第4章-2MAC协议剖析.ppt

第4章-2无线传感器网络的MAC协议 WSN MAC协议 数据链路层功能：将物理层提供的可能出错的物理链接改造成逻辑上无差错的链路，同时提供流量控制功能，保证慢接受方不被快发送方淹没。 WSN的MAC协议，解决无线信道合理共享问题，直接影响整个网络性能。 1.1 概述 在WSN中，介质访问控制（medium access control，MAC）协议决定了无线信道的使用方式，在传感器节点间分配有限的通信资源，构建传感器网络的底层基础结构。MAC协议对传感器网络的性能有较大地影响，是保障WSN高效通信的关键协议之一。 由于WSN的能量限制，为了延长网络的寿命，能量有效性成为WSN应用中首要的一个设计指标，导致传统的移动自组织网络MAC协议无法直接应用。 1. WSN的MAC协议设计主要问题 WSN的强大功能，是通过众多资源受限的网络节点协作实现的。由于节点无线通信的广播特征，节点间信息传递在局部范围，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。 WSN的MAC协议设计，需要根据应用的要求考虑以下的网络性能因： （1）能量有效性 （2）可扩展性 （3）冲突避免 （4）信道利用率 （5）延迟 （6）吞吐量 （7）公平性 传统网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性、提高带宽利用率以及增加网络的实时性等因素。 能量有效性是设计WSN的MAC协议首要考虑性能指标；其次是协议的可扩展性和适应网络拓扑变化的能力；而其他的网络性能指标如延迟、信道利用率等，需要根据应用进行折中。 所以传统网络的MAC协议，并不适用于WSN。 2. 能耗因素 导致网络能量浪费的主要原因： （1）不必要的报文传送和接受，包括冲突报文、串听（Overhearing）报文和控制报文。 （2）空闲侦听。 （3）错误的发送（接受者未准备好就发送）。 节点无线通信模块的状态包括发送状态、接收状态、侦听状态和睡眠状态等。单位时间内消耗的能量按照上述顺序依次减少。 为减少能量消耗， MAC协议通常采用“侦听/睡眠”交替的信道使用策略：当有数据收发时，节点就开启无线通信模块进行发送或侦听；如果没有数据需要收发时，节点就控制无线通信模块进入睡眠状态，减少节点空闲侦听造成的能量消耗。 另外，为使节点在无线模块睡眠时不错过发送给它的数据，或减少节点的过渡侦听，邻居节点间需要协调侦听和睡眠的周期，同时睡眠或唤醒。 3. 通信模式 传感器网络是与应用高度相关的。不同的网络结构、不同的应用场景和目的，其业务特征呈现多样性，需要采用不同的通信模式，以更有效地交换业务。基于不同的业务特征，MAC协议对不同通信模式的支持，可以有效减少节点能耗。所以对不同通信模式的支持与否，也是衡量MAC协议能量有效性的重要因素。通信模式可分为四种： （1）广播模式： （2）会聚模式： （3）本地通信： （4）多播模式： 4 . 协议特点 WSN广泛的应用领域使其面临多样和特殊的应用需求和业务特性，从而激发了各种不同的MAC协议设计。这些MAC协议设计从多个层面、多个角度出发，具有不同的特点，同时又存在相互交叉的共同点，很难对其进行完备、系统的分类。除了引入不同休眠机制，WSN的MAC协议设计还具有其他特点，主要可归纳为： 1）采用基于TDMA的接入方式 2）利用分群结构---群首局部集中控制的机制 3）与多跳转发相关的资源分配策略 4）冗余相关数据的隐聚合 1.2 WSN的MAC协议分类 MAC协议主要负责协调网络节点对信道的共享。采用不同的条件MAC协议有不同的分类方法。WSN的MAC协议可以按以下几种不同的方式进行分类： （1）根据控制方式，分为分布式协议和集中式的协议。 在大规模网络中通常采用分布式的协议。 （2）根据使用信道数，可分为单信道、双信道和多信道。 如S-MAC和LEEM分别为单信道和双信道的MAC协议。 使用单信道的MAC协议，虽然节点的结构简单，但无法解决能量有效性和时延的矛盾；而多信道的MAC协议可以解决这个问题，但增加了节点结构的复杂性。 （3）根据信道的复用方式，可分为基于TDMA的时分复用固定式、基于CSMA的随机竞争式和混合式三种。 基于TDMA的固定分配类MAC层协议，通过把时分复用(TDMA)和频分复用(FDMA)或者码分复用（CDMA）的方式相结合，实现无冲突的强制信道分配（如C-TDMA协议）。 以竞争为基础的MAC协议，通过竞争机制，保证节点随机使用信道，并且不受其他节点的干扰（如S-MAC）。 混合式是把基于TDMA的固定分配方式和基于CSMA的竞争方式相结合，以适应网络拓扑、节点业务流量的变化等（如Z-MAC）。 （4）根据