[信息与通信]MAC层协议.ppt

MAC层协议 张莹 概述 在无线传感器网络中，介质访问控制（medium access control，MAC）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。 MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。 传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。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。 概述 在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面： （1）节省能量。 （2）可扩展性。 由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。 （3）网络效率。 网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。 (4)算法复杂度。 MAC协议要具备上述特点，众多节点协同完成应用任务，必然增加算法的复杂度。由于无线传感器网络的节点计算能力和存储能力受限，MAC协议应该根据应用需要，在复杂度和上述性能之间取得折中。 (5)与其他层协议的协同。 无线传感器网络应用的特殊性对各层协议都提出了一些共同的要求，如能量效率、可扩展性、网络效率等，研究MAC协议与其他层协议的协同问题，通过跨层设计而获得系统整体的性能优化 MAC协议设计面临的问题： ①空闲监听： 因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损耗； ②冲突（碰撞）： 如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败，发送包被丢弃。此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉 ③控制开销： 为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS，虽然没有数据在其中，但是我们必须消耗一定的能量来发送它们； ④串扰（串音）： 出于无线信道为共享介质，因此，节点也可以接收到不是到达自己的数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费。 按照信道分配方式，MAC协议可以分为： 基于竞争的MAC协议 基于TDMA机制的MAC协议 其他类型的MAC协议 概述 IEEE802.11MAC协议有分布式协调DCF和点协调PCF两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11协议的基本访问控制方式。 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，实现无线信道的共享。另外，所有定向通信都采用立即的主动确认（ACK帧）机制，如果没有收到ACK帧，则发送方会重传数据。 PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的控制方式。它通过访问接入点（access point，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 。 DCF模式下，没有进行集中控制的访问接入点，节点独立运行协议，采用CSMA/CA机制实现无线信道的共享。CSMA/CA中有两个关键点: 如何通过载波侦听确定无线信道的状态; 另一个是侦听到信道空闲后，为了减少碰撞，采用什么样的无线信道访问机制。 解决第一个问题:如何通过载波侦听确定无线信道的状态 IEEE802.11MAC中的载波侦听有物理载波侦听和虚拟载波侦听两种侦听方式，前者由物理层提供，后者由MAC层提供，我们研究的是MAC协议，所以只讨论虚拟载波侦听。IEEE802.HMAC协议中的帧分为四种: RTS(RequestTosend，请求帧)、 CTS(ClearTosend，清除帧)、 ACK(Acknowledge，确认帧) DATA(数据帧)， 虚拟载波侦听是通过RTS/CTS帧来实现的。RTS/CTS帧中都 有一个字段表示本次数据交换还需要多长时间才能完成，这个字段叫做NAV (NetworkAllocationVector，网络分配矢量，)。 解决第二个问题:侦听到信道空闲后，为了减少碰撞，采用什么样的无线信道访问机制。 三种帧间间隔分别为： （1）SIFS（shortIFS）：最短帧间间隔。使用 SIFS的帧优先级最高，用于需要立即响应的服务，如ACK帧、CTS帧和控制帧等。 （2）PIFS（PCFIFS）：PCF方式下节点使用的帧间间隔，用以获得在无竞争访问周期启动时访问信道的优先权。 （3）DIFS（DCFIFS）：DCF方式下节点使用的帧间间隔，用以发送数据帧和管理帧