第3章MAC协议祥解.ppt

内容提要 概述 竞争型MAC协议 分配型MAC协议 混合型MAC协议 MAC的跨层设计 主要参考文献 无线传感器网络MAC协议 在无线传感器网络中，介质访问控制(Medium Access Control)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。 传感器网络的强大功能由众多节点协作实现。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。 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！ WSN MAC协议的考虑因素 能量效率 可扩展性 网络效率 ——公平性、实时性、网络吞吐量、带宽利用率 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！ MAC层的能量浪费因素以及节能策略 能量浪费因素： 空闲侦听（忙闲） 碰撞重传（随机竞争） 控制消息（太多） 串扰(overhearing) WSN MAC协议分类 分配信道的方式 竞争型 分配型 混合型 使用的信道数目 单信道 多信道 控制方式 集中式 分布式 竞争型MAC协议 基本思想 发送时主动抢占，CSMA方式 按需使用信道 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 竞争型MAC协议 典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问 (carrier sense multiple access, CSMA) 无线局域网将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能。 IEEE802.11 MAC协议的分布式协调(distributed coordination function, DCF)工作模式采用CSMA/CA 协议，还增加使用确认机制。 研究者在 802.11 的 MAC协议基础上提出了多个用于传感器网络的基于竞争的MAC协议。 802.11 的 MAC 层 DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。 802.11 MAC协议 DCF工作方式的主要机制 CSMA/CA 随机退避时间 主动确认机制（ACK帧） 预留机制（RTS/CTS帧的NAV向量） 2. 对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 2. 对信道进行预约 802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 虚拟载波监听 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间）通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。 这样就大大减少了碰撞的机会。 “虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。 这种效果好像是其他站都监听了信道。 所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认帧所需的时间。 网络分配向量 当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。 NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入到空闲状态。 争用窗口 信道从忙态变为空闲时，任何一个站要发送数据帧时，不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔，而且还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。 在信道从忙态转为空闲时，各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。 802.11 使用二进制指数退避算法。 802.11 MAC协议总结 DCF模式采用CSMA/CA方式-随机退避时间 通过RTS/CTS解决隐终端和进行预留 通过预留机制和主动确认机制来提高性能 不适应WSN： 假设网络流量的产生是完全随机的；节点是公平的；而在WSN中一般认为网络流量具有很大的相关性，网络流量的相关性使得多个相邻的节点竞争使用信道； 侦听载波所消耗的能量为接收信号所耗能量的50%-100%。 SMAC协议-基本思想 在802.11MAC协议基础上针对WSN设计； 假设条件: 传感器网络的数据传输量少； 节点协作完成共同的任务； 网内处理减少数据通信量； 网络能够容忍一定程度的通信延迟。 它的主要设计