第3章-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議概要課件

第3章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議1

第3章1傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用的MAC協(xié)議無(wú)法直接所用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)首先考慮網(wǎng)絡(luò)的能量效率2傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用的MAC協(xié)議無(wú)法直接所用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的特點(diǎn)無(wú)線信道通信的帶來(lái)的問(wèn)題頻譜資源有限多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)信道時(shí)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間的相互沖突3必須采用有效的MAC協(xié)議3.1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的特點(diǎn)無(wú)線信道通信的帶來(lái)的4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的主要特點(diǎn)1.能量效率2.可擴(kuò)展性3.公平性4.傳輸效率4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的主要特點(diǎn)1.能量效率3.1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的分類(lèi)5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型3.1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的分類(lèi)5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MA6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式使用信道。如果發(fā)生沖突，節(jié)點(diǎn)按照事先設(shè)定的某種策略重傳數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄。傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)：ALOHA(AdditiveLinkOn-LineHawaiiSyslem)

載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)7競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)ALOHA協(xié)議純ALOHA協(xié)議⑴當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，直接向信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組。⑵在發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的情況下，各節(jié)點(diǎn)將對(duì)發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行重發(fā)。但在重傳策略上，等待一段隨機(jī)的時(shí)間，然后再進(jìn)行重發(fā)如果再發(fā)生沖突，則再等待一段隨機(jī)的時(shí)間進(jìn)行重發(fā)，直到發(fā)送成功為止8ALOHA協(xié)議純ALOHA協(xié)議8ALOHA協(xié)議時(shí)隙ALOHA協(xié)議⑴將時(shí)間劃分成一系列固定長(zhǎng)度的時(shí)隙⑵各節(jié)點(diǎn)只能在每個(gè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)9ALOHA協(xié)議時(shí)隙ALOHA協(xié)議9純ALOHA和時(shí)隙ALOHA比較純ALOHA實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單信道利用率較低時(shí)隙ALOHA將信道利用率提高一倍以上要求在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步10純ALOHA和時(shí)隙ALOHA比較純ALOHA10CSMA協(xié)議使用了一個(gè)載波偵聽(tīng)裝置CSMA協(xié)議的類(lèi)型：非堅(jiān)持型1-堅(jiān)持型p-堅(jiān)持型11CSMA協(xié)議使用了一個(gè)載波偵聽(tīng)裝置11非堅(jiān)持CSMA⑴節(jié)點(diǎn)一旦偵聽(tīng)到信道忙或發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，就不再堅(jiān)持偵聽(tīng)，而是根據(jù)協(xié)議的退避算法延遲一段隨機(jī)的時(shí)間后重新開(kāi)始偵聽(tīng)。⑵若偵聽(tīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。優(yōu)點(diǎn)：提高了信道的利用率、網(wǎng)絡(luò)的吞吐量缺點(diǎn)：無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)信道狀態(tài)的變化12非堅(jiān)持CSMA12堅(jiān)持CSMA協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)先偵聽(tīng)信道當(dāng)偵聽(tīng)到信道忙時(shí)，仍堅(jiān)持偵聽(tīng)，一直偵聽(tīng)到信道空閑為止當(dāng)偵聽(tīng)到信道空閑后，節(jié)點(diǎn)可以采用2種不同的策略發(fā)送數(shù)據(jù)：1-堅(jiān)持CSMAp-堅(jiān)持CSMA131-堅(jiān)持CSMA以概率1，立即發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)：能夠充分抓緊時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：若有兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在偵聽(tīng)信道，則一旦信道空閑，這些節(jié)點(diǎn)都會(huì)立即發(fā)送數(shù)據(jù)p-堅(jiān)持CSMA以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率(1-p)延遲一段時(shí)間，再重新偵聽(tīng)信道堅(jiān)持CSMA協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)先偵聽(tīng)信道131-堅(jiān)持CSMCSMA/CD協(xié)議14增加沖突檢測(cè)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)：發(fā)生沖突時(shí)，可以使信道很快地空閑下來(lái)缺點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)必須能夠同時(shí)接收和發(fā)送無(wú)線信號(hào)，增加節(jié)點(diǎn)成本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，存在“隱終端問(wèn)題”CSMA/CD協(xié)議14增加沖突檢測(cè)CSMA/CA協(xié)議多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)CSMA/CA在發(fā)送數(shù)據(jù)前，發(fā)送端先向接收端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求發(fā)送報(bào)文(Request-To-Send，RTS)；若信道空閑，接收端就響應(yīng)一個(gè)允許發(fā)送報(bào)文(Clear-To-Send，CTS)；然后開(kāi)始傳送。通過(guò)一個(gè)RTS/CTS握手過(guò)程，可以使收發(fā)雙方的相鄰節(jié)點(diǎn)都能夠了解到信道上即將要進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳送，從而及時(shí)退避，避免發(fā)生沖突。15CSMA/CA協(xié)議多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)15CSMA/CA的改進(jìn)：沖突避免多路接入?yún)f(xié)議

(MultipleAecesswithCollisionAvoidance，MACA)在RTS和CTS報(bào)文中增加了一個(gè)附加的域，用來(lái)指示所需傳送的數(shù)據(jù)量，從而使其他節(jié)點(diǎn)能夠了解所需退避的時(shí)間。16CSMA/CA的改進(jìn)：沖突避免多路接入?yún)f(xié)議

(Multipl無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型17無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型17非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用固定使用信道的方式，將共享信道根據(jù)時(shí)間、頻率或偽噪聲碼劃分成一組子信道，并將這些子信道分配給各節(jié)點(diǎn)，使得每一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)專(zhuān)用的子信道，用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。相互不干擾避免沖突時(shí)分多路接入(TDMA)、頻分多路接入(FDMA)和碼分多路接入(CDMA)協(xié)議18非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用固定使用信道的方式，將共享信道根據(jù)時(shí)間時(shí)分多路接入(TDMA)協(xié)議無(wú)線蜂窩系統(tǒng)較高的能量效率缺點(diǎn)僅適用于簇形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)之間嚴(yán)格的時(shí)間同步19時(shí)分多路接入(TDMA)協(xié)議無(wú)線蜂窩系統(tǒng)19頻分多路接入(FDMA)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)保護(hù)頻帶將浪費(fèi)相當(dāng)大的帶寬非常準(zhǔn)確地控制發(fā)送功率20頻分多路接入(FDMA)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單20碼分多路接入(CDMA)協(xié)議采用正交偽隨機(jī)碼劃分共享信道，所有節(jié)點(diǎn)可以在同一個(gè)信道內(nèi)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，但使用不同的偽隨機(jī)碼?？垢蓴_能力強(qiáng)，系統(tǒng)容量較大，終端可以采取較低的發(fā)射功率終端設(shè)計(jì)復(fù)雜，同步精度要求高21碼分多路接入(CDMA)協(xié)議采用正交偽隨機(jī)碼劃分共享信道，所無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以采用非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議TDMADEANE、SMACS、DE-MAC、TRAMA協(xié)議22無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以采用非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議2223無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型23無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型3.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)共享媒體的訪問(wèn)，避免來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的沖突243.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)共享媒體的訪3.2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)1.提高能量效率降低“成功傳輸單位數(shù)據(jù)所消耗的能量”2.提高可擴(kuò)展性MAC協(xié)議適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)大小變化的能力3.提高適應(yīng)性適應(yīng)節(jié)點(diǎn)密度和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓哪芰?.提向信道利用率用于有效通信的帶寬利用率253.2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)1.提高能量效率253.2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)5.降低端到端傳輸遲延。源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)分組到目的節(jié)點(diǎn)，成功接收該分組所經(jīng)歷的遲延。6.提高吞吐量。單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量7.保證公平性公平性是指不同傳感器節(jié)點(diǎn)公平地獲得共享公共傳輸信道的機(jī)會(huì)263.2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)5.降低端到端傳輸遲延。263.2.2節(jié)能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信是能量消耗最主要的來(lái)源100m的距離上發(fā)送1kbit的數(shù)據(jù)需要消耗3J的能量一個(gè)具有每秒處理100萬(wàn)條指令能力的通用處理器用3J能量能夠處理300萬(wàn)條指令傳感器節(jié)點(diǎn)要先利用其處理能力先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部、簡(jiǎn)單的處理，然后再將經(jīng)過(guò)部分處理后的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)273.2.2節(jié)能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信是能量消耗最主要的來(lái)源27MAC層能量浪費(fèi)的主要來(lái)源1.沖突分組出錯(cuò)或丟失重傳分組2.串音傳感器節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)的分組數(shù)據(jù)或消息28MAC層能量浪費(fèi)的主要來(lái)源1.沖突283.空閑偵聽(tīng)為了接收可能來(lái)到的數(shù)據(jù)，偵聽(tīng)無(wú)線信道，而網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際上并沒(méi)有數(shù)據(jù)在傳送IEEE802.112Mbit/s，空閑偵聽(tīng)、接收、發(fā)送所消耗的能量比率為1:2:2.54.控制開(kāi)銷(xiāo)293.空閑偵聽(tīng)29303.2.3MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)303.2.3MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)在傳感器節(jié)點(diǎn)中，無(wú)線通信模塊的狀態(tài)：發(fā)送、接收、偵聽(tīng)和休眠單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量依次遞減為了保證節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)地接收到發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議通常采用“偵聽(tīng)/休眠”交替的機(jī)制訪問(wèn)無(wú)線信道31節(jié)點(diǎn)的休眠調(diào)度問(wèn)題在傳感器節(jié)點(diǎn)中，無(wú)線通信模塊的狀態(tài)：發(fā)送、接收、偵聽(tīng)和休眠節(jié)點(diǎn)的休眠調(diào)度問(wèn)題要解決的問(wèn)題每個(gè)周期偵聽(tīng)多次時(shí)間偵聽(tīng)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，能量浪費(fèi);偵聽(tīng)時(shí)間過(guò)短，增大傳輸遲延需要協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)和休眠周期，使收發(fā)節(jié)點(diǎn)保持同步，避免節(jié)點(diǎn)在休眠時(shí)錯(cuò)過(guò)發(fā)送給它的數(shù)據(jù)32節(jié)點(diǎn)的休眠調(diào)度問(wèn)題要解決的問(wèn)題32協(xié)議的復(fù)雜度問(wèn)題如果協(xié)議設(shè)計(jì)得過(guò)于復(fù)雜，這種協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)就會(huì)非常大，將造成很大的能量浪費(fèi)33協(xié)議的復(fù)雜度問(wèn)題如果協(xié)議設(shè)計(jì)得過(guò)于復(fù)雜，這種協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)就會(huì)非常復(fù)雜度與性能間的折中問(wèn)題在復(fù)雜度與性能之間尋找最佳折中方案34復(fù)雜度與性能間的折中問(wèn)題在復(fù)雜度與性能之間尋找最佳折中方案3性能指標(biāo)間的折中問(wèn)題為了降低功耗，可能會(huì)增大消息或數(shù)據(jù)的遲延35性能指標(biāo)間的折中問(wèn)題為了降低功耗，可能會(huì)增大消息或數(shù)據(jù)的遲延3.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議363.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議363.3.1競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議37WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型SMACSDEANA混合型Funneling-MAC3.3.1競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議37WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MA38WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型SMACSDEANA混合型Funneling-MAC38WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型SMACSDEASMAC協(xié)議(SensorMAC)802.11MAC協(xié)議+能量效率SMAC協(xié)議基本思想周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)串?dāng)_避免長(zhǎng)消息傳遞39SMAC協(xié)議(SensorMAC)802.11MAC協(xié)議一個(gè)周期內(nèi)有睡眠和監(jiān)聽(tīng)兩種狀態(tài)節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同，保持監(jiān)聽(tīng)同步調(diào)度方式：節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)和睡眠的時(shí)間表相鄰節(jié)點(diǎn)間盡可能“同時(shí)監(jiān)聽(tīng)、同時(shí)休眠”為了建立協(xié)調(diào)或同步的休眠調(diào)度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要向直接相鄰節(jié)點(diǎn)廣播SYNC消息。全監(jiān)聽(tīng)周期，保證鄰居發(fā)現(xiàn)避免存在“節(jié)點(diǎn)互相發(fā)現(xiàn)不了對(duì)方”SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)40一個(gè)周期內(nèi)有睡眠和監(jiān)聽(tīng)兩種狀態(tài)SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)SMAC協(xié)議將監(jiān)聽(tīng)時(shí)間分為兩段發(fā)送/接收SYNC包發(fā)送/接收RTS和接收/發(fā)送CTS41SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)SMAC協(xié)議將監(jiān)聽(tīng)時(shí)SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)發(fā)送數(shù)據(jù)的3種可能情形42圖3-2接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的關(guān)系SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)發(fā)送數(shù)據(jù)的3種可SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-自適應(yīng)監(jiān)聽(tīng)多跳通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的周期性休眠會(huì)導(dǎo)致通信延遲的累加流量自適應(yīng)監(jiān)聽(tīng)機(jī)制：在一次通信過(guò)程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居在此次通信結(jié)束后喚醒并保持監(jiān)聽(tīng)一段時(shí)間；如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間接收到RTS幀，則可以立即接收數(shù)據(jù)，而不需要等到下一個(gè)監(jiān)聽(tīng)周期。優(yōu)點(diǎn)：減少了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸延遲43SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-自適應(yīng)監(jiān)聽(tīng)多跳通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的周期SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)--消息沖突與串?dāng)_避免SMAC協(xié)議中，在RTS/CTS幀中都帶有目的地址和本次通信的持續(xù)時(shí)間信息節(jié)點(diǎn)接收到RTS/CTS幀后，如果發(fā)現(xiàn)目的地址不是自己的地址節(jié)點(diǎn)馬上進(jìn)入睡眠狀態(tài)將此次鄰居節(jié)點(diǎn)間通信的持續(xù)時(shí)間存儲(chǔ)到本地的網(wǎng)絡(luò)分配向量(NAV)中NAV會(huì)隨著本地時(shí)鐘的運(yùn)行遞減在NAV值非零期間節(jié)點(diǎn)都處于睡眠狀態(tài)44SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)--消息沖突與串?dāng)_避免SMAC協(xié)議中，在SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)--長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制將長(zhǎng)的信息包分成若干個(gè)短的DATA段所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分組占用信道每個(gè)DATA都有ACK保障傳輸成功當(dāng)一個(gè)分段沒(méi)有收到ACK響應(yīng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)便自動(dòng)將信道預(yù)留向后延長(zhǎng)一個(gè)分段傳輸時(shí)間，并重傳該分段。整個(gè)傳輸過(guò)程中DATA和ACK都帶有通信剩余時(shí)間信息，鄰居節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)此時(shí)間信息避免串?dāng)_。45SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)--長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制將長(zhǎng)的信息包分成若干個(gè)SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)----長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制發(fā)送長(zhǎng)信息時(shí)存在的問(wèn)題：幾個(gè)比特錯(cuò)誤造成重傳簡(jiǎn)單地將長(zhǎng)包分段，RTS/CTS的使用形成過(guò)多的控制開(kāi)銷(xiāo)46SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)----長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制發(fā)送長(zhǎng)信息時(shí)存在的SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)----長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制SMAC提出了“消息傳遞”機(jī)制：將長(zhǎng)的信息包分成若干個(gè)短的DATA段所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分組占用信道每個(gè)DATA都有ACK保障傳輸成功當(dāng)一個(gè)分段沒(méi)有收到ACK響應(yīng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)便自動(dòng)將信道預(yù)留向后延長(zhǎng)一個(gè)分段傳輸時(shí)間，并重傳該分段。整個(gè)傳輸過(guò)程中DATA和ACK都帶有通信剩余時(shí)間信息，鄰居節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)此時(shí)間信息避免串?dāng)_。47SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)----長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制SMAC提出了“消SMAC協(xié)議優(yōu)點(diǎn)：1.減少了節(jié)點(diǎn)空閑監(jiān)聽(tīng)的能量損耗2.減少了串?dāng)_和控制數(shù)據(jù)包帶來(lái)的能量損耗擾避免機(jī)制長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制缺點(diǎn)：額外的延遲，減小了系統(tǒng)吞吐量48SMAC協(xié)議優(yōu)點(diǎn)：4849WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型SMACSDEANA混合型Funneling-MAC49WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型SMACSDEATMAC協(xié)議(TimeoutMAC)SMAC協(xié)議缺陷：偵聽(tīng)/休眠調(diào)度占空比固定，不能很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化。偵聽(tīng)和休眠的時(shí)間的合理長(zhǎng)度與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大小有關(guān)50TMAC協(xié)議(TimeoutMAC)SMAC協(xié)議缺陷：偵聽(tīng)TMAC協(xié)議-基本思想圖3?4TMAC基本機(jī)制動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度周期中的活躍時(shí)間長(zhǎng)度各節(jié)點(diǎn)周期性地被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)期 傳送數(shù)據(jù)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)采用RTS-CTS-DATA-ACK的過(guò)程在活動(dòng)期間，可發(fā)送數(shù)據(jù)；如果在TA時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生激活事件則進(jìn)入睡眠在休眠期間，節(jié)點(diǎn)如果有數(shù)據(jù)消息需要發(fā)迭，則必須等到下一個(gè)活動(dòng)期到來(lái)后再進(jìn)行。51Ta:決定了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)調(diào)度周期中進(jìn)行空閑監(jiān)昕的最短時(shí)間。TMAC協(xié)議-基本思想圖3?4TMAC基本機(jī)制動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)TMAC協(xié)議-基本思想T-MAC協(xié)議和S-MAC協(xié)議的休眠機(jī)制比較圖3?4TMAC基本機(jī)制52Ta:決定了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)調(diào)度周期中進(jìn)行空閑監(jiān)聽(tīng)的最短時(shí)間TMAC協(xié)議-基本思想T-MAC協(xié)議和S-MAC協(xié)議的休TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)53周期性監(jiān)聽(tīng)同步延用SMAC協(xié)議思想，周期性廣播SYNC幀節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)后，要監(jiān)聽(tīng)一段時(shí)間如果該時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有接收到SYNC幀，則節(jié)點(diǎn)自行選擇一個(gè)默認(rèn)的調(diào)度方式，并通過(guò)SYNC幀廣播該調(diào)度方式。如果時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收到SYNC幀，則節(jié)點(diǎn)采用該SYNC幀中指明調(diào)度方式如果節(jié)點(diǎn)接收到不同的調(diào)度方式，節(jié)點(diǎn)調(diào)整調(diào)度使用“全監(jiān)聽(tīng)周期”，發(fā)現(xiàn)鄰居TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)53周期性監(jiān)聽(tīng)同步TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)--RTS操作當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀后，如果沒(méi)有接收到相應(yīng)的CTS幀，可能的原因:⑴接收節(jié)點(diǎn)處發(fā)生碰撞，沒(méi)能正確接收RTS幀⑵接收節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS后未收到CTS，應(yīng)再發(fā)送一次RTS，如果仍然未能接收到CTS，則轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。避免：增加傳輸額外的延遲接收節(jié)點(diǎn)已處于偵聽(tīng)，但接收節(jié)點(diǎn)附近發(fā)生碰撞，沒(méi)能正確接收RTS幀；而發(fā)送節(jié)點(diǎn)接著在Ta超時(shí)后進(jìn)入睡眠54TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)--RTS操作當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀后，如TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)RTS操作和Ta的選擇發(fā)送RTS后未收到CTS，應(yīng)再發(fā)送一次RTS，如果仍然未能接收到CTS，則轉(zhuǎn)人睡眠狀態(tài)。避免增加傳輸額外的延遲Ta>競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)間+RTS發(fā)送時(shí)間+CTS準(zhǔn)備時(shí)間55圖5TMAC基本數(shù)據(jù)交換TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)RTS操作和Ta的選擇55圖5TMTMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)可選的串?dāng)_避免機(jī)制通信量較大時(shí)不采用避免增大了碰撞的概率通信量較小時(shí)采用。進(jìn)入休眠，節(jié)約能量56串?dāng)_避免機(jī)制：節(jié)點(diǎn)接收到RTS/CTS幀后，如果發(fā)現(xiàn)目的地址不是本地地址，節(jié)點(diǎn)馬上進(jìn)人休眠狀態(tài)TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)可選的串?dāng)_避免機(jī)制56串?dāng)_避免機(jī)制：TMAC協(xié)議存在的問(wèn)題早睡問(wèn)題節(jié)點(diǎn)在鄰居準(zhǔn)備向其發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入了睡眠狀態(tài)例如：設(shè)節(jié)點(diǎn)AB之間，BC之間，CD之間可以相互通信，假設(shè)將要進(jìn)行的數(shù)據(jù)包的傳輸方向是A-->B和C-->D圖6節(jié)點(diǎn)D早睡問(wèn)題57TMAC協(xié)議存在的問(wèn)題早睡問(wèn)題圖6節(jié)點(diǎn)D早睡問(wèn)題57早睡問(wèn)題解決辦法未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送幀（Futurerequest-to-send,FRTS）當(dāng)節(jié)點(diǎn)C收到B發(fā)給A的CTS后，立即向D發(fā)送一個(gè)FRTS幀F(xiàn)RTS幀包含節(jié)點(diǎn)D接收數(shù)據(jù)前需要等待的時(shí)間長(zhǎng)度，D在此時(shí)間內(nèi)必須保持在監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。由于C發(fā)送的FRTS可能干擾B接收A的數(shù)據(jù)，所以A需要將發(fā)送的數(shù)據(jù)延遲相應(yīng)的時(shí)間。58圖7FRTS幀交換早睡問(wèn)題解決辦法未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送幀（Futurereques競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議的缺點(diǎn)：隨著網(wǎng)絡(luò)通信流量的增加，沖突的可能性都會(huì)增加59競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議的缺點(diǎn)：593.3.2非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議基本思想將一個(gè)物理信道分為多個(gè)子信道將子信道靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地分配給需要通信的節(jié)點(diǎn)，避免沖突根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信流量最大限度地節(jié)省能量?jī)?yōu)點(diǎn)無(wú)沖突無(wú)隱藏終端問(wèn)題易于休眠603.3.2非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議基本思想6061WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型DEANASMACS混合型Funneling-MAC61WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型DEANASMADEANA協(xié)議分布式能量感知節(jié)點(diǎn)激活(DistributedEnergy-AwareNodeActivation,DEANA)協(xié)議是一種基于TDMA的非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)是：減少在一個(gè)特定時(shí)隙內(nèi)非目的接收節(jié)點(diǎn)的能量消耗。62DEANA協(xié)議分布式能量感知節(jié)點(diǎn)激活(DistributedDEANA協(xié)議的時(shí)間幀63DEANA協(xié)議的時(shí)間幀63DEANA協(xié)議的時(shí)間幀“調(diào)度訪問(wèn)”部分由多個(gè)“調(diào)度訪問(wèn)”時(shí)隙組成，其中每個(gè)時(shí)隙都可以分配給特定的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)節(jié)點(diǎn)在其分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)都處于休眠狀態(tài)調(diào)度訪問(wèn)部分由控制時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)隙構(gòu)成64控制時(shí)隙如果節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則先在控制時(shí)隙發(fā)送一個(gè)控制消息，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)控制消息含有目的接收節(jié)點(diǎn)的身份信息在控制時(shí)隙，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的所有相鄰節(jié)點(diǎn)必須處于接收狀態(tài)在得知自己不是數(shù)據(jù)的接收者，則會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)時(shí)隙只有目的接收節(jié)點(diǎn)需處于接收狀態(tài)其他相鄰節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)DEANA協(xié)議的時(shí)間幀“調(diào)度訪問(wèn)”部分64控制時(shí)隙數(shù)據(jù)時(shí)隙DEANA協(xié)議的時(shí)間幀“隨機(jī)訪問(wèn)”部分用于發(fā)送或接收網(wǎng)絡(luò)正常工作所需的其他控制消息時(shí)間同步在隨機(jī)訪問(wèn)期間，所有節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)或接收狀態(tài)65DEANA協(xié)議的時(shí)間幀“隨機(jī)訪問(wèn)”部分65DEANA協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)66DEANA協(xié)議在節(jié)點(diǎn)得知不需要接收數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)人休眠狀態(tài)；避免串音需要所有節(jié)點(diǎn)保持嚴(yán)格的時(shí)鐘同步DEANA協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)66DEANA協(xié)議在節(jié)點(diǎn)得知不需要接收數(shù)67WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型DEANASMACS混合型Funneling-MAC67WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型DEANASMASMACS協(xié)議-基本思想結(jié)合TDMA、FDMA的基本思想要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有“打開(kāi)和關(guān)閉其無(wú)線發(fā)送和接收器，并將其載波頻率調(diào)諧到不同的頻帶上”的能力將每個(gè)雙向信道定義為兩個(gè)時(shí)間段發(fā)現(xiàn)鄰居后立即分配信道每條鏈路都選擇一個(gè)隨機(jī)的通信頻率，相鄰鏈路都有不同的通信頻率68SMACS協(xié)議-基本思想結(jié)合TDMA、FDMA的基本思想6SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)69SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)69SMACS協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)：70鏈路建立SMACS協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)：70鏈路建立鏈路建立引入超幀的概念，用固定參數(shù)Tframe表示在上電后先進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，每發(fā)現(xiàn)一個(gè)鄰居就有一對(duì)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)雙向信道一條鏈路建立方法：在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的超幀中為該鏈路分配一對(duì)時(shí)隙用于雙向通信對(duì)在不同鏈路上的通信，節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)的頻率，減少鄰近鏈路沖突的可能71鏈路建立引入超幀的概念，用固定參數(shù)Tframe表示71舉例：SMACS鏈路建立過(guò)程節(jié)點(diǎn)A和D分別在Td和Ta時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B和C分別在Tb和Tc時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)A和D通信時(shí)隙隨機(jī)選擇頻率fx，B和C通信時(shí)隙隨機(jī)選擇頻率fy圖

3?17異步分配通信72舉例：SMACS鏈路建立過(guò)程節(jié)點(diǎn)A和D分別在Td和Ta時(shí)刻開(kāi)SMACS鏈路建立說(shuō)明由于節(jié)點(diǎn)間鏈路上時(shí)隙的約定彼此獨(dú)立，所以有可能發(fā)生重疊；此時(shí)，如果各個(gè)時(shí)隙工作在同一頻率上就會(huì)發(fā)生沖突。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有多個(gè)頻點(diǎn)可選，在建立鏈路時(shí)都要選擇一個(gè)隨機(jī)的頻點(diǎn)，這就大大減少了沖突發(fā)生的可能性。73SMACS鏈路建立說(shuō)明73SMACS協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)：

鄰居發(fā)現(xiàn)和信道分配

74SMACS協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)：

鄰居發(fā)現(xiàn)舉例：節(jié)點(diǎn)B，C，G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)1)節(jié)點(diǎn)B，C，G在隨機(jī)的時(shí)間段內(nèi)打開(kāi)射頻部分，在一個(gè)固定的頻率監(jiān)聽(tīng)一個(gè)隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)間。75鄰居發(fā)現(xiàn)舉例：節(jié)點(diǎn)B，C，G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)75鄰居發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B，C，G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)：2)如果在此監(jiān)聽(tīng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的邀請(qǐng)消息，那么隨后節(jié)點(diǎn)自己將發(fā)送一個(gè)邀請(qǐng)消息Type176圖節(jié)點(diǎn)C的鄰居發(fā)現(xiàn)過(guò)程鄰居發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B，C，G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)：76圖節(jié)點(diǎn)C的鄰居發(fā)現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B，C，G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)：3)如果節(jié)點(diǎn)B和G接收到C發(fā)出的Type1消息后，等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間，然后各自廣播一個(gè)應(yīng)答消息Type277圖節(jié)點(diǎn)C的鄰居發(fā)現(xiàn)過(guò)程鄰居發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B，C，G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)：77圖節(jié)點(diǎn)C的鄰居發(fā)現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B，C，G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)：4）C收到應(yīng)答消息Type2后，可以選擇最早到達(dá)的應(yīng)答者，也可以選擇接收信號(hào)強(qiáng)度最大的應(yīng)答者。C發(fā)送一個(gè)Type3消息通知哪個(gè)節(jié)點(diǎn)被選為鄰居78圖節(jié)點(diǎn)C的鄰居發(fā)現(xiàn)過(guò)程鄰居發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B，C，G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)：78圖節(jié)點(diǎn)C的鄰居發(fā)現(xiàn)信道分配1）如果節(jié)點(diǎn)C已經(jīng)選擇了鄰居B，將在Type3消息中攜帶自己的超幀中時(shí)隙分配信息79信道分配1）如果節(jié)點(diǎn)C已經(jīng)選擇了鄰居B，將在Type3消信道分配2）節(jié)點(diǎn)B將Type3消息和本地的超幀起始時(shí)間進(jìn)行比較，并找出兩個(gè)共同的空閑時(shí)間段作為時(shí)隙對(duì)，分配給B和C之間的鏈路80信道分配2）節(jié)點(diǎn)B將Type3消息和本地的超幀起始時(shí)間進(jìn)行信道分配3）節(jié)點(diǎn)B選擇一個(gè)隨機(jī)的頻率，將“時(shí)隙對(duì)”在超幀中的位置信息以及選擇的頻點(diǎn)通過(guò)Type4發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C81信道分配3）節(jié)點(diǎn)B選擇一個(gè)隨機(jī)的頻率，將“時(shí)隙對(duì)”在超幀中的SMACS協(xié)議優(yōu)點(diǎn)：不需要集中控制的算法減少了復(fù)雜性減少了空閑監(jiān)聽(tīng)和串?dāng)_，提供了較好的能量效率缺點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)要能提供多個(gè)載波頻率82SMACS協(xié)議優(yōu)點(diǎn)：823.3.3混合型MAC協(xié)議833.3.3混合型MAC協(xié)議8384WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型DEANASMACS混合型Funneling-MAC84WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型DEANASMAFunneling-MAC協(xié)議Funneling-MAC協(xié)議結(jié)合了TDMA協(xié)議和CSMA/CA協(xié)議的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中特有的漏斗現(xiàn)象漏斗現(xiàn)象：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)區(qū)域中所產(chǎn)生的觀測(cè)數(shù)據(jù)以多對(duì)一的模式逐跳向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)所造成的現(xiàn)象。85Funneling-MAC協(xié)議Funneling-MAC協(xié)議漏斗現(xiàn)象匯聚節(jié)點(diǎn)附近幾跳范圍內(nèi)的區(qū)域被稱(chēng)為漏斗區(qū)域(FunnelingRegion)或強(qiáng)度區(qū)域(IntensityRegion。傳感器節(jié)點(diǎn)距離匯聚節(jié)點(diǎn)越近，出錯(cuò)或丟失的分組數(shù)會(huì)越大大大縮短這些節(jié)點(diǎn)的壽命以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間86漏斗現(xiàn)象匯聚節(jié)點(diǎn)附近幾跳范圍內(nèi)的區(qū)域被稱(chēng)為漏斗區(qū)域(FunnFunneling-MAC協(xié)議1.基于純CSMA/CA協(xié)議，CSMA/CA協(xié)議不僅在漏斗區(qū)域內(nèi)采用，而且在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中采用。2.在漏斗區(qū)域內(nèi)采用一種局部的TDMA調(diào)度機(jī)制，向靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)提供附加的調(diào)度機(jī)會(huì)。87Funneling-MAC協(xié)議1.基于純CSMA/CA協(xié)議，說(shuō)明Funneling-MAC協(xié)議是面向匯聚節(jié)點(diǎn)的MAC協(xié)議漏斗區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送的TDMA調(diào)度是由匯聚節(jié)點(diǎn)而不是普通傳感器節(jié)點(diǎn)完成Funneling-MAC協(xié)議是一種局部化MAC協(xié)議只在靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的漏斗區(qū)域內(nèi)而不是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中采用TDMA協(xié)議88說(shuō)明Funneling-MAC協(xié)議是面向匯聚節(jié)點(diǎn)的MAC協(xié)議本章小結(jié)總體來(lái)說(shuō)，TDMA協(xié)議和CSMA協(xié)議是比較適合WSN的基本MAC協(xié)議，許多針對(duì)WSN提出的MAC協(xié)議都是建立在TDMA協(xié)議和CSMA協(xié)議的基礎(chǔ)上。WSN是一種應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，不同的應(yīng)用環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能有不同的要求，對(duì)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)考慮也有較大差別。TDMA優(yōu)點(diǎn)：無(wú)沖突的特性TDMA缺點(diǎn)：產(chǎn)生空閑時(shí)隙CSMA協(xié)議是一種基于競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制高負(fù)載的情況下，沖突概率增大89本章小結(jié)總體來(lái)說(shuō)，TDMA協(xié)議和CSMA協(xié)議是比較適合WSN

第3章無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議90

第3章1傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用的MAC協(xié)議無(wú)法直接所用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)首先考慮網(wǎng)絡(luò)的能量效率91傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用的MAC協(xié)議無(wú)法直接所用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)3.1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的特點(diǎn)無(wú)線信道通信的帶來(lái)的問(wèn)題頻譜資源有限多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)信道時(shí)，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間的相互沖突92必須采用有效的MAC協(xié)議3.1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的特點(diǎn)無(wú)線信道通信的帶來(lái)的93無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的主要特點(diǎn)1.能量效率2.可擴(kuò)展性3.公平性4.傳輸效率4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的主要特點(diǎn)1.能量效率3.1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的分類(lèi)94無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型3.1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的分類(lèi)5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MA95無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式使用信道。如果發(fā)生沖突，節(jié)點(diǎn)按照事先設(shè)定的某種策略重傳數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄。傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)：ALOHA(AdditiveLinkOn-LineHawaiiSyslem)

載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)96競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)ALOHA協(xié)議純ALOHA協(xié)議⑴當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，直接向信道發(fā)送數(shù)據(jù)分組。⑵在發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的情況下，各節(jié)點(diǎn)將對(duì)發(fā)生沖突的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行重發(fā)。但在重傳策略上，等待一段隨機(jī)的時(shí)間，然后再進(jìn)行重發(fā)如果再發(fā)生沖突，則再等待一段隨機(jī)的時(shí)間進(jìn)行重發(fā)，直到發(fā)送成功為止97ALOHA協(xié)議純ALOHA協(xié)議8ALOHA協(xié)議時(shí)隙ALOHA協(xié)議⑴將時(shí)間劃分成一系列固定長(zhǎng)度的時(shí)隙⑵各節(jié)點(diǎn)只能在每個(gè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)98ALOHA協(xié)議時(shí)隙ALOHA協(xié)議9純ALOHA和時(shí)隙ALOHA比較純ALOHA實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單信道利用率較低時(shí)隙ALOHA將信道利用率提高一倍以上要求在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步99純ALOHA和時(shí)隙ALOHA比較純ALOHA10CSMA協(xié)議使用了一個(gè)載波偵聽(tīng)裝置CSMA協(xié)議的類(lèi)型：非堅(jiān)持型1-堅(jiān)持型p-堅(jiān)持型100CSMA協(xié)議使用了一個(gè)載波偵聽(tīng)裝置11非堅(jiān)持CSMA⑴節(jié)點(diǎn)一旦偵聽(tīng)到信道忙或發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，就不再堅(jiān)持偵聽(tīng)，而是根據(jù)協(xié)議的退避算法延遲一段隨機(jī)的時(shí)間后重新開(kāi)始偵聽(tīng)。⑵若偵聽(tīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)信道空閑，則將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。優(yōu)點(diǎn)：提高了信道的利用率、網(wǎng)絡(luò)的吞吐量缺點(diǎn)：無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)信道狀態(tài)的變化101非堅(jiān)持CSMA12堅(jiān)持CSMA協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)先偵聽(tīng)信道當(dāng)偵聽(tīng)到信道忙時(shí)，仍堅(jiān)持偵聽(tīng)，一直偵聽(tīng)到信道空閑為止當(dāng)偵聽(tīng)到信道空閑后，節(jié)點(diǎn)可以采用2種不同的策略發(fā)送數(shù)據(jù)：1-堅(jiān)持CSMAp-堅(jiān)持CSMA1021-堅(jiān)持CSMA以概率1，立即發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)：能夠充分抓緊時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：若有兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在偵聽(tīng)信道，則一旦信道空閑，這些節(jié)點(diǎn)都會(huì)立即發(fā)送數(shù)據(jù)p-堅(jiān)持CSMA以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率(1-p)延遲一段時(shí)間，再重新偵聽(tīng)信道堅(jiān)持CSMA協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)先偵聽(tīng)信道131-堅(jiān)持CSMCSMA/CD協(xié)議103增加沖突檢測(cè)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)：發(fā)生沖突時(shí)，可以使信道很快地空閑下來(lái)缺點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)必須能夠同時(shí)接收和發(fā)送無(wú)線信號(hào)，增加節(jié)點(diǎn)成本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，存在“隱終端問(wèn)題”CSMA/CD協(xié)議14增加沖突檢測(cè)CSMA/CA協(xié)議多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)CSMA/CA在發(fā)送數(shù)據(jù)前，發(fā)送端先向接收端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求發(fā)送報(bào)文(Request-To-Send，RTS)；若信道空閑，接收端就響應(yīng)一個(gè)允許發(fā)送報(bào)文(Clear-To-Send，CTS)；然后開(kāi)始傳送。通過(guò)一個(gè)RTS/CTS握手過(guò)程，可以使收發(fā)雙方的相鄰節(jié)點(diǎn)都能夠了解到信道上即將要進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳送，從而及時(shí)退避，避免發(fā)生沖突。104CSMA/CA協(xié)議多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)15CSMA/CA的改進(jìn)：沖突避免多路接入?yún)f(xié)議

(MultipleAecesswithCollisionAvoidance，MACA)在RTS和CTS報(bào)文中增加了一個(gè)附加的域，用來(lái)指示所需傳送的數(shù)據(jù)量，從而使其他節(jié)點(diǎn)能夠了解所需退避的時(shí)間。105CSMA/CA的改進(jìn)：沖突避免多路接入?yún)f(xié)議

(Multipl無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型106無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型17非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用固定使用信道的方式，將共享信道根據(jù)時(shí)間、頻率或偽噪聲碼劃分成一組子信道，并將這些子信道分配給各節(jié)點(diǎn)，使得每一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有一個(gè)專(zhuān)用的子信道，用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。相互不干擾避免沖突時(shí)分多路接入(TDMA)、頻分多路接入(FDMA)和碼分多路接入(CDMA)協(xié)議107非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議采用固定使用信道的方式，將共享信道根據(jù)時(shí)間時(shí)分多路接入(TDMA)協(xié)議無(wú)線蜂窩系統(tǒng)較高的能量效率缺點(diǎn)僅適用于簇形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)之間嚴(yán)格的時(shí)間同步108時(shí)分多路接入(TDMA)協(xié)議無(wú)線蜂窩系統(tǒng)19頻分多路接入(FDMA)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)保護(hù)頻帶將浪費(fèi)相當(dāng)大的帶寬非常準(zhǔn)確地控制發(fā)送功率109頻分多路接入(FDMA)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單20碼分多路接入(CDMA)協(xié)議采用正交偽隨機(jī)碼劃分共享信道，所有節(jié)點(diǎn)可以在同一個(gè)信道內(nèi)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，但使用不同的偽隨機(jī)碼?？垢蓴_能力強(qiáng)，系統(tǒng)容量較大，終端可以采取較低的發(fā)射功率終端設(shè)計(jì)復(fù)雜，同步精度要求高110碼分多路接入(CDMA)協(xié)議采用正交偽隨機(jī)碼劃分共享信道，所無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以采用非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議TDMADEANE、SMACS、DE-MAC、TRAMA協(xié)議111無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以采用非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議22112無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型23無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型非競(jìng)爭(zhēng)型混合型3.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)共享媒體的訪問(wèn)，避免來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的沖突1133.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)共享媒體的訪3.2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)1.提高能量效率降低“成功傳輸單位數(shù)據(jù)所消耗的能量”2.提高可擴(kuò)展性MAC協(xié)議適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)大小變化的能力3.提高適應(yīng)性適應(yīng)節(jié)點(diǎn)密度和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓哪芰?.提向信道利用率用于有效通信的帶寬利用率1143.2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)1.提高能量效率253.2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)5.降低端到端傳輸遲延。源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)分組到目的節(jié)點(diǎn)，成功接收該分組所經(jīng)歷的遲延。6.提高吞吐量。單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量7.保證公平性公平性是指不同傳感器節(jié)點(diǎn)公平地獲得共享公共傳輸信道的機(jī)會(huì)1153.2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)5.降低端到端傳輸遲延。263.2.2節(jié)能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信是能量消耗最主要的來(lái)源100m的距離上發(fā)送1kbit的數(shù)據(jù)需要消耗3J的能量一個(gè)具有每秒處理100萬(wàn)條指令能力的通用處理器用3J能量能夠處理300萬(wàn)條指令傳感器節(jié)點(diǎn)要先利用其處理能力先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部、簡(jiǎn)單的處理，然后再將經(jīng)過(guò)部分處理后的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)1163.2.2節(jié)能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信是能量消耗最主要的來(lái)源27MAC層能量浪費(fèi)的主要來(lái)源1.沖突分組出錯(cuò)或丟失重傳分組2.串音傳感器節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)的分組數(shù)據(jù)或消息117MAC層能量浪費(fèi)的主要來(lái)源1.沖突283.空閑偵聽(tīng)為了接收可能來(lái)到的數(shù)據(jù)，偵聽(tīng)無(wú)線信道，而網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際上并沒(méi)有數(shù)據(jù)在傳送IEEE802.112Mbit/s，空閑偵聽(tīng)、接收、發(fā)送所消耗的能量比率為1:2:2.54.控制開(kāi)銷(xiāo)1183.空閑偵聽(tīng)291193.2.3MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)303.2.3MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)在傳感器節(jié)點(diǎn)中，無(wú)線通信模塊的狀態(tài)：發(fā)送、接收、偵聽(tīng)和休眠單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量依次遞減為了保證節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)地接收到發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議通常采用“偵聽(tīng)/休眠”交替的機(jī)制訪問(wèn)無(wú)線信道120節(jié)點(diǎn)的休眠調(diào)度問(wèn)題在傳感器節(jié)點(diǎn)中，無(wú)線通信模塊的狀態(tài)：發(fā)送、接收、偵聽(tīng)和休眠節(jié)點(diǎn)的休眠調(diào)度問(wèn)題要解決的問(wèn)題每個(gè)周期偵聽(tīng)多次時(shí)間偵聽(tīng)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，能量浪費(fèi);偵聽(tīng)時(shí)間過(guò)短，增大傳輸遲延需要協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)和休眠周期，使收發(fā)節(jié)點(diǎn)保持同步，避免節(jié)點(diǎn)在休眠時(shí)錯(cuò)過(guò)發(fā)送給它的數(shù)據(jù)121節(jié)點(diǎn)的休眠調(diào)度問(wèn)題要解決的問(wèn)題32協(xié)議的復(fù)雜度問(wèn)題如果協(xié)議設(shè)計(jì)得過(guò)于復(fù)雜，這種協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)就會(huì)非常大，將造成很大的能量浪費(fèi)122協(xié)議的復(fù)雜度問(wèn)題如果協(xié)議設(shè)計(jì)得過(guò)于復(fù)雜，這種協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)就會(huì)非常復(fù)雜度與性能間的折中問(wèn)題在復(fù)雜度與性能之間尋找最佳折中方案123復(fù)雜度與性能間的折中問(wèn)題在復(fù)雜度與性能之間尋找最佳折中方案3性能指標(biāo)間的折中問(wèn)題為了降低功耗，可能會(huì)增大消息或數(shù)據(jù)的遲延124性能指標(biāo)間的折中問(wèn)題為了降低功耗，可能會(huì)增大消息或數(shù)據(jù)的遲延3.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議1253.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議363.3.1競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議126WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型SMACSDEANA混合型Funneling-MAC3.3.1競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議37WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MA127WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型SMACSDEANA混合型Funneling-MAC38WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型SMACSDEASMAC協(xié)議(SensorMAC)802.11MAC協(xié)議+能量效率SMAC協(xié)議基本思想周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)串?dāng)_避免長(zhǎng)消息傳遞128SMAC協(xié)議(SensorMAC)802.11MAC協(xié)議一個(gè)周期內(nèi)有睡眠和監(jiān)聽(tīng)兩種狀態(tài)節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同，保持監(jiān)聽(tīng)同步調(diào)度方式：節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)和睡眠的時(shí)間表相鄰節(jié)點(diǎn)間盡可能“同時(shí)監(jiān)聽(tīng)、同時(shí)休眠”為了建立協(xié)調(diào)或同步的休眠調(diào)度，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要向直接相鄰節(jié)點(diǎn)廣播SYNC消息。全監(jiān)聽(tīng)周期，保證鄰居發(fā)現(xiàn)避免存在“節(jié)點(diǎn)互相發(fā)現(xiàn)不了對(duì)方”SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)129一個(gè)周期內(nèi)有睡眠和監(jiān)聽(tīng)兩種狀態(tài)SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)SMAC協(xié)議將監(jiān)聽(tīng)時(shí)間分為兩段發(fā)送/接收SYNC包發(fā)送/接收RTS和接收/發(fā)送CTS130SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)SMAC協(xié)議將監(jiān)聽(tīng)時(shí)SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)發(fā)送數(shù)據(jù)的3種可能情形131圖3-2接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的關(guān)系SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)發(fā)送數(shù)據(jù)的3種可SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-自適應(yīng)監(jiān)聽(tīng)多跳通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的周期性休眠會(huì)導(dǎo)致通信延遲的累加流量自適應(yīng)監(jiān)聽(tīng)機(jī)制：在一次通信過(guò)程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居在此次通信結(jié)束后喚醒并保持監(jiān)聽(tīng)一段時(shí)間；如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間接收到RTS幀，則可以立即接收數(shù)據(jù)，而不需要等到下一個(gè)監(jiān)聽(tīng)周期。優(yōu)點(diǎn)：減少了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸延遲132SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)-自適應(yīng)監(jiān)聽(tīng)多跳通信網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的周期SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)--消息沖突與串?dāng)_避免SMAC協(xié)議中，在RTS/CTS幀中都帶有目的地址和本次通信的持續(xù)時(shí)間信息節(jié)點(diǎn)接收到RTS/CTS幀后，如果發(fā)現(xiàn)目的地址不是自己的地址節(jié)點(diǎn)馬上進(jìn)入睡眠狀態(tài)將此次鄰居節(jié)點(diǎn)間通信的持續(xù)時(shí)間存儲(chǔ)到本地的網(wǎng)絡(luò)分配向量(NAV)中NAV會(huì)隨著本地時(shí)鐘的運(yùn)行遞減在NAV值非零期間節(jié)點(diǎn)都處于睡眠狀態(tài)133SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)--消息沖突與串?dāng)_避免SMAC協(xié)議中，在SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)--長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制將長(zhǎng)的信息包分成若干個(gè)短的DATA段所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分組占用信道每個(gè)DATA都有ACK保障傳輸成功當(dāng)一個(gè)分段沒(méi)有收到ACK響應(yīng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)便自動(dòng)將信道預(yù)留向后延長(zhǎng)一個(gè)分段傳輸時(shí)間，并重傳該分段。整個(gè)傳輸過(guò)程中DATA和ACK都帶有通信剩余時(shí)間信息，鄰居節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)此時(shí)間信息避免串?dāng)_。134SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)--長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制將長(zhǎng)的信息包分成若干個(gè)SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)----長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制發(fā)送長(zhǎng)信息時(shí)存在的問(wèn)題：幾個(gè)比特錯(cuò)誤造成重傳簡(jiǎn)單地將長(zhǎng)包分段，RTS/CTS的使用形成過(guò)多的控制開(kāi)銷(xiāo)135SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)----長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制發(fā)送長(zhǎng)信息時(shí)存在的SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)----長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制SMAC提出了“消息傳遞”機(jī)制：將長(zhǎng)的信息包分成若干個(gè)短的DATA段所有DATA使用一次“RTS/CTS”控制分組占用信道每個(gè)DATA都有ACK保障傳輸成功當(dāng)一個(gè)分段沒(méi)有收到ACK響應(yīng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)便自動(dòng)將信道預(yù)留向后延長(zhǎng)一個(gè)分段傳輸時(shí)間，并重傳該分段。整個(gè)傳輸過(guò)程中DATA和ACK都帶有通信剩余時(shí)間信息，鄰居節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)此時(shí)間信息避免串?dāng)_。136SMAC協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)----長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制SMAC提出了“消SMAC協(xié)議優(yōu)點(diǎn)：1.減少了節(jié)點(diǎn)空閑監(jiān)聽(tīng)的能量損耗2.減少了串?dāng)_和控制數(shù)據(jù)包帶來(lái)的能量損耗擾避免機(jī)制長(zhǎng)消息傳遞機(jī)制缺點(diǎn)：額外的延遲，減小了系統(tǒng)吞吐量137SMAC協(xié)議優(yōu)點(diǎn)：48138WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型SMACSDEANA混合型Funneling-MAC49WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型SMACSDEATMAC協(xié)議(TimeoutMAC)SMAC協(xié)議缺陷：偵聽(tīng)/休眠調(diào)度占空比固定，不能很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的變化。偵聽(tīng)和休眠的時(shí)間的合理長(zhǎng)度與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大小有關(guān)139TMAC協(xié)議(TimeoutMAC)SMAC協(xié)議缺陷：偵聽(tīng)TMAC協(xié)議-基本思想圖3?4TMAC基本機(jī)制動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度周期中的活躍時(shí)間長(zhǎng)度各節(jié)點(diǎn)周期性地被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)期 傳送數(shù)據(jù)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)采用RTS-CTS-DATA-ACK的過(guò)程在活動(dòng)期間，可發(fā)送數(shù)據(jù)；如果在TA時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生激活事件則進(jìn)入睡眠在休眠期間，節(jié)點(diǎn)如果有數(shù)據(jù)消息需要發(fā)迭，則必須等到下一個(gè)活動(dòng)期到來(lái)后再進(jìn)行。140Ta:決定了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)調(diào)度周期中進(jìn)行空閑監(jiān)昕的最短時(shí)間。TMAC協(xié)議-基本思想圖3?4TMAC基本機(jī)制動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)TMAC協(xié)議-基本思想T-MAC協(xié)議和S-MAC協(xié)議的休眠機(jī)制比較圖3?4TMAC基本機(jī)制141Ta:決定了每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)調(diào)度周期中進(jìn)行空閑監(jiān)聽(tīng)的最短時(shí)間TMAC協(xié)議-基本思想T-MAC協(xié)議和S-MAC協(xié)議的休TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)142周期性監(jiān)聽(tīng)同步延用SMAC協(xié)議思想，周期性廣播SYNC幀節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)后，要監(jiān)聽(tīng)一段時(shí)間如果該時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有接收到SYNC幀，則節(jié)點(diǎn)自行選擇一個(gè)默認(rèn)的調(diào)度方式，并通過(guò)SYNC幀廣播該調(diào)度方式。如果時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)接收到SYNC幀，則節(jié)點(diǎn)采用該SYNC幀中指明調(diào)度方式如果節(jié)點(diǎn)接收到不同的調(diào)度方式，節(jié)點(diǎn)調(diào)整調(diào)度使用“全監(jiān)聽(tīng)周期”，發(fā)現(xiàn)鄰居TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)53周期性監(jiān)聽(tīng)同步TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)--RTS操作當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀后，如果沒(méi)有接收到相應(yīng)的CTS幀，可能的原因:⑴接收節(jié)點(diǎn)處發(fā)生碰撞，沒(méi)能正確接收RTS幀⑵接收節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS后未收到CTS，應(yīng)再發(fā)送一次RTS，如果仍然未能接收到CTS，則轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。避免：增加傳輸額外的延遲接收節(jié)點(diǎn)已處于偵聽(tīng)，但接收節(jié)點(diǎn)附近發(fā)生碰撞，沒(méi)能正確接收RTS幀；而發(fā)送節(jié)點(diǎn)接著在Ta超時(shí)后進(jìn)入睡眠143TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)--RTS操作當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS幀后，如TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)RTS操作和Ta的選擇發(fā)送RTS后未收到CTS，應(yīng)再發(fā)送一次RTS，如果仍然未能接收到CTS，則轉(zhuǎn)人睡眠狀態(tài)。避免增加傳輸額外的延遲Ta>競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)間+RTS發(fā)送時(shí)間+CTS準(zhǔn)備時(shí)間144圖5TMAC基本數(shù)據(jù)交換TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)RTS操作和Ta的選擇55圖5TMTMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)可選的串?dāng)_避免機(jī)制通信量較大時(shí)不采用避免增大了碰撞的概率通信量較小時(shí)采用。進(jìn)入休眠，節(jié)約能量145串?dāng)_避免機(jī)制：節(jié)點(diǎn)接收到RTS/CTS幀后，如果發(fā)現(xiàn)目的地址不是本地地址，節(jié)點(diǎn)馬上進(jìn)人休眠狀態(tài)TMAC協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)可選的串?dāng)_避免機(jī)制56串?dāng)_避免機(jī)制：TMAC協(xié)議存在的問(wèn)題早睡問(wèn)題節(jié)點(diǎn)在鄰居準(zhǔn)備向其發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入了睡眠狀態(tài)例如：設(shè)節(jié)點(diǎn)AB之間，BC之間，CD之間可以相互通信，假設(shè)將要進(jìn)行的數(shù)據(jù)包的傳輸方向是A-->B和C-->D圖6節(jié)點(diǎn)D早睡問(wèn)題146TMAC協(xié)議存在的問(wèn)題早睡問(wèn)題圖6節(jié)點(diǎn)D早睡問(wèn)題57早睡問(wèn)題解決辦法未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送幀（Futurerequest-to-send,FRTS）當(dāng)節(jié)點(diǎn)C收到B發(fā)給A的CTS后，立即向D發(fā)送一個(gè)FRTS幀F(xiàn)RTS幀包含節(jié)點(diǎn)D接收數(shù)據(jù)前需要等待的時(shí)間長(zhǎng)度，D在此時(shí)間內(nèi)必須保持在監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。由于C發(fā)送的FRTS可能干擾B接收A的數(shù)據(jù)，所以A需要將發(fā)送的數(shù)據(jù)延遲相應(yīng)的時(shí)間。147圖7FRTS幀交換早睡問(wèn)題解決辦法未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送幀（Futurereques競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議的缺點(diǎn)：隨著網(wǎng)絡(luò)通信流量的增加，沖突的可能性都會(huì)增加148競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議的缺點(diǎn)：593.3.2非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議基本思想將一個(gè)物理信道分為多個(gè)子信道將子信道靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地分配給需要通信的節(jié)點(diǎn)，避免沖突根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信流量最大限度地節(jié)省能量?jī)?yōu)點(diǎn)無(wú)沖突無(wú)隱藏終端問(wèn)題易于休眠1493.3.2非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議基本思想60150WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型DEANASMACS混合型Funneling-MAC61WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型DEANASMADEANA協(xié)議分布式能量感知節(jié)點(diǎn)激活(DistributedEnergy-AwareNodeActivation,DEANA)協(xié)議是一種基于TDMA的非競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議設(shè)計(jì)目標(biāo)是：減少在一個(gè)特定時(shí)隙內(nèi)非目的接收節(jié)點(diǎn)的能量消耗。151DEANA協(xié)議分布式能量感知節(jié)點(diǎn)激活(DistributedDEANA協(xié)議的時(shí)間幀152DEANA協(xié)議的時(shí)間幀63DEANA協(xié)議的時(shí)間幀“調(diào)度訪問(wèn)”部分由多個(gè)“調(diào)度訪問(wèn)”時(shí)隙組成，其中每個(gè)時(shí)隙都可以分配給特定的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)節(jié)點(diǎn)在其分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)都處于休眠狀態(tài)調(diào)度訪問(wèn)部分由控制時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)隙構(gòu)成153控制時(shí)隙如果節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則先在控制時(shí)隙發(fā)送一個(gè)控制消息，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)控制消息含有目的接收節(jié)點(diǎn)的身份信息在控制時(shí)隙，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的所有相鄰節(jié)點(diǎn)必須處于接收狀態(tài)在得知自己不是數(shù)據(jù)的接收者，則會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)時(shí)隙只有目的接收節(jié)點(diǎn)需處于接收狀態(tài)其他相鄰節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)DEANA協(xié)議的時(shí)間幀“調(diào)度訪問(wèn)”部分64控制時(shí)隙數(shù)據(jù)時(shí)隙DEANA協(xié)議的時(shí)間幀“隨機(jī)訪問(wèn)”部分用于發(fā)送或接收網(wǎng)絡(luò)正常工作所需的其他控制消息時(shí)間同步在隨機(jī)訪問(wèn)期間，所有節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)或接收狀態(tài)154DEANA協(xié)議的時(shí)間幀“隨機(jī)訪問(wèn)”部分65DEANA協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)155DEANA協(xié)議在節(jié)點(diǎn)得知不需要接收數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)人休眠狀態(tài)；避免串音需要所有節(jié)點(diǎn)保持嚴(yán)格的時(shí)鐘同步DEANA協(xié)議優(yōu)缺點(diǎn)66DEANA協(xié)議在節(jié)點(diǎn)得知不需要接收數(shù)156WSNMAC協(xié)議競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型DEANASMACS混合型Funneling-MAC67WSN競(jìng)爭(zhēng)型S-MACT-MAC非競(jìng)爭(zhēng)型DEANASMASMACS協(xié)議-基本思想結(jié)合TDMA、FDMA的基本思想要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有“打開(kāi)和關(guān)閉其無(wú)線發(fā)送和接收器，并將其載波頻率調(diào)諧到不同的頻帶上”的能力將每個(gè)雙向信道定義為兩個(gè)時(shí)間段發(fā)現(xiàn)鄰居后立即分配信道每條鏈路都選擇一個(gè)隨機(jī)的通信頻率，相鄰鏈路都有不同的通信頻率157SMACS協(xié)議-基本思想結(jié)合TDMA、FDMA的基本思想6SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)158SMACS協(xié)議-關(guān)鍵技術(shù)69SMACS協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)：159鏈路建立SMACS協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)：70鏈路建立鏈路建立引入超幀的概念，用固定參數(shù)Tframe表示在上電后先進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，每發(fā)現(xiàn)一個(gè)鄰居就有一對(duì)節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)雙向信道一條鏈路建立方法：在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的超幀中為該鏈路分配一對(duì)時(shí)隙用于雙向通信對(duì)在不同鏈路上的通信，節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)的頻率，減少鄰近鏈路沖突的可能160鏈路建立引入超幀的概念，用固定參數(shù)Tframe表示71舉例：SMACS鏈路建立過(guò)程節(jié)點(diǎn)A和D分別在Td和Ta時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)B