第4章mac协议.

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1、第四章 MAC协议,郑来波 山东大学信息学院通信研究所 办公室：信息学院北楼513 电话：88362208 Email: zhenglaibo,第4章 MAC协议,4.1 概述 介质访问控制（medium access control，MAC）协议决定了无线信道的使用方式，在传感器节点间分配有限的通信资源，构建传感器网络的底层基础结构。 MAC协议对传感器网络的性能有较大地影响，是保障WSN高效通信的关键协议之一。 MAC处于WSN通信协议的底层部分，以解决WSN中节点以怎样的规则共享媒体才能取得满意的网络性能问题。 WSN的吞吐量、延迟等性能，与所采用的MAC协议直接相关。 首要设计指标：能

2、量有效性。 （目前的一个热点研究领域）,第4章 MAC协议,4.1.1 研究现状和趋势 早期研究较多集中于能量有效性问题，MAC协议研究也侧重于能耗因素及相应节能策略，而其他方面并没有突破传统自组网MAC协议的设计策略。 例如，S-MAC的接入规程和冲突避免机制均与802.11DCF基本协议相同，不同之处在于引入了周期激活/休眠机制等若干节能策略。 休眠机制是被广泛采用的有效节能策略。 随着WSN研究的深入以及其多样的应用场景越来越具体，各种不同于传统自组网的网络特点不断凸现，如业务流的方向性、节点的不同转发角色、监测信息在时间和空间上的相关性以及监测信息冗余等。 针对应用需求或业务特点量身设

3、计，或者与节能策略相结合，以进一步提高能量有效性或在多个其他特殊需求中权衡取舍逐渐成为MAC协议研究的另一趋势。 如D-MAC、EBRI-MAC、Sift和EMACs等协议。,第4章 MAC协议,4.1.2 影响WSN的MAC协议因素 1WSN的MAC协议设计主要问题 WSN的强大功能，是通过众多资源受限的网络节点协作实现的。 由于节点无线通信的广播特征，节点间信息传递在局部范围，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。,第4章 MAC协议,WSN的MAC协议设计，需要根据应用的要求考虑以下的网络性能问题。 （1）能量有效性。 （2）可扩展性。 （3

4、）冲突避免。 （4）信道利用率。 （5）延迟。 （6）吞吐量。 （7）公平性。 以上性能指标反映了一个MAC协议的特性。 与传统网络的MAC协议比较： 传统MAC协议：重点考虑节点使用带宽的公平性、提高带宽利用率以及增加网络的实时性等。 WSN MAC协议：能量有效性是首要指标； 考虑协议的可扩展性和适应网络拓扑变化的能力； 延迟、信道利用率等，需要根据应用进行折中。,第4章 MAC协议,2能耗因素分析 为分析和评价MAC协议的能量有效性，需分析导致能量浪费的因素： （1）空闲侦听（Idle listening）。 邻居节点随机发送 （2）消息碰撞（Message collision）。共享媒

5、体 （3）窃听（Overhearing）。 共享媒体 （4）控制报文开销（Control-packet overhead）。 控制消息 （5）发送失效(Overemitting)。 没有准备好接收 （6）在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量。 无线通信模块工作状态： 发送状态、接收状态、侦听状态和睡眠状态等。 单位时间内消耗的能量按照上述顺序依次减少。 MAC协议策略：采用“侦听/睡眠”交替。 当有数据收发时，节点就开启无线通信模块进行发送或侦听； 如没有数据需收发，节点就控制无线通信模块进入睡眠状态。 邻居节点间需要协调侦听和睡眠的周期，同时睡眠或唤醒。,第4

6、章 MAC协议,3通信模式 传感器网络是应用度相关的，需采用不同通信模式。 对不同通信模式的支持与否，也是衡量MAC协议能量有效性的重要因素。 四种模式： （1）广播模式： （2）会聚模式： （3）本地通信： （4）多播模式：,第4章 MAC协议,4.1.3 协议特点 业务多样性促生了各种不同的MAC协议设计。 其出发点不同，各具特点，同时又存在相互交叉的共同点，分类困难。 除了引入不同休眠机制，WSN的MAC协议设计还具备以下特点： 1采用基于TDMA的接入方式 能量有效，无冲突 2利用分群结构群首局部集中控制的机制 分层协议中的分群 3与多跳转发相关的资源分配策略 节点位置不同，密度不同，

7、使用率不同。 4冗余相关数据的隐聚合 同一事件多节点监测,第4章 MAC协议,4.1.4 WSN的MAC协议设计策略 传感器网络主要是许多节点协调实现其主要的功能。 多点通信需要MAC协议协调局部范围的无线信道的分配，需要路由协议协调整个网络内的通信路径。 MAC协议设计策略： （1）应用相关，无通用的MAC协议。 但随着WSN研究的逐渐深入，不可能针对各种具体应用进行不同的分析和设计，这就需要根据WSN特殊的应用特点进行透彻的研究和总结，提取共同点。 （2）能量高效是关键因素，但不是唯一目标。 在未来的应用中，WSN的应用需求还可能存在着对某个或某些指标有特别的要求，这就要求在MAC协议的设

8、计上进行一定的折衷。,第4章 MAC协议,（3）需要支持移动性 最初WSN被假定为是由静态节点组成的，但随着应用需求要求节点需要自主移动性，对MAC协议移动性设计也提出了更高的要求。 （4）考虑安全性 现有WSN的MAC协议安全性十分脆弱，窃听、传感器数据伪造、拒绝服务攻击和传感器节点物理妥协等各种网络攻击层出不穷，这使得安全问题和其他WSN性能问题同样重要，MAC协议的设计应考虑到网络安全的因素，引入一定的安全机制，对现有安全协议进行优化。,第4章 MAC协议,4.2 WSN的MAC协议分类 MAC协议主要负责协调网络节点对信道的共享。 可以按以下几种不同的方式进行分类。 （1）根据采用分布

9、式控制还是集中控制，可分为分布式执行的协议和集中控制的协议。 这类协议与网络的规模直接有关，在大规模网络中通常采用分布式的协议。 （2）根据使用的信道数（即物理层所使用的信道数），可分为单信道、双信道和多信道。 如S-MAC和LEEM分别为单信道和双信道的MAC协议。 使用单信道的MAC协议，虽然节点的结构简单，但无法解决能量有效性和时延的矛盾；而多信道的MAC协议可以解决这个问题，但增加了节点结构的复杂性。,第4章 MAC协议,（3）根据信道的分配方式，可分为基于TDMA的时分复用固定式、基于CSMA的随机竞争式和混合式三种。 基于TDMA的固定分配类MAC层协议，通过把时分复用(TDMA)

10、和频分复用(FDMA)或者码分复用（CDMA）的方式相结合，实现无冲突的强制信道分配（如C-TDMA协议）。 以竞争为基础的MAC协议，通过竞争机制，保证节点随机使用信道，并且不受其他节点的干扰（如S-MAC）。 混合式是把基于TDMA的固定分配方式和基于CSMA的竞争方式相结合，以适应网络拓扑、节点业务流量的变化等（如Z-MAC）。 （4）根据接收节点的工作方式，可分为侦听、唤醒和调度三种。 持续侦听在低业务的WSNs网络中浪费严重。 周期性的侦听睡眠机制减少了能量消耗，但引入了时延。 低能耗的辅助唤醒信道发送的唤醒信号，可唤醒一跳的邻居节点，如STEM协议，更加节能。 基于调度的MAC协议

11、按照计划好的确定时刻打开其无线通信模块，避免了能量的浪费。,第4章 MAC协议,4.3 MAC协议分析比较 4.3.1 MAC协议分析 1C-TDMA协议 针对分簇结构的WSN。基于TDMA机制(C-TDMA)。 簇头节点（Cluster head）收集和处理簇内节点发来的数据，并把处理后的数据发送到汇聚节点，同时负责为簇内成员节点分配时隙。 节点被划分为四种状态： 感应：收集数据并向其相邻节点发送； 转发：接收其他节点发送的数据，再转发给下个节点； 感应并转发：要完成上述两项功能； 非活动：节点没有接收和发送数据。 节点消耗能量各不相同，状态随时都在变化。,第4章 MAC协议,协议将时间帧分

12、为四个阶段： a）数据传输阶段：各节点在各自被分配的时隙内，向网关发送数据； b）刷新阶段：节点周期性的向簇头报告其状态； c）刷新引起的重组阶段紧：跟在刷新阶段之后，簇头节点根据簇内节点的情况，重新分配时隙； d）事件触发的重组阶段：节点能量小于特定值、网络拓扑发生变化等都是需耍重组的事件。若有以上事件触发，网关就重新分配时隙。 特点： 能够减少空闲侦听，避免信道冲突，也考虑了可扩展性； 但是区域内簇头节点和成员节点需要严格的时钟同步，对簇头节点的处理能力、能量和放置方式都有较高的要求。,第4章 MAC协议,2SMACS/EAR协议 SMACS/EAR(Self-organizing med

13、ium access control/Eavesdrop and register，具有监听/注册能的WSN自组织MAC协议)协议，是结合TDMA和FDMA的基于固定信道分配的分布式MAC协议，用来建立一个对等的网络结构。 主要用于静止的节点之间连接的建立。对于静止节点与运动节点之间的通信，需要通过EAR协议进行管理。 其基本思想：为每一对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输，不同节点对间的频率互不干扰，从而避免同时传输的数据之间产生碰撞。 SMACS协议假设节点静止，节点在启动时广播一个“邀请”消息，通知附近节点与本节点建立连接，接收到“邀请”消息的邻居节点，与发出“邀请”消息的节点交换信息

14、，在二者之间分配一对时隙，供二者以后通信。 EAR协议用于少量运动节点与静止节点之间进行通信，运动节点侦听固定节点发出的“邀请”消息，根据消息的信号强度、节点ID号等信息，决定是否建立连接。如果运动节点认为需要建立连接，则与对方交换信息，分配一对时隙和通信频率。,第4章 MAC协议,特点： 不需要所有节点的帧同步，可避免复杂的高能耗同步操作，但不能完全避免碰撞。 在可扩展性方面，可为变化慢的移动节点，提供持续的服务，但并不适用于拓扑结构变化较快的无线传感器网络。 在网络效率方面，由于协议要求两节点间使用不同的频率通信，固定节点还需要为移动节点预留可以通信的频率，因此网络需要有充足的带宽以保证侮

15、对节点间建立可能的连接。 但由于无法事先预计并且很难动态调整每个节点需要建立的通信链路数，因此整个网络的带宽利用率不高。,第4章 MAC协议,例子：节点A和D，B和C之间的链路建立过程。 先启动的节点D向邻居节点广播“邀请”消息，收到消息的节点A发送应答消息，节点A和节点D之间协商建立两者之间的一对专用通信时隙和专用通信频率。 B和节点C之间的协商过程与之类似。 A和D之间的通信时隙与B和C之间的重叠，但使用频率不同，无干扰。 同理A和B、C和D之间也可协商建立链路。,第4章 MAC协议,3S-MAC协议 S-MAC(Sensor medium access control )协议是在IEEE

16、802.11协议的基础上，针对WSN的能量有效性而提出的专用于WSN的节能MAC协议。 设计目标：减少能量消耗，提供良好的可扩展性。 采取的措施： a）周期性侦听和休眠。 为了便于通信，相邻节点之间，应该尽量维持调度周期同步，从而形成虚拟的同步簇。 同时每个节点需要维护一个调度表，保存所有相邻节点的调度情况。 每个节点定期广播自己的调度，使新接入节点可以与已有的相邻节点保持同步。 如果一个节点处于两个不同调度区域的重合部分，则会接收到两种不同的调度，节点应该选择先收到的调度周期。 b）消息分割和突发传输。 将一个长消息分割成几个短消息，利用RTS/CTS机制一次预约发送整个长消息的时间，然后突发性地发送由长消息分割的多个短消息，可减少误码。 C）避免接收不必要消息。 采用类似于802.11的虚拟物理载波监听和RTS/CTS握手机制，使不收发信息的节点及时进入睡眠状态。,第4章 MAC协议,特点： 同IEEE802.11相比，具有明显的节能效果。 睡眠方式的引入使网络的时延增加、吞吐量下降；