第14章-物联网通信技术(曾宪武)LXX2014.7.ppt

第14章　WSN的MAC协议 14.1 基于竞争的MAC协议14.1.1 IEEE802.11 MAC协议　　IEEE802.11 MAC协议包括分布式协调（DCF）和点协调(Point Coordination Function, PCF)两种访问控制方式， 其中DCF是IEEE802.11协议的基本访问控制方式。 由于在无线信道中难以检测到信号的碰撞， 因而只能采用随机退避的方式来减少数据碰撞的概率。 　　在DCF工作方式下， 节点在侦听到无线信道忙之后， 采用CSMA/CA机制和随机退避时间技术， 以实现无线信道的共享。 另外， 所有定向通信都采用立即主动发送ACK确认帧的机制， 如果没有收到ACK帧， 则发送方会重新发送数据分组。 　　　　PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问， 是可选的控制方式。 它通过访问接入点(AP)协调节点的数据收发， 通过轮询方式查询当前哪些节点有数据发送的请求， 并在必要时给予数据发送权。 　　在DCF工作方式下， 载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。 物理载波侦听由物理层提供， 而虚拟载波侦听由MAC层提供。 如图14.1.1所示， 节点A欲向节点B发送数据， 节点C在A的无线通信范围内， 节点D在B的无线通信范围内， 但不在A的无线通信范围内。 图14.1.1 CSMA/CA虚拟载波侦听示意图 　　节点A首先向B发送一个请求帧(Request-to-Send， RTS)， 节点B返回一个清除帧(Clear-to-Send， CTS)给予应答。 在这两个帧中都有一个字段表示这次数据交换需要的时间长度， 称为网络分配矢量(Network Allocation Vector， NAV)， 其他帧的MAC头也会携带这一信息。 节点C和D在侦听到这个信息后， 就不再发送任何数据， 直到这次数交换完成为止。 NAV可看做一个计数器， 以均匀速率递减计数到零。 当计数器为零时， 虚拟载波侦听指示信道为空闲状态， 否则， 指示信道为忙状态。 　　IEEE802.11 MAC协议规定了三种基本帧间间隔(Inter-frame Spacing, IFS)， 用来提供访问无线信道的优先级。 三种帧间的间隔分别如下： 　　SIFS(Short IFS)： 最短帧间间隔。 使用SIFS的帧的优先级最高， 用于需要立即响应的服务， 如ACK帧、 CTS帧和控制帧等。 　　PIFS(PCF IFS)： PCF方式下节点使用的帧间间隔， 用于获得在无竞争访问周期启动时访问信道的优先权。 　　DIFS(DCF IFS)： DCF方式下节点使用的帧间间隔， 用于发送数据帧和管理帧。 　　上述各帧间间隔满足关系： DIFSPIFSSIFS。 　　根据CSMA/CA协议， 当一个节点要传输一个数据分组时， 它首先侦听信道状态。 如果信道空闲， 而且经过一个帧间间隔时间DIFS后信道仍然空闲， 则节点立即开始发送数据分组。 　　如果信道忙， 则节点一直侦听信道直到信道的空闲时间超过DIFS。 当信道最终空闲时， 节点进一步使用二进制退避算法(Binary Back-off Algorithm)， 进入退避状态来避免发生碰撞， 如图14.1.2所示。 随机退避时间按下列公式计算： 　　　退避时间=Random（）×aSlottime　　　　　(14.1.1)式中， Random()是在竞争窗口［0, CW］内均匀分布的伪随机整数； CW是整数随机数， 其值处于标准规定的aCWmin和aCWmax之间； aSlottime是一个时隙时间， 包括发射启动时间、 媒体传播时延、 检测信道的响应时间等。 图14.1.2 CSMA/CA访问机制时序图 　　节点在进入退避状态时， 启动一个退避计时器， 当计时达到退避时间后结束退避状态。 在退避状态下， 只有当检测到信道空闲时才进行计时。 如果信道忙， 则退避计时器中止计时， 直到检测到信道空闲时间大于DIFS后才继续计时。 当多个节点推迟且进入随机退避时， 利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者， 如图14.1.3所示。 图14.1.3 IEEE802.11 MAC协议的退避机制 　　IEEE802.11 MAC协议中通过主动确认机制和预留机制来提高性能， 如图14.1.4所示。 在主动确认机制中， 当目标节点收到一个发给它的有效数据帧时， 必须向源节点发送一个应答帧(ACK)， 确认数据已被正确接收。 为了保证目标节点在发送ACK过程中不与其他节点发生冲突， 目标节点使用SIFS帧作为间隔。 主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧， 不能用于组播报文和广