2019年物联网讲座.ppt

内容提纲 概述 竞争型MAC协议 SMAC协议 TMAC协议 BMAC协议 WISEMAC协议 分配型MAC协议 混合型MAC协议 MAC的跨层设计 1 概述 无线频谱是无线通信的介质，这种广播介质属于稀缺资源。在无线传感器网络中，可能有多个节点设备同时接入信道，导致分组之间相互冲突，使接收方难以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道资源，导致网络吞吐量下降。为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议。所谓MAC协议就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。 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！ CSMA几种模式 1-坚持CSMA(1-persistent CSMA):当信道忙或发生冲突时,要发送帧的站,不断持续侦听,一有空闲,便可发送. 其中,长的传播延迟和同时发送帧,会导致多次冲突,降低系统性能. 非坚持CSMA: 它并不持续侦听信道,而是在冲突时,等待随机的一段时间.它有更好的信道利用率,但导致更长延迟. p-坚持CSMA:它应用于分槽信道,按照P概率发送帧.即信道空闲时,这个时槽,欲发送的站P概率发送,Q=1-P概率不发送.若不发送,下一时槽仍空闲,同理进行发送.若信道忙,则等待下一时槽,若冲突,则等待随机的一段时间,重新开始. S-MAC 前提条件 数据量少，可进行数据的处理和融合 节点协作完成共同的任务 网络可以容忍一定程度的通信延迟 基本思想 周期性睡眠和监听 ；协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇） 自适应的侦听机制，减少信息的传输延迟 带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据 消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息的传递延迟 S-MAC 周期性的侦听/睡眠的低占空比方式 虚拟簇的调度方式 自适应流量的侦听机制：通信结束继续侦听一段时间 串音避免：RTS/CTS/DATA/ACK 不足：延迟受限于帧长度，不适合实时业务 T-MAC SMAC协议调度占空比固定，不能很好的适应网络流量的变化 动态调整调度周期中的活跃时间长度 在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠 与S-MAC一样周期性侦听同步，周期性广播SYNC帧 发送RTS未收到CTS再发送一次 TA竞争信道时间+RTS发送时间+CTS准备时间 早睡问题：邻居在准备向其发送数据时进入了睡眠状态 未来请求发送（Futrue-request-to send)： 早睡问题解决办法 早睡问题解决办法 满缓冲区优先 B-MAC B-MAC 基于竞争的协议，可用于各种CSMA/CA协议 发送方的数据包前都有前导载波，接收方周期性侦听 前导载波时间周期侦听间隔时间 将接收端的能量消耗转移到发送端 适应于延迟要求不高的应用 WISEMAC WiseMAC协议-基本思想 基于CSMA机制，使用前导采样技术 通过本地同步的广播获得最小的前导长度 随机的前导长度保证冲突避免 WiseMAC协议-关键技术1 前导采样 对信道进行采样 ，在短时间内对无线信道进行监听 所有节点都保持相同的采样时间Tw 采样时监听到信道忙，节点会继续监听，直到接收到数据或者信道空闲 数据包发送之前都要发送一个唤醒前导序列，该序列的长度和采样周期的长度相等，保证在数据部分到达时节点处于监听状态 WiseMAC协议-关键技术2 前导长度最小化 根据邻居节点的采样时间偏移量，选择最小长度的唤醒前导 分配型MAC协议 分配型MAC协议 基本思想 将一个物理信道分为多个子信道 将子信道静态或动态地分配给需要通信的节点，避免冲突 根据网络通信流量最大限度地节省能量 优点 无冲突 无隐藏终端问题 易于休眠 典型协议 SMACS、TRAMA、DMAC、BMAC SMACS协议-关键技术1 链路建立 引入超帧的概念，用固定参数Tframe表示 在上电后先进行邻居发现，每发现一个邻居就有一对节点形成一个双向信道 在两个节点的超帧中为该链路分配一对时隙用于双向通信，这种不同步的时隙分配称为异步分配通信 每对时隙都会选择一个随机的频点，减少邻近链路冲突 的可能 SMACS协议-关键技术3 邻居发现和信道分配 假设节点B，C，G进行邻居发现。节点在随机的时间段内打开射频部分，在一个固定的频点监听一个随机长度的时间。节点C在监听结束后广播一个邀请消息Type1 节点B和G接收到C发出的Type1消息后，等待一个随机的时间，然后各自广播一个应答消息Type2 C将接收到B和G发来的邀请应答 ，可以选择最早到达的应答者，也