27
MAC层能量浪费的主要来源
1. 冲突 分组出错或丢失 重传分组 2. 串音 传感器节点接收到 发往其他节点的分组数据或消息
28
3. 空闲侦听 为了接收可能来到的数据，侦听无线信道，而网络中实际上 并没有数据在传送 IEEE802.11 2Mbit/s，空闲侦听、接收、发送所消耗的能量 比率为1:2:2.5
1. 提高能量效率 降低“成功传输单位数据所消耗的能量” 2. 提高可扩展性 MAC协议适应网络大小变化的能力 3. 提高适应性 适应节点密度和网络拓扑变化的能力 4. 提向信道利用率 用于有效通信的带宽利用率
25
3.2.1 设计目标
5. 降低端到端传输迟延。 源节点发送一个分组到目的节点，成功接收该分组所经历的 迟延。 6. 提高吞吐量。 单位时间内发送节点向接收节点成功传输的数据量 7. 保证公平性 公平性是指不同传感器节点公平地获得共享公共传输信道的 机会

多跳通信网络中，节点的周期性休眠会导致通信延迟 的累加

流量自适应监听机制：

在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后唤 醒并保持监听一段时间； 如果节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立即接收数据， 而不需要等到下一个监听周期。


优点：减少了两个节点间的数据传输延迟
43
SMAC协议关键技术--消息冲突与串扰避免
每个DATA都有ACK保障传输成功

当一个分段没有收到ACK响应时，节点便自动将信道预 留向后延长一个分段传输时间，并重传该分段。

整个传输过程中DATA和ACK都带有通信剩余时间信息，邻 居节点可以根据此时间信息避免串扰。
47
SMAC协议

优点：
1. 减少了节点空闲监听的能量损耗
2. 减少了串扰和控制数据包带来的能量损耗
17
非竞争型MAC协议


采用固定使用信道的方式，将共享信道根据时间、频率或伪噪 声码划分成一组子信道，并将这些子信道分配给各节点，使得 每一个节点拥有一个专用的子信道，用于数据的发送。 相互不干扰 避免冲突 时分多路接入(TDMA)、频分多路接入(FDMA)和码分多路接入 (CDMA)协议
18
44
SMAC协议关键技术----长消息传递机制
发送长信息时存在的问题：


几个比特错误造成重传
简单地将长包分段，RTS/CTS的使用形成过多的控制开销
46
SMAC协议关键技术----长消息传递机制

SMAC提出了“消息传递”机制：

将长的信息包分成若干个短的DATA段
所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分组 占用信道
4. 控制开销
29
3.2.3 MAC协议设计的技术挑战
30
节点的休眠调度问题
在传感器节点中，无线通信模块的状态： 发送、接收、侦听 和休眠 单位时间内消耗的能量依次递减 为了保证节点能够及时地接收到发送给它的数据，无线传感 器网络MAC协议通常采用“侦听/休眠”交替的机制访问无线 信道


31
15
CSMA/CA的改进：冲突避免多路接入协议 (Multiple Aecess with Collision Avoidance，MACA)

在RTS和CTS报文中增加了一个附加的域，用来指示所需传送的 数据量，从而使其他节点能够了解所需退避的时间。
16
无线传感器网络MAC协议
竞争型 非竞争型 混合型
37
S-MAC 竞争型
T-MAC WSN
MAC协议 非竞争型 DEANA 混合型 Funneling-MAC SMACS
38
SMAC协议(Sensor MAC)

802.11 MAC协议+能量效率 SMAC协议基本思想 周期性睡眠和监听 串扰避免 长消息传递
39
SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听

扰避免机制 长消息传递机制

缺点：
额外的延迟，减小了系统吞吐量
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S-MAC 竞争型
T-MAC WSN
MAC协议 非竞争型 DEANA 混合型 Funneling-MAC SMACS
49
TMAC协议(Timeout MAC)

SMAC协议缺陷：侦听/休眠调度占空比固定，不能很 好的适应网络流量的变化 。
21

无线传感器网络也可以采用非竞争型MAC协议 TDMA DEANE、SMACS、DE-MAC、TRAMA协议
22
无线传感器网络MAC协议
竞争型 非竞争型 混合型
23
3.2无线传感器网络MAC协议设计

协调多个节点对共享媒体的访问，避免来自不同节点数据之间 的冲突
24
3.2.1 设计目标
Ta :决定了每个节点在一个调度周期中进行空闲 监昕的最短时间。
51
图 3-4 TMAC基本机制
TMAC协议-基本思想

T- MAC协议和S-MAC 协议的休眠机制比较
图 3-4 TMAC基本机制
Ta :决定了每个节点在一个调度周期中进行空闲监听的最短时间
52
TMAC协议-关键技术

周期性监听同步

侦听和休眠的时间的合理长度与网络负载的大小有关
50
TMAC协议-基本思想

动态调整调度周期中的活跃时间长度 各节点周期性地被唤醒，进入活动期

传送数据时，各节点采用RTS-CTS-DATA-ACK 的过程
如果在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠

在活动期间，可发送数据；


在休眠期间，节点如果有数据消息需要发迭，则必须等到下一 个活动期到来后再进行。


发送数据时，节点先侦听信道 当侦听到信道忙时，仍坚持侦听，一直侦听到信道空闲为止 当侦听到信道空闲后，节点可以采用2种不同的策略发送数据 ： 1-坚持CSMA 1-坚持CSMA 以概率1，立即发送数据 p-坚持CSMA

优点： p坚持CSMA 能够充分抓紧时间发送数据。 以概率p发送数据，以概率(1-p)延迟 一段时间，再重新侦听信道 缺点： 若有两个或多个节点同时在侦听 信道，则一旦信道空闲，这些节 点都会立即发送数据
第 3 章
无线传感器网络的MAC协议
1


传统无线网络中使用的MAC协议无法直接所用于无线传感器 网络 首先考虑网络的能量效率
2
3.1.1无线传感器网络MAC协议的特点

无线信道通信的带来的问题 频谱资源有限 多个传感器节点同时访问信道时，会导致数据之间的相 互冲突
必须采用有效的MAC协议
26
3.2.2 节能设计

数据通信是能量消耗最主要的来源 100m的距离上发送1kbit的数据需要消耗3J的能量 一个具有每秒处理100万条指令能力的通用处理器用3J能量 能够处理300万条指令
传感器节点要先利用其处理能力先对数据进行局部、简单的处 理，然后再将经过部分处理后的数据传送给汇聚节点

SMAC协议中，在RTS/CTS帧中都带有目的地址和本 次通信的持续时间信息

节点接收到RTS/CTS帧后，如果发现目的地址不是自 己的地址

节点马上进入睡眠状态 将此次邻居节点间通信的持续时间存储到本地的网络分配 向量(NAV)中

NAV会随着本地时钟的运行递减

在NAV值非零期间节点都处于睡眠状态

延用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧

节点上电启动后，要监听一段时间

如果该时间段内节点没有接收到SYNC帧，则节点自行选择一个 默认的调度方式，并通过SYNC 帧广播该调度方式。 如果时间段内节点接收到SYNC帧，则节点采用该SYNC帧中指明 调度方式


如果节点接收到不同的调度方式，节点调整调度

使用“全监听周期”，发现邻居
53
TMAC协议-关键技术--RTS操作

当节点发送RTS帧后，如果没有接收到相应的CTS帧，可能 的原因: ⑴ 接收节点处发生碰撞，没能正确接收RTS帧 ⑵ 接收节点处于睡眠状态
节点的休眠调度问题

要解决的问题 每个周期侦听多次时间 侦听的时间过长，能量浪费; 侦听时间过短，增大传输迟延 需要协调各节点的侦听和休眠周期，使收发节点保持 同步，避免节点在休眠时错过发送给它的数据
32
协议的复杂度问题
如果协议设计得过于复杂，这种协议开销就会非常大， 将造成很大的能量浪费
13
CSMA/CD协议



增加冲突检测 IEEE802.3标准 优点：发生冲突时，可以使信道很快地空闲下来 缺点： 节点必须能够同时接收和发送无线信号，增加节点成本 无线网络中，存在“隐终端问题”
14
CSMA/CA协议



多跳的无线网络 CSMA/CA 在发送数据前，发送端先向接收端发送一个请求发送报文 (Request-To-Send，RTS)； 若信道空闲，接收端就响应一个允许发送报文(Clear-ToSend，CTS)； 然后开始传送。 通过一个RTS/CTS握手过程，可以使收发双方的相邻节点都能 够了解到信道上即将要进行的数据传送，从而及时退避，避免 发生冲突。


避免存在“节点互相发现不了对方”
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SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听

SMAC协议将监听时间分为两段

发送/接收SYNC包
发送/接收RTS和接收/发送CTS
41
SMAC协议关键技术-周期性睡眠和监听