第六讲:MAC协议.ppt
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第六讲:MAC协议.ppt
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第六讲:
MAC协议,中国农业大学工学院王新电话:
010-62736591E-mail:
无线传感器技术课程讲义,教学目标,无线频谱(ISM)是无线通信的介质,这种广播介质属于稀缺资源。
在WSN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(MediumAccessControl,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。
介质访问(MAC)协议(OSI模型中数据链路层的子层)主要负责协调共用介质访问,主要解决无线通信中的能耗、错误、干扰、信号衰减、大量节点的同步介质访问和非对称链路问题。
6.1MAC协议概述,MAC层的主要功能:
决定一个节点什么时候可以访问共享介质,并解决可能发生在竞争节点之间的潜在冲突,还负责纠正物理层的通信错误以及执行其他功能,例如组帧、寻址和流量控制。
MAC协议分类:
根据控制访问介质的方式分类:
无竞争的协议:
提供一种共用介质的方法,确保在给定的时间允许一个设备访问无线介质。
此类又可分为固定分配和动态分配,用来表明预留的时隙是固定分配的还是按需分配的。
基于竞争的协议:
允许节点同时访问介质,但是提供了能减少碰撞次数和能从碰撞中恢复的机制。
6.1MAC协议概述,6.2MAC协议的分类,MAC协议的分类和例子,6.2.1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,6.2.1竞争型MAC协议,基本思想发送时主动抢占,CSMA方式按需分配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CSMA、ALOHA、MACA、MACAW,6.3无竞争介质访问固定分配,频分复用(FDMA):
最早的共用通信介质的方法。
将频带分成几个较小的频带,每一个小频带可以用于一对节点之间的数据传输,可能干扰到这个传输的所有其他节点则使用与之不同的频带。
时分复用(TDMA):
允许多路设备使用同样的频带,但他们用的是周期时间窗(称为帧)包括固定数目的传输时隙来分离不同设备对介质的访问。
每个时隙最多允许一个节点传输数据。
码分复用(CDMA):
通过使用不同的编码方式同时对无线介质进行访问,可以实现在同一频带上的多路通信,用接收器端的前向纠错方法从伴有干扰的多路通信中恢复数据。
6.3无竞争介质访问固定分配,频分复用(FrequencyDivisionMultiplexingAccess,FDMA)优点有效减少多径及频率选择性信道造成接收端误码率上升的影响接收端可利用简单一阶均衡器补偿信道传输的失真缺点传送与接收端需要精确的同步对于多普勒效应频率漂移敏感传输效率较低,6.3无竞争介质访问固定分配,时分复用(TimeDivisionMultiplexingAccess,TDMA)优点无需竞争,避免碰撞多路信号的汇合与分路都是数字电路,简单、可靠缺点网络拓扑结构改变时需要改变时隙分配时隙分配固定,带宽利用率不高,6.3无竞争介质访问固定分配,码分复用(CodeDivisionMultiplexingAccess,CDMA)优点基于码型的分割信道的方法,各个码型互不重叠,通信各方之间不会相互干扰,且抗干拢能力强复用系统容量灵活保密性好缺点成本高,信息发送、接收设备较复杂,6.3无竞争介质访问动态分配,动态分配策略:
允许节点按需地访问介质。
轮询:
控制设备(如无线网络中的基站)循环地发送小的轮询帧,来询问每个节点是否有数据要发送。
令牌传递:
节点之间通过一种特殊的叫令牌的帧来传递询问请求(循环方式),节点只有在持有令牌时才允许传送数据。
基于预约:
使用静态时隙让节点根据需求预约未来的介质访问权。
节点可以在一个固定位置启动一个预留位来声明它想传输的数据,确保其他竞争节点可以注意到预约权,从而避免碰撞。
6.4基于竞争的介质访问,ALOHA协议使用ACK机制来确认广播数据传送的成功;允许节点立即访问介质,但运用如指数退避法来解决碰撞问题;按时隙的ALOHA协议规定节点只能在预定的时间点传输数据;按时隙的ALOHA提升了传输效率,但它要求这些节点是同步的。
6.4基于竞争的介质访问,CSMA协议(载波监听多路访问)包括CSMA/CD(带有冲突检测的)和CSMA/CA(带有冲突避免的)。
CSMA/CD协议:
发送者首先检测介质来确定介质是空闲还是繁忙,如果发现介质繁忙,发送者就不发送数据包,如果介质空闲,发送者就可以开始传送数据。
CSMA/CA协议:
在信号传输之前,发射机先侦听介质中是否有同信道载波,若不存在,意味着信道空闲,将直接进入数据传输状态;若存在载波,则在随机退避一段时间后重新检测信道。
这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。
CSMA协议(载波监听多路访问)非持续型CSMA:
无线节点在侦听到信道空闲时可以立即传输数据。
如果信道忙,节点会采取退避操作,即等待一定的时间后再尝试传输数据。
6.4基于竞争的介质访问,6.4基于竞争的介质访问,CSMA协议(载波监听多路访问)1-持续型CSMA:
需要传输数据的节点会一直侦听信道的活动状态,一旦发现信道空闲,立即传输数据。
如果发生碰撞,节点会随机等待一段时间然后再尝试传输。
6.4基于竞争的介质访问,CSMA协议(载波监听多路访问)p-持续型CSMA:
在侦听到介质处于忙状态时持续侦听,当侦听到介质处于空闲状态时,但此时站点不一定会马上发送数据,根据概率p(这个p值是算法事先确定好的)来选择发送数据,而在另一个(1-p)概率的时候,即使介质处于空闲状态,也会延迟一段时间t(这个t是指端到端的“传播延时”)后再重新侦听介质状态。
传播延时(s)=两站点间的距离(m)信号传播速度(m/s)如已知传播距离为1000km,信号在介质上的传播速率为2108m/s,则可计算出它的传播延时为10001000/(2108)=0.005s。
6.5带有碰撞避免机制的多路访问,MACA协议(MultipleAccesswithCollisionAvoidance)引入RTS(RequestToSend,请求发送)与CTS(ClearToSend,清除发送)控制报文。
发送方利用RTS向目标接收方表明本地准备发送数据;若RTS传送成功没有发生碰撞,并且接收方准备好接收数据,则接收方反馈给发送方CTS控制报文;若发送方未接收到CTS,则一段时间后重新发送RTS;若成功接收CTS,信道征用完成;其他节点若侦听到RTS/CTS,则等待一段时间再征用通道,等待时间由RTS/CTS中数据长度标识符确定。
6.5.1RTS与CTS,6.5.1RTS与CTS,6.5带有碰撞避免机制的多路访问,用于无线局域网的MACAW协议(MACAforWirelessLANs)接受方如果正确接收到数据包,会反馈给发送方确认帧ACK;若其他节点侦听到该信息,即表明信道可以重新征用;确认反馈机制增强了传输的可靠性;侦听到RTS消息的节点必须保持静默状态,以保证ACK的成功接收,但有时会因为CTS信息的发送故障阻碍信道数据传输;因此,MACAW引入数据传送(DataSending,DS)报文,发送RTS的节点在收到反馈的CTS后发出DS消息,标志着本次数据传输正式开始;其他节点监听到RTS,但没有监听到DS信息,则表明本次的信道征用操作失败,信道可以重新被征用。
6.5带有碰撞避免机制的多路访问,用于无线局域网的MACAW协议(MACAforWirelessLANs)接受方如果正确接收到数据包,会反馈给发送方确认帧ACK;若其他节点侦听到该信息,即表明信道可以重新征用;确认反馈机制增强了传输的可靠性;侦听到RTS消息的节点必须保持静默状态,以保证ACK的成功接收,但有时会因为CTS信息的发送故障阻碍信道数据传输;因此,MACAW引入数据传送(DataSending,DS)报文,发送RTS的节点在收到反馈的CTS后发出DS消息,标志着本次数据传输正式开始;其他节点监听到RTS,但没有监听到DS信息,则表明本次的信道征用操作失败,信道可以重新被征用。
6.6IEEE802.11协议,6.6IEEE802.11协议,6.6.1基础结构模式,6.6.2独立模式,6.7MAC访问模式,6.8IEEE802.11介质的访问,IEEE802.11建立在CSMA/CA协议基础上,在节点传输数据前首先侦听信道空闲状态,若信道空闲时间达到或超过DIFS(DCFInterframeSpace,DIFS,帧间距),节点可以传输数据,否则,设备根据退避算法延迟传输。
6.8IEEE802.11介质的访问,6.8IEEE802.11介质的访问,在DCF工作方式下,载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。
物理载波侦听由物理层提供,虚拟载波侦听由MAC层提供。
NAV网络分配矢量,6.8IEEE802.11介质的访问,6.8IEEE802.11介质的访问,在PCF模式下,AP协调信道的访问可以确保进行无碰撞的通信。
AP定期向它的客户端广播一个信标帧(beacon),该信号包含了所有在AP中标明有待发送数据的节点列表。
在非竞争时段内,AP等待PIFS时间间隔,将这些数据包发给它的客户端。
PIFS长度大于SIFS小于DIFS,这样可确保在PCF模式工作的通信优先级高于在DCF模式工作的通信,且不会被DCF中的控制消息(CTS和ACK)中断。
WSN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,6.9MAC协议的挑战,能量效率空闲监听冲突控制开销串扰可扩展性网络效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,6.10当前研究热点,S-MAC协议是一种适用于无线传感器网络的比较典型的MAC协议,即SensorMAC协议。
这种协议是在802.1lMAC协议的基础上,针对传感器网络的节省能量需求而提出的。
S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大,网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量,网络能容忍一定程度的通信延迟。
它的设计目标是提供良好的扩展性,减少节点能耗。
6.11典型MAC协议:
S-MAC协议,无线传感器网络无效能耗主要来源于如下四种原因:
空闲监听数据冲突串扰控制开销,6.11典型MAC协议:
S-MAC协议,周期性侦听和睡眠机制S-MAC协议将时间分为帧,帧长度由应用程序决定。
帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。
监听/睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。
当节点处于睡眠阶段时,关闭无线电波,以节省能量。
当然节点需要缓存这期间收到的数据,以便工作阶段集中发送。
6.11典型MAC协议:
S-MAC协议,具有相同调度的节点形成一个所谓的虚拟簇,边界节点记录两个或多个调度。
如果传感器网络的部署范围较广,可能形成众多不同的虚拟簇,使得S-MAC协议具有良好的可扩展性。
为了适应新加入节点,每个节点要定期广播自己的调度信息,使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。
如果节点同时收到两种不同的调度,如图所示的处于两个不同调度区域重合部分的节点,那么这个节点可以选择先收到的调度,并记录另一个调度信息。
6.11典型MAC协议:
S-MAC协议,流量自适应侦听机制流量自适应侦听机制的基本思想是在一次通信过程中,通信节点的邻居在通信结束后不立即进入睡眠状态,而是保持侦听一段时间。
如果节点在这段时间内接收到RTS分组,则可以立刻接收数据,无须等到下一次调度侦听周期,从而减少了数据分组的传输延迟。
如果在这段时间内没有接收到RTS分组,则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。
6.11典型MAC协议:
S-MAC协议,冲突和串音避免机制为了减少冲突和避免串音,S-MAC协议采用了与802.11MAC协议类似的虚拟和物理载波监听机制,以及RTS/CTS握手交互机制。
两者的区别在于当邻居节点处于通信过程时,执行S-MAC协议的节点进入睡眠状态。
6.11典型MAC协议:
S-MAC协议,消息传递机制S-MAC协议采用了消息传递机制,可以很好地支持长消息的发送。
由于无线信道的传输差错与消息长度成正比,短消息传输成功的概率要大于长消息。
消息传递机制根据这一原理,将长消息分为若干个短消息,采用一次RTS/CTS交互的握手机制预约这个长消息发送的时间,集中连续发送全部短消息。
这样既可以减少控制报文的开销,又可以提高消息发送的成功率。
6.11典型MAC协议:
S-MAC协议,ToBeContinue,
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