 一 幀DIFSDIFS源 站 點SIFS目 的 站 點NAV(RTS)NAV(CTS)其 他 站 點Slide 20

18、物聯網技術概論 S-MACSlide 21物聯網技術概論典型典型MACMAC協議：協議：S-MACS-MAC協議協議 這里介紹一種適用于無線傳感器網絡的比較典型的這里介紹一種適用于無線傳感器網絡的比較典型的MACMAC協議，即協議，即S-S-MACMAC協議協議(Sensor MAC)(Sensor MAC)。這種協議是在。這種協議是在802.1l MAC802.1l MAC協議的基礎上，針對協議的基礎上，針對傳感器網絡的節省能量需求而提出的。傳感器網絡的節省能量需求而提出的。 S-MACS-MAC協議的適用條件是傳感器網絡的數據傳輸量不大，網絡內部協議的適用條件是傳感器網絡的數據傳輸量不大，

19、網絡內部能夠進行數據的處理和融合以減少數據通信量，網絡能容忍一定程度能夠進行數據的處理和融合以減少數據通信量，網絡能容忍一定程度的通信延遲。它的設計目標是提供良好的擴展性，減少節點能耗。的通信延遲。它的設計目標是提供良好的擴展性，減少節點能耗。Slide 22物聯網技術概論SMAC協議-前提條件和基本思想前提條件數據量少，可進行數據的處理和融合節點協作完成共同的任務網絡可以容忍一定程度的通信延遲基本思想周期性睡眠和監聽 ；協商一致的睡眠調度機制（虛擬簇）自適應的偵聽機制，減少信息的傳輸延遲帶內信令來減少重傳和避免監聽不必要的數據消息分割和突發傳遞機制來減少控制信息的開銷和消息的傳遞延遲Slid

20、e 23物聯網技術概論（1 1）周期性偵聽和睡眠機制）周期性偵聽和睡眠機制 S-MAC S-MAC協議將時間分為幀，幀長度由應用程序決定。幀內分監聽協議將時間分為幀，幀長度由應用程序決定。幀內分監聽工作階段和睡眠階段。監聽工作階段和睡眠階段。監聽/ /睡眠階段的持續時間要根據應用情況進睡眠階段的持續時間要根據應用情況進行調整。當節點處于睡眠階段時，關閉無線電波，以節省能量。當行調整。當節點處于睡眠階段時，關閉無線電波，以節省能量。當然節點需要緩存這期間收到的數據，以便工作階段集中發送。然節點需要緩存這期間收到的數據，以便工作階段集中發送。Slide 24物聯網技術概論 具有相同調度的節點形成一

21、個所謂具有相同調度的節點形成一個所謂的虛擬簇，邊界節點記錄兩個或多個調的虛擬簇，邊界節點記錄兩個或多個調度。如果傳感器網絡的部署范圍較廣，度。如果傳感器網絡的部署范圍較廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得可能形成眾多不同的虛擬簇，使得S-S-MACMAC協議具有良好的可擴展性。協議具有良好的可擴展性。 為了適應新加入節點，每個節點要為了適應新加入節點，每個節點要定期廣播自己的調度信息，使新節點可定期廣播自己的調度信息，使新節點可以與已經存在的相鄰節點保持同步。如以與已經存在的相鄰節點保持同步。如果節點同時收到兩種不同的調度，如圖果節點同時收到兩種不同的調度，如圖所示的處于兩個不同調度區域重合部分

22、所示的處于兩個不同調度區域重合部分的節點，那么這個節點可以選擇先收到的節點，那么這個節點可以選擇先收到的調度，并記錄另一個調度信息。的調度，并記錄另一個調度信息。Slide 25物聯網技術概論（2 2）流量自適應偵聽機制）流量自適應偵聽機制 流量自適應偵聽機制的基本思想是在一次通信過程中，通信流量自適應偵聽機制的基本思想是在一次通信過程中，通信節點的鄰居在通信結束后不立即進入睡眠狀態，而是保持偵聽一節點的鄰居在通信結束后不立即進入睡眠狀態，而是保持偵聽一段時間。段時間。 如果節點在這段時間內接收到如果節點在這段時間內接收到RTSRTS分組，則可以立刻接收數據，分組，則可以立刻接收數據，無須等到

23、下一次調度偵聽周期，從而減少了數據分組的傳輸延遲。無須等到下一次調度偵聽周期，從而減少了數據分組的傳輸延遲。如果在這段時間內沒有接收到如果在這段時間內沒有接收到RTSRTS分組，則轉入睡眠狀態直到下一分組，則轉入睡眠狀態直到下一次調度偵聽周期。次調度偵聽周期。Slide 26物聯網技術概論（3 3）沖突和串音避免機制）沖突和串音避免機制 為了減少沖突和避免串音，為了減少沖突和避免串音，S-MACS-MAC協議采用了與協議采用了與802.11 MAC802.11 MAC協協議類似的虛擬和物理載波監聽機制，以及議類似的虛擬和物理載波監聽機制，以及RTS/CTSRTS/CTS握手交互機制。握手交互機

24、制。兩者的區別在于當鄰居節點處于通信過程時，執行兩者的區別在于當鄰居節點處于通信過程時，執行S-MACS-MAC協議的節協議的節點進入睡眠狀態。點進入睡眠狀態。Slide 27物聯網技術概論（4 4）消息傳遞機制）消息傳遞機制 S-MAC S-MAC協議采用了消息傳遞機制，可以很好地支持長消息的發協議采用了消息傳遞機制，可以很好地支持長消息的發送。由于無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比，短消息傳輸成功送。由于無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長消息。的概率要大于長消息。 消息傳遞機制根據這一原理，將長消息分為若干個短消息，采消息傳遞機制根據這一原理，將長消息分為若干

25、個短消息，采用一次用一次RTS/CTSRTS/CTS交互的握手機制預約這個長消息發送的時間，集中交互的握手機制預約這個長消息發送的時間，集中連續發送全部短消息。這樣既可以減少控制報文的開銷，又可以提連續發送全部短消息。這樣既可以減少控制報文的開銷，又可以提高消息發送的成功率。高消息發送的成功率。Slide 28物聯網技術概論S-MACS-MAC與與IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協議的突發分組傳送協議的突發分組傳送RTS 21Data 19Data 17CTS 20Data1ACK 18ACK 16 ACK0S-M ACRTS3Data3Data3CTS2Data1

26、ACK2ACK2 ACK0IEEE 802.11Slide 29物聯網技術概論S-MAC 周期性的偵聽/睡眠的低占空比方式 虛擬簇的調度方式 自適應流量的偵聽機制：通信結束繼續偵聽一段時間 串音避免：RTS/CTS/DATA/ACK 不足：延遲受限于幀長度，不適合實時業務周期性的偵聽、睡眠方式虛擬簇的調度方式Slide 30物聯網技術概論 T-MACSlide 31物聯網技術概論TMAC協議-基本思想SMAC協議調度占空比固定，不能很好的適應網絡流量的變化 動態調整調度周期中的活躍時間長度 在TA時間內沒有發生激活事件則進入睡眠 圖 3 4 TMAC基本機制Slide 32物聯網技術概論T-M

27、AC 與S-MAC一樣周期性偵聽同步，周期性廣播SYNC幀 發送RTS未收到CTS再發送一次 TA競爭信道時間+RTS發送時間+CTS準備時間Slide 33物聯網技術概論T-MAC協議-早睡問題 早睡問題：鄰居在準備向其發送數據時進入了睡眠狀態數據流向依次為A-B-C-D(傳輸距離假設1跳）ABCDSlide 34物聯網技術概論早睡問題解決辦法 未來請求發送（Futrue-request-to send)：DSSlide 35物聯網技術概論早睡問題解決辦法早睡問題解決辦法 滿緩沖區優先圖 3 8 接收RTS節點優先Slide 36物聯網技術概論 B-MACSlide 37物聯網技術概論B-M

28、AC 基于競爭的協議，可用于各種CSMA/CA協議 發送方的數據包前都有前導載波，接收方周期性偵聽 前導載波時間周期偵聽間隔時間 將接收端的能量消耗轉移到發送端 適應于延遲要求不高的應用發送端接收端前導載波MAC消息偵聽睡眠Slide 38物聯網技術概論 WISEMACSlide 39物聯網技術概論WiseMAC協議-基本思想u基于CSMA機制，使用前導采樣技術u通過本地同步的廣播獲得最小的前導長度 u隨機的前導長度保證沖突避免 Slide 40物聯網技術概論WiseMAC協議-關鍵技術1u前導采樣 w對信道進行采樣 ，在短時間內對無線信道進行監聽 w所有節點都保持相同的采樣時間Tww采樣時監

29、聽到信道忙，節點會繼續監聽，直到接收到數據或者信道空閑 w數據包發送之前都要發送一個喚醒前導序列，該序列的長度和采樣周期的長度相等，保證在數據部分到達時節點處于監聽狀態 Slide 41物聯網技術概論WiseMAC協議-關鍵技術2u前導長度最小化 w根據鄰居節點的采樣時間偏移量，選擇最小長度的喚醒前導 圖 3 11 同步前導采樣Slide 42物聯網技術概論 分配型MAC協議Slide 43物聯網技術概論分配型MAC協議基本思想將一個物理信道分為多個子信道 將子信道靜態或動態地分配給需要通信的節點，避免沖突 根據網絡通信流量最大限度地節省能量 優點無沖突 無隱藏終端問題易于休眠典型協議SMAC

30、S、TRAMA、DMAC、BMACSlide 44物聯網技術概論SMACS協議-基本思想1u結合TDMA、FDMA的基本思想 u假設每個節點都能在多個載波頻點上進行切換 u將每個雙向信道定義為兩個時間段 u發現鄰居后立即分配信道 u每個鏈路都分配一個隨機選擇的頻點，相鄰鏈路都有不同的工作頻點 Slide 45物聯網技術概論SMACS協議-關鍵技術1鏈路建立 引入超幀的概念，用固定參數Tframe表示 在上電后先進行鄰居發現，每發現一個鄰居就有一對節點形成一個雙向信道 在兩個節點的超幀中為該鏈路分配一對時隙用于雙向通信，這種不同步的時隙分配稱為異步分配通信 每對時隙都會選擇一個隨機的頻點，減少鄰近鏈路沖突 的可能 Slide 46物聯網技術概論SMACS協議-關鍵技術2l鏈路建立l節點A和D分別在Td和Ta時刻開始進行鄰居發現 l節點B和C分別在Tb和T