WSN第3章 MAC协议.ppt

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1、第三章无线传感器网络MAC协议3.1概述3.2基于竞争的MAC协议3.3基于调度的MAC协议3.4混合MAC协议3.5小节13.1概述3.1.1需求与设计上的限制3.1.2MAC协议设计面临的问题3.1.3信道接入机制分类3.1.1需求与设计上的限制在无线传感器网络中，介质访问控制（mediumaccesscontrol，MAC）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。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议

2、之一。传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个节点的功能比较弱，而传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。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。隐藏终端和暴露终端问题CSMA/CD协议频率分配引起的碰撞问题3.1.1需求与设计上的限制（2）隐藏终端和暴露终端问题3.1.1需求与设计上的限制（3）在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：（1）节省能量。（2）可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断变化，节点位置也可能移

3、动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。（3）网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。(4)算法复杂度。MAC协议要具备上述特点，众多节点协同完成应用任务，必然增加算法的复杂度。由于无线传感器网络的节点计算能力和存储能力受限，MAC协议应该根据应用需要，在复杂度和上述性能之间取得折中。(5)与其他层协议的协同。无线传感器网络应用的特殊性对各层协议都提出了一些共同的要求，如能量效率、可扩展性、网络效率等，研究MAC协议与其他层协

4、议的协同问题，通过跨层设计而获得系统整体的性能优化3.1.2MAC协议设计面临的问题①空闲监听：因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损耗；②冲突（碰撞）：如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败，发送包被丢弃。此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉③控制开销：为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS，虽然没有数据在其中，但是我们必须消耗一定的能量来发送它们；④串扰（串音）：出于无线信道为共享介质，因此，节点也可以接收到不是到达自

5、己的数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费。3.1.3信道接入机制分类可以根据MAC协议使用的信道数目分为基于单信道、基于双信道和基于多信道三类；可以根据MAC协议分配信道方式分为按需分配型、固定分配型以及混合型；可以根据网络类型是同步网络还是异步网络，将MAC协议分为同步、异步两类。各种MAC协议方案的比较协议方案出现时间类型需要精确同步信道接入机制SMAC2002竞争型否CSMATMAC2003竞争型否CSMAPMAC2005竞争型否CSMAWiseMAC2004竞争型否CSMASift2003竞争型否CSMASMACS2000分

6、配性是TDMA/FDMATRAMA2003分配性是TDMA/CSMADMAC2004分配性是TDMA/SlotedALOHAZMAC2005混合性是TDMA/CSMA3.2基于竞争的MAC协议3.2.1802.11MAC协议3.2.2SMAC协议3.2.3TMAC协议3.2.4WiseMAC协议3.2.5Sift协议基于竞争的MAC协议有如下优点：①由于基于竞争的MAC协议是根据需要分配信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化；②基于竞争的MAC协议能较好地适应网络拓扑的变化；③基于竞争的MAC协议不需要复杂的时间同步或集中控制调

7、度算法3.2.1802.11协议IEEE802.11MAC协议有分布式协调DCF和点协调（pointcoordinationfunction，PCF）两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11协议的基本访问控制方式。在DCF工作方式下，节点在侦听到无线信道忙之后，采用CSMA/CA机制和随机退避时间，实现无线信道的共享。另外，所有定向通信都采用立即的主动确认（ACK帧）机制：如果没有收到ACK帧，则发送方会重传数据。PCF工作方式是基于优先级的无竞争访问，是一种可选的控制方式。它通过访问接入点（accesspoint，AP）协调节点

8、的数据收发，通过轮询方式查询当前哪些节点有数据发送的请求，并在必要时给予数据发送权RTS请求发送分组CTS清除发送分组NAV网络分配矢量三种帧间间隔三