无线传感器网络简明教程-第三章 传感器网络的通信与组网技术.ppt

所谓的CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。 在IEEE 802.11 MAC协议基础上，人们设计出适用于传感器网络的多种MAC协议。 下面首先介绍IEEE 802.1l MAC协议的内容，然后介绍一种适用于无线传感器网络的典型MAC协议。 3.2.2 IEEE 802.11 MAC协议 IEEE 802.11 MAC协议分为分布式协调功能(Distributed Coordination Function, DCF)和点协调功能(Point Coordination Function，PCF)两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE 802.11协议的基本访问控制方式。 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，虚拟载波侦听由MAC层提供。 IEEE 802.11 MAC协议规定了三种基本帧间间隔(InterFrame Space，IFS)，用来提供访问无线信道的优先级： （1）SIFS (short IFS)：最短帧间间隔。 （2）PIFS (PCF IFS)：PCF方式下节点使用的帧间间隔。 （3）DIFS (DCF IFS)：DCF方式下节点使用的帧间问隔。 根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，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，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。 随机退避时间按下面公式进行计算： 退避时间=Random()×aSlottime 其中，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，它的数值位于标准规定的aCWmin和aCWmax之间；aSlottime是一个时槽时间，包括发射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。 网络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，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。 802.11 MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制业提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据帧(DATA)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到。为了保证目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIFS帧间隔。主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播和广播报文传输。 3.2.3 典型MAC协议：S-MAC协议 这里介绍一种适用于无线传感器网络的比较典型的MAC协议，即S-MAC协议(Sensor MAC)。这种协议是在802.1l MAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的。 S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗。 通常无线传感器网络的无效能耗主要来源于如下四种原因： ① 空闲监听 ② 数据冲突 ③ 串扰 ④ 控制开销 （1）周期性侦听和睡眠机制 S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。监听/睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省能量。当然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。 具有相同调度的节点形成一个所谓的虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。如果传感器网络的部署范围较广，可能形成众多不同的虚拟簇，使得S-MAC协议具有良好的可扩展性。 为了适应新加入节点，每个节点要定期广播自己的调度信息，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。如果节点同时收到两种不同的调度，如图所示的处于两个不同调度区域重合部分的节点，那么这个节点可以选择先收到的调度，并记录另一个调度信息。 （2）流量自适应侦听机制 流量自