IEEE 802.11
802.11a
802.11b
DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获 取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。
无争用服务
MAC 层
点协调功能 PCF (Point Coordination Function)
争用服务
分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function)
《无线传感器网络技术》讲义
第三章、MAC协议
2013年3月7日
内容提要
1. 概述 2. 竞争型MAC协议 3. 分配型MAC协议 4. 混合型MAC协议 5. MAC的跨层设计 6. 主要参考文献
无线传感器网络MAC协议
• 在无线传感器网络中，介质访问控制 (Medium Access Control)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。
IEEE 802.11
802.11a
802.11b
802.11 MAC协议
• DCF工作方式的主要机制
• CSMA/CA • 随机退避时间 • 主动确认机制（ACK帧） • 预留机制（RTS/CTS帧的NAV向量）
源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧， 叫做请求发送 RT2S. 对(R信e道qu进es行t T预o 约Send)，它包括 源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）
所需的持续时间。
• 802.11 允许要发送数据的站对信道进行
预约。
A 的作用范围
B 的作用范围
RTS
RTS
C
A
B
D
E
若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧， 叫做允许发送 CTS2. (对Cl信ea道r T进o行Se预n约d)，它包括这次 通信所需的持续时间（从 RTS 帧中将此持续时间 复制到 CTS 帧中）。
➢ 优点
网络流量和规模变化自适应 网络拓扑变化自适应 算法较简单
➢ 典型协议
SMAC、TMAC、PMAC、WiseMAC、Sift
竞争型MAC协议
• 典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多 路访问
(carrier sense multiple access, CSMA) • 无线局域网将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision
802.11 的 MAC 层
MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中 的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。
无争用服务
MAC 层
点协调功能 PCF (Point Coordination Function)
争用服务
分布协调功能 DCF (Distributed Coordination Function)
(CSMA/CA)
物理层
2.4 GHz FHSS 1 Mb/s 2 Mb/s
2.4 GHz DSSS 1 Mb/s 2 Mb/s
IR 1 Mb/s 2 Mb/s
5 GHz OFDM 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mb/s
2.4 GHz DSSS 5.5 Mb/s 11 Mb/s
WSN MAC协议的考虑因素
➢ 能量效率 ➢ 可扩展性 ➢ 网络效率
——公平性、实时性、网络吞吐量、带宽利用率
➢ 算法复杂度 ➢ 与其它层协议的协同 目前普遍认为重要性依次递减！
MAC层的能量浪费因素以及节能策略
能量浪费因素：
空闲侦听（忙闲） 碰撞重传（随机竞争） 控制消息（太多） 串扰(overhearing)
• 传感器网络的强大功能由众多节点协作实现。 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。
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！
节能策略：
尽量让传感器节点处于睡眠状态 减少碰撞 减少控制消息的开销 减少接收到不需要接收的数据分组
WSN MAC协议分类
➢ 分配信道的方式
竞争型 分配型 混合型
➢ 使用的信道数目
单信道 多信道 ➢ 控制方式 集中式 分布式
竞争型MAC协议
➢ 基本思想
发送时主动抢占，CSMA方式 按需使用信道
• A8收02到.11C允T许S 要帧发后送就数可据发的送站其对数信据道帧进。行 预约。
A 的作用范围
B 的作用范围
CTS
CTS
C
A
B
D
E
虚拟载波监听
• 虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它 要占用信道的时间（包括目的站发回确认帧所需的时间） 通知给所有其他站，以便使其他所有站在这一段时间都 停止发送数据。
(CSMA/CA)
物理层
2.4 GHz FHSS 1 Mb/s 2 Mb/s
2.4 GHz DSSS 1 Mb/s 2 Mb/s
IR 1 Mb/s 2 Mb/s
5 GHz OFDM 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mb/s
2.4 GHz DSSS 5.5 Mb/s 11 Mb/s
• 这样就大大减少了碰撞的机会。 • “虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道，而是
由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。 • 这种效果好像是其他站都监听了信道。 • 所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第
二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用 信道多少时间（以微秒为单位），包括目的站发送确认 帧所需的时间。
网络分配向量
• 当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持 续时间”字段时，就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。
• NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传 输，才能使信道转入到空闲状态。
Avoidance)功能。 • IEEE802.11 MAC协议的分布式协调(distributedБайду номын сангаас
coordination function, DCF)工作模式采用CSMA/CA 协议，还增加使用确认机制。 • 研究者在 802.11 的 MAC协议基础上提出了多个用 于传感器网络的基于竞争的MAC协议。