信息与通信MAC层协议.pptx

概述概述在无线传感器网络中，介质访问控制（在无线传感器网络中，介质访问控制（medium access controlmedium access control，MACMAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配）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。构。MACMAC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之一。议之一。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作实现的。多点通信在局部范围需要 MACMAC协议协调其间的无线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。信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。概述概述在设计无线传感器网络的在设计无线传感器网络的MACMAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：协议时，需要着重考虑以下几个方面：（1 1）节省能量。）节省能量。（2 2）可扩展性。）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，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线传感化，节点位置也可能移动，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。器网络的拓扑结构具有动态性。MACMAC协议也应具有可扩展性，以适应这种协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。动态变化的拓扑结构。（3 3）网络效率。）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。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)(4)算法复杂度。算法复杂度。MACMAC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，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，MACMAC协议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。应该根据应用需要，在复杂度和上述性能之间取得折中。(5)(5)与其他层协议的协同。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，研究能量效率、可扩展性、网络效率等，研究MACMAC协议与其他层协议的协同问协议与其他层协议的协同问题，通过跨层设计而获得系统整体的性能优化题，通过跨层设计而获得系统整体的性能优化 概述概述MAC协议设计面临的问题：协议设计面临的问题：空闲监听：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；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；冲突（碰撞）：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控制开销：控制开销：为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS，虽然没有，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；数据在其中，但是我们必须消耗一定的能量来发送它们；串扰（串音）：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己的数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己的数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费。据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费。概述概述概述概述按照信道分配方式，按照信道分配方式，MAC协议可以分为：协议可以分为：基于竞争的基于竞争的MAC协议协议基于基于TDMA机制的机制的MAC协议协议其他类型的其他类型的MAC协议协议概述概述 概述概述基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议基于竞争的基于竞争的MACMAC协议有如下优点：协议有如下优点：由于基于竞争的由于基于竞争的MACMAC协议是根据需要分配信道，所以这种协议能较好地满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；足节点数量和网络负载的变化；基于竞争的基于竞争的MACMAC协议能较好地适应网络拓扑的变化；协议能较好地适应网络拓扑的变化；基于竞争的基于竞争的MACMAC协议不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法协议不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法基基于于竞竞争争的的MACMAC协协议议访访问问无无线线信信道道的的方方式式是是按按需需随随机机访访问问信信道道，基基本本思思想想是是当当节节点点需需要要发发送送数数据据时时，就就竞竞争争访访问问信信道道，若若竞竞争争成成功功则则开开始始发发送送数数据据，若若产产生生了了数据碰撞，就按照一定的重发策略开始数据重发流程。数据碰撞，就按照一定的重发策略开始数据重发流程。IEEE802.11MAC协协议议有有分分布布式式协协调调DCF和和点点协协调调PCF两两种种访访问问控控制制方方式式，其其中中DCF方方式式是是IEEE802.11协协议议的的基基本本访访问问控控制制方式。方式。在在DCF工工作作方方式式下下，节节点点在在侦侦听听到到无无线线信信道道忙忙之之后后，采采用用 CSMA/CA机机制制和和随随机机退退避避时时间间，实实现现无无线线信信道道的的共共享享。另另外外，所所有有定定向向通通信信都都采采用用立立即即的的主主动动确确认认（ACK帧帧）机机制制，如如果果没没有收到有收到ACK帧，则发送方会重传数据。帧，则发送方会重传数据。PCF工工作作方方式式是是基基于于优优先先级级的的无无竞竞争争访访问问，是是一一种种可可选选的的控控制制方方式式。它它通通过过访访问问接接入入点点（access point，AP）协协调调节节点点的的数数据据收收发发，通通过过轮轮询询方方式式查查询询当当前前哪哪些些节节点点有有数数据据发发送送的的请请求求，并在必要时给予数据发送权并在必要时给予数据发送权。基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议-IEEE802.11MAC-IEEE802.11MAC协议协议 DCF模式下，没有进行集中控制的访问接入点，节点独立运行模式下，没有进行集中控制的访问接入点，节点独立运行协议，采用协议，采用CSMA/CA机制实现无线信道的共享。机制实现无线信道的共享。CSMA/CA中中有两个关键点有两个关键点:如何通过载波侦听确定无线信道的状态如何通过载波侦听确定无线信道的状态;另一个是侦听到信道空闲后，为了减少碰撞，采用什么样的无另一个是侦听到信道空闲后，为了减少碰撞，采用什么样的无线信道访问机制。线信道访问机制。基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议-IEEE802.11 MAC-IEEE802.11 MAC协议协议解决第一个问题解决第一个问题:如何通过载波侦听确定无线信道的状态如何通过载波侦听确定无线信道的状态 IEEE802.11MAC中的载波侦听有物理载波侦听和虚拟载波侦听中的载波侦听有物理载波侦听和虚拟载波侦听两种侦听方式，前者由物理层提供，后者由两种侦听方式，前者由物理层提供，后者由MAC层提供，我们层提供，我们研究的是研究的是MAC协议，所以只讨论虚拟载波侦听。协议，所以只讨论虚拟载波侦听。IEEE802.HMAC协议中的帧分为四种协议中的帧分为四种:RTS(RequestTosend，请求帧，请求帧)、CTS(ClearTosend，清除帧，清除帧)、ACK(Acknowledge，确认帧，确认帧)DATA(数据帧数据帧)，虚拟载波侦听是通过虚拟载波侦听是通过RTS/CTS帧来实现的。帧来实现的。RTS/CTS帧中都帧中都 有一个字段表示本次数据交换还需要多长时间才能完成，这个有一个字段表示本次数据交换还需要多长时间才能完成，这个字段叫做字段叫做NAV(NetworkAllocationVector，网络分配矢量，网络分配矢量，)。基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议-IEEE802.11 MAC-IEEE802.11 MAC协议协议ABDCRTSRTSCTSCTSCTS发送RTS帧目 的地 比较，符 合发 送CTS帧不是目的节点，修改RTS帧NAV字段目的地址符合开始发送数据DATA不是目的地址，修改NAV字段基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议-IEEE802.11 MAC-IEEE802.11 MAC协议协议解决第二个问题解决第二个问题:侦听到信道空闲后，为了减少碰撞，采用什么样侦听到信道空闲后，为了减少碰撞，采用什么样的无线信道访问机制。的无线信道访问机制。三种帧间间隔分别为：三种帧间间隔分别为：（1）SIFS（shortIFS）：最短帧间间隔。使用）：最短帧间间隔。使用 SIFS的帧的帧优先优先级最高级最高，用于需要立即响应的服务，如，用于需要立即响应的服务，如ACK帧、帧、CTS帧和控制帧和控制帧等。帧等。（2）PIFS（PCFIFS）：）：PCF方式下节点使用的帧间间隔，用方式下节点使用的帧间间隔，用以获得在无竞争访问周期启动时访问信道的优先权。以获得在无竞争访问周期启动时访问信道的优先权。（3）DIFS（DCFIFS）：）：DCF方式下节点使用的帧间间隔，用方式下节点使用的帧间间隔，用以发送数据帧和管理帧。以发送数据帧和管理帧。上述各帧间间隔满足关系：上述各帧间间隔满足关系：DIFSPIFSSIFS。基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议-IEEE802.11 MAC-IEEE802.11 MAC协议协议基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议-IEEE802.11 MAC-IEEE802.11 MAC协议协议CSMA/CACSMA/CA的基本的基本访问机制访问机制：当节点需要发送数据时，首先侦听信道状态，若信道状态为空当节点需要发送数据时，首先侦听信道状态，若信道状态为空闲，并且经过闲，并且经过DIFSDIFS后信道仍然空闲，则节点开始发送数据后信道仍然空闲，则节点开始发送数据;若经过若经过DIFSDIFS时间后信道忙，则节点等待信道再次空闲，然后再时间后信道忙，则节点等待信道再次空闲，然后再持续侦听持续侦听DIFSDIFS的时间，若在此期间一直空闲，节点就使用二进的时间，若在此期间一直空闲，节点就使用二进制退避算法进入退避状态以此避免碰撞制退避算法进入退避状态以此避免碰撞 802.11MAC退避机制：节节点点使使用用二二进进制制退退避避算算法法确确定定好好退退避避时时间间后后，启启动动退退避避定定时时器器并进入退避状态。并进入退避状态。在在退退避避状状态态下下，若若信信道道空空闲闲则则进进行行计计时时，当当退退避避定定时时器器计计时时达达到退避时间后结束退避状态到退避时间后结束退避状态;若若在在达达到到退退避避时时间间前前信信道道忙忙，则则中中止止退退避避计计时时器器中中止止并并继继续续侦侦听听信信道道，直直到到信信道道持持续续空空闲闲DIFSDIFS后后再再继继续续退退避避定定时时器器的的计计时时，退避状态结束后，节点就接入信道开始发送数据。退避状态结束后，节点就接入信道开始发送数据。若若多多个个节节点点都都进进入入退退避避阶阶段段，则则退退避避时时间间最最小小的的节节点点将将会会成成功功竞竞争争信信道道，通通过过这这种种退退避避算算法法接接入入信信道道，能能够够减减少少节节点点间间数数据据碰撞的机率。碰撞的机率。基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议-IEEE802.11 MAC-IEEE802.11 MAC协议协议基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议-IEEE802.11 MAC-IEEE802.11 MAC协议协议随机退避时间计算：退避时间=Random（）aSlottime 802.11MAC退避机制基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议SMACSMAC协议协议 SMAC(Sensor SMAC(Sensor MAC)MAC)协协议议是是基基于于IEEE802.11MACIEEE802.11MAC并并针针对对节节能能问问题题提提出出来来的的适适用用于于无无线线传传感感器器网网络络的的MACMAC协协议议。SMACSMAC适适用用于于流流量量较较小小并并能能容容忍忍一一定定的的通通信信时时延延的的传传感感器器网网络络。SMACSMAC针针对对能能量量浪浪费费的的几几个个主主要要原原因因，如如空空闲闲侦侦听听、碰碰撞撞重重传传、串串音音和和控控制制消消息息等采用了如下机制进行节能：等采用了如下机制进行节能：1.1.周期性侦听周期性侦听/休眠的低占空比的工作方式；休眠的低占空比的工作方式；2.2.邻居节点形成虚拟簇，簇内采用一致的睡醒时间表邻居节点形成虚拟簇，簇内采用一致的睡醒时间表:3.3.通过虚拟载波侦听、通过虚拟载波侦听、RTS/CTSRTS/CTS握手机制以及随机退避访问信道握手机制以及随机退避访问信道的方式避免碰撞和串音的方式避免碰撞和串音;4.4.通过消息分割减少控制消息的开销通过消息分割减少控制消息的开销SMACSMAC虽然在节能上有了很大改进，但会引入虽然在节能上有了很大改进，但会引入时延增加时延增加的缺点，为了改善时延问的缺点，为了改善时延问题，题，SMACSMAC又引入又引入自适应流量自适应流量的机制，将时延平均减少一半。的机制，将时延平均减少一半。基本思想：基本思想：(1)采采用用周周期期性性睡睡眠眠和和监监听听方方法法减减少少空空闲闲监监听听带带来来的的能能量量损损耗耗。对对周周期期性性睡睡眠眠和和监监听听的的调调度度进进行行同同步步，同同步步节节点点采采用用相相同同的的调调度，形成虚拟簇，同时进行周期性睡眠和监听，适合多跳网络。度，形成虚拟簇，同时进行周期性睡眠和监听，适合多跳网络。(2)当当节节点点正正在在发发送送数数据据时时，根根据据数数据据帧帧特特殊殊字字段段让让每每个个与与此此次次通信无关的邻居节点进入睡眠状态，减少串扰带来的能量损耗。通信无关的邻居节点进入睡眠状态，减少串扰带来的能量损耗。(3)采用消息传递机制，减少控制数据带来的能量损耗。采用消息传递机制，减少控制数据带来的能量损耗。基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议SMACSMAC协议协议1.周期性的侦听和睡眠周期性的侦听和睡眠 SMAC协协议议将将时时间间周周期期性性的的以以帧帧为为单单位位进进行行划划分分，每每个个帧帧分分成成两部分两部分:侦听阶段侦听阶段和和睡眠阶段睡眠阶段。对对于于侦侦听听阶阶段段，SMAC中中又又将将其其进进一一步步划划分分成成两两个个子子阶阶段段，第第一一个个阶阶段段完完成成同同步步包包的的发发送送，第第二二个个阶阶段段完完成成数数据据包包的的发发送送。在在睡睡眠眠阶阶段段，节节点点关关掉掉无无线线收收发发设设备备进进行行节节能能，并并将将这这期期间间收收到到的的数数据据缓缓存存起起来来，等等到到侦侦听听阶阶段段时时，将将缓缓存存的的数数据据集集中中发发送送出出去去。SMAC协协议议采采用用IEEE802.11MAC中中的的数数据据发发送送机机制制:RTS/CTS/DATA/ACK机机制制，并并且且规规定定在在数数据据发发送送期期间间不不进进入入睡眠状态。睡眠状态。基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议SMACSMAC协议协议基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议SMACSMAC协议协议每每个个节节点点用用SYNC（同同步步）消消息息通通告告自自己己的的调调度度信信息息，同同时时维维护护一一个个调调度度表表，保保 存所有相邻节点的调度信息。存所有相邻节点的调度信息。当当节节点点启启动动工工作作时时，首首先先侦侦听听一一段段固固定定长长度度的的时时间间，其其长长度度至至少少是是一一个个调调度度周周期期。如如果果在在这这段段侦侦听听时时间间内内收收到到其其他他节节点点的的调调度度信信息息，则则将将它它的的调调度度周周期期设置为与邻居节点相同，并在等待一段随机时间后广播它的调度信息。设置为与邻居节点相同，并在等待一段随机时间后广播它的调度信息。当当节节点点收收到到多多个个邻邻居居节节点点的的不不同同调调度度信信息息时时可可以以选选择择第第一一个个收收到到的的调调度度信信息，并记录收到的所有调度信息。息，并记录收到的所有调度信息。如如果果节节点点在在这这段段侦侦听听时时间间内内没没有有收收到到其其他他节节点点的的调调度度信信息息，则则产产生生自自己己的的调调度周期并广播。度周期并广播。在节点产生和通告自己的调度后，如果收到邻居的不同调度，分两种情况；在节点产生和通告自己的调度后，如果收到邻居的不同调度，分两种情况；如如果果没没有有收收到到过过与与自自己己调调度度相相同同的的其其他他邻邻居居的的通通告告，则则采采纳纳邻邻居居的的调调度度而而丢弃自己生成的调度；丢弃自己生成的调度；如如果果节节点点已已经经收收到到过过与与自自己己调调度度相相同同的的其其他他邻邻居居的的通通告告，在在调调度度表表中中记记录录该调度信息，以便能够与非同步的拥邻节点进行通信。该调度信息，以便能够与非同步的拥邻节点进行通信。2.流量自适应监听流量自适应监听 传感器网络往往来用多跳通信，而节点的周期性睡眠会导致通传感器网络往往来用多跳通信，而节点的周期性睡眠会导致通信延迟的累加。为了减少通信延迟的累加效应，信延迟的累加。为了减少通信延迟的累加效应，SMAC采用了采用了一种流量自适应监听机制。其基本思想是在一次通信过程中，一种流量自适应监听机制。其基本思想是在一次通信过程中，通信节点的邻居在此次通信结束后唤醒并保持监听一段时间。通信节点的邻居在此次通信结束后唤醒并保持监听一段时间。如果节点在这段时间接收到如果节点在这段时间接收到RTS帧，则可以立即接收数据，而帧，则可以立即接收数据，而不需要等到下一个监听周期，从而减少了数据传输延迟。不需要等到下一个监听周期，从而减少了数据传输延迟。基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议SMACSMAC协议协议3.串扰避免串扰避免SMAC协议中，在协议中，在RTS/CTS帧中部带有目的地址和本次通信的帧中部带有目的地址和本次通信的持续时间信息，接收到该帧后，如果发现目的地址不是本地地持续时间信息，接收到该帧后，如果发现目的地址不是本地地址，节点马上进入睡眠状态，并将此次通信的持续时间存储到址，节点马上进入睡眠状态，并将此次通信的持续时间存储到本地的本地的NAV中。中。NAV会随着本地时钟的运行递减。在会随着本地时钟的运行递减。在NAV值非值非零期间节点都处于睡眠状态，这就很大程度避免了串扰数据包零期间节点都处于睡眠状态，这就很大程度避免了串扰数据包的接收，减少了能量损耗。的接收，减少了能量损耗。为了减少碰撞和避免串音，为了减少碰撞和避免串音，SMAC协议采用与协议采用与802.11MAC协议协议类似的虚拟和物理载波侦听机制以及类似的虚拟和物理载波侦听机制以及RTS/CTS的通告机制。的通告机制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程中时，两者的区别在于当邻居节点处于通信过程中时，SMAC协议的协议的节点进入睡眠状态。节点进入睡眠状态。S-MAC采用物理侦听，防止了冲突解决了隐藏节点的问题；采采用物理侦听，防止了冲突解决了隐藏节点的问题；采用虚拟侦听，节点收到用虚拟侦听，节点收到NAV的时候，立刻进入休眠状态，解决的时候，立刻进入休眠状态，解决了串音问题了串音问题基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议SMACSMAC协议协议4.消息传递（分片传输机制）消息传递（分片传输机制）如如果果在在发发送送长长信信息息时时由由于于几几个个比比特特错错误误造造成成重重传传，则则会会造造成成较较大大的的延延时时和和能能量量损损耗耗，如如果果简简单单地地将将长长包包分分段段，则则又又会会由由于于RTS/CTS的的使使用用形形成成过过多多的的控控制制开开销销。基基于于此此，SMAC提提出出了了“消消息息传传递递”机机制制。将将长长的的信信息息包包分分成成若若干干个个DATA，并并将将它它们们一一次次传传递递，但但是是只只使使用用一一个个RTS/CTS控控制制分分组组作作为为交交互互。节节点点为为整整个个传传输输预预留留信信道道，当当一一个个分分段段没没有有收收到到ACK响响应应时时，节节点点便便自自动动将将信信道道预预留留向向后后延延长长一一个个分分段段传传输输时时间间，并并重重传传该该分分段段，整整个个传传输输过过程程中中DATA和和ACK都都带带有有通通信信剩剩余余时时间间信信息息，邻邻居节点可以根据此时间信息避免串扰。居节点可以根据此时间信息避免串扰。基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议SMACSMAC协议协议TMAC协议是在协议是在SMAC协议的基础上改进后提出的协议，主要协议的基础上改进后提出的协议，主要解决的是解决的是SMAC中空闲侦听的问题。中空闲侦听的问题。TMAC协议采取固定的周期长度以及根据通信流量的可调的侦协议采取固定的周期长度以及根据通信流量的可调的侦听时间，以此减少空闲侦听。听时间，以此减少空闲侦听。TMAC协议提出了一种自适应调整协议提出了一种自适应调整占空比占空比的方法：通过动态调的方法：通过动态调整调度周期中的活跃时间长度来改变占空比。整调度周期中的活跃时间长度来改变占空比。基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议基本思想基本思想：TMAC协协议议中中，数数据据的的发发送送都都是是以以突突发发方方式式进进行行，如如图图所所示示为为TMAC协协议议进进行行调调度度的的基基本本方方法法。每每个个节节点点都都周周期期性性地地唤唤醒醒，进进入入活活跃跃状状态态，和和邻邻居居进进行行通通信信，然然后后进进入入睡睡眠眠状状态态，直直到到下下一一个个周周期期的的开开始始。同同时时，新新的的消消息息在在队队列列中中进进行行缓缓存存。节节点点之之间间进进行行单单播播通通信信使使用用RTSCTSDATAACK的方法，以确保避免冲突和可靠传输。的方法，以确保避免冲突和可靠传输。基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议在活跃状态下，节点可能保持监听，也可能发送数据。当在一在活跃状态下，节点可能保持监听，也可能发送数据。当在一个时间段内没有发生激活事件时，活跃状态结束，节点进入睡个时间段内没有发生激活事件时，活跃状态结束，节点进入睡眠状态。激活事件的定义如下：眠状态。激活事件的定义如下：(1)定时器触发周期性调度唤醒事件。定时器触发周期性调度唤醒事件。(2)物理层从无线信道接收到数据包。物理层从无线信道接收到数据包。(3)物理层指示有的无线信道忙。物理层指示有的无线信道忙。(4)节点的节点的DATA帧或帧或ACK帧发送完成。帧发送完成。(5)通过监听通过监听RTS,CTS帧，确认邻居的数据交换已经结束。帧，确认邻居的数据交换已经结束。基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议关键技术：关键技术：1)周期性收听的同步周期性收听的同步2)RTS操作和的选择操作和的选择3）串扰避免）串扰避免4）算法描述）算法描述基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议1)周期性收听的同步周期性收听的同步TMAC协议采用了与协议采用了与SMAC协议相同的机制。通过周期性发送协议相同的机制。通过周期性发送SYNC帧来保帧来保持节点之间的同步，具体过程如下：持节点之间的同步，具体过程如下：节节点点上上电电启启动动后后，首首先先进进行行一一段段时时间间的的监监听听。如如果果该该时时间间段段内内节节点点没没有有接接收收到到SYNC帧帧，则则节节点点选选择择一一个个默默认认的的调调度度方方式式，并并通通过过SYNC帧帧广广播播该该调调度度方式。方式。TMAC协议中的协议中的SYNC帧包含帧包含发送节点地址信息发送节点地址信息和和下次进入活跃状态需下次进入活跃状态需要等待的时间信息要等待的时间信息。如如果果该该时时间间段段内内节节点点接接收收到到SYNC帧帧，则则节节点点采采用用该该调调度度方方式式，设设置置下下一一次次进进入入活活跃跃状状态态的的时时间间为为SYNC帧帧中中的的时时间间值值减减去去接接收收SYNC帧帧需需要要的的时时间间值值。如如果果节节点点接接收收到到不不同同的的调调度度方方式式，则则节节点点融融合合两两种种调调度度方方式式，在在最最短短时时间间内内进入监听状态。进入监听状态。为了保证网络的可扩展性，节点在进行周期性调度的过程中，必须保证经过为了保证网络的可扩展性，节点在进行周期性调度的过程中，必须保证经过一定次数的调度后，节点在一个调度周期内始终保持在监听状态，确保节点一定次数的调度后，节点在一个调度周期内始终保持在监听状态，确保节点可以发现调度方式不同的邻居节点可以发现调度方式不同的邻居节点。基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议2）RTS操作和的选择操作和的选择当节点发送当节点发送RTS帧后，如果没有接收到相应的帧后，如果没有接收到相应的CTS帧，那么有以下三种可帧，那么有以下三种可能：能：接收节点处发生碰撞，没能正确接收接收节点处发生碰撞，没能正确接收RTS帧：如果发送节点在时间帧：如果发送节点在时间之内没有接收到之内没有接收到CTS帧，节点会进入睡眠状态。帧，节点会进入睡眠状态。接收节点在此之前已经接收到串扰数据；接收节点在此之前已经接收到串扰数据；接收节点处于睡眠状态。接收节点处于睡眠状态。TMAC协议中，当邻居节点还处于通信状态时，节点不应该进行睡眠。因协议中，当邻居节点还处于通信状态时，节点不应该进行睡眠。因为节点可能是接下来信息的接收者。节点发现串扰的为节点可能是接下来信息的接收者。节点发现串扰的RTS或或CTS都能够触都能够触发一个新的监听间隔，为了确保节点能够发现邻居的串扰，发一个新的监听间隔，为了确保节点能够发现邻居的串扰，TA的取值必须的取值必须保证当节点能够发现串扰的保证当节点能够发现串扰的CTS，所以，所以TMAC协议规定的取值范围如下：协议规定的取值范围如下：基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议C为竞争信道的时间，为竞争信道的时间，R为发送为发送RTS需要的时间，需要的时间，T为为RTS发送结发送结束到开始发送束到开始发送CTS的时间。的时间。基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议3）串扰避免在在TAMC协议中，串扰避免机制是可选的。协议中，串扰避免机制是可选的。串扰避免机制能够显著减少串扰带来的能量损耗。串扰避免机制能够显著减少串扰带来的能量损耗。但是这样会导致冲突的增加：但是这样会导致冲突的增加：节点在睡眠过程中可能无法发现邻居的节点在睡眠过程中可能无法发现邻居的RTS或或CTS帧，当它帧，当它唤醒并发起通信时就可能对邻居的通信造成干扰，这会导致唤醒并发起通信时就可能对邻居的通信造成干扰，这会导致碰撞，而碰撞引起的重传同样会浪费能量，在数据量较大时碰撞，而碰撞引起的重传同样会浪费能量，在数据量较大时碰撞概率增加，所以协议不宜采用串扰避免机制。碰撞概率增加，所以协议不宜采用串扰避免机制。TMAC协议中可以根据网络中的数据量大小选择是否使用与协议中可以根据网络中的数据量大小选择是否使用与SMAC相同的串扰避免机制相同的串扰避免机制。基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议4）早睡问题早睡问题在采用周期性调度的在采用周期性调度的MAC协议中，如果一个节点在邻居准备协议中，如果一个节点在邻居准备向其发送数据时进入了睡眠状态，这种现象称为早睡。向其发送数据时进入了睡眠状态，这种现象称为早睡。下下面面对对早早睡睡问问题题进进行行举举例例说说明明。通通常常WSN中中的的数数据据都都是是从从源源节节点点向向sink 节节点点汇汇聚聚，是是一一种种典典型型的的非非对对称称通通信信。如如图图所所示示，AB之之间间，BC之之间间，CD之之间间可可以以相相互互通通信信，且且假假设设数数据据传传输输方方向向是是ABCD。如如果果节节点点A通通过过竞竞争争获获得得了了与与节节点点B通通信信的的机机会会，节节点点A发发送送RTS给给B，B回回复复CTS给给A。那那么么当当C收收到到B发发出出的的CTS时时，会会触触发发一一个个新新的的监监听听时时间间段段，使使C保保持持监监听听状状态态。而而D没没有有发发现现AB之之间间正正在在进进行行的的通通信信，由由于于无无法法触触发发新新的的TA，D会会进进行行睡睡眠眠。但但AB之之间间通通信信结结束束时时，C竞竞争争获获得得信信道道，但但由由于于D此此时时已已经经睡睡眠眠，所所以以必必须须等等到到D在在下下一一次次调调度度唤唤醒醒时时才能进行才能进行RTS；CTS交互。交互。基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议解决早睡问题的两种方法解决早睡问题的两种方法为了，为了，TMAC协议提出了两种方法。下面对这两种方法进行协议提出了两种方法。下面对这两种方法进行介绍。介绍。1）预请求发送机制）预请求发送机制2)满缓冲区优先机制满缓冲区优先机制基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议预请求发送预请求发送(Future request-to-send，FRTS)当节点当节点C收到收到B发给发给A的的CTS后，立即向后，立即向D发送一个发送一个FRTS。FRTS帧包含节帧包含节点点D接收数据前需要等待的时间长度，接收数据前需要等待的时间长度，D在此时间内必须保持在监听状态。在此时间内必须保持在监听状态。由于由于C发送的发送的FRTS可能干扰可能干扰A发送的数据，所以发送的数据，所以A需要将发送的数据延迟需要将发送的数据延迟相应的时间。相应的时间。A在接收到在接收到CTS之后发送一个与之后发送一个与FRTS长度相同的长度相同的DS帧，该帧，该帧不包含有用信息，只是为了保持帧不包含有用信息，只是为了保持AB对信道的占用，在发送对信道的占用，在发送DS之后之后A立立即向即向B发送数据信息发送数据信息由于采用了由于采用了FRTS机制。增加一个机制。增加一个CTS时间。时间。FRTS方法可以提高吞吐量，方法可以提高吞吐量，减少延迟，但是增加了控制开销，会降低减少延迟，但是增加了控制开销，会降低TMAC协议的能量效率。协议的能量效率。基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议满缓冲区优先满缓冲区优先(Full-buffer Briority)当节点的缓冲区接近占满时，对接收到的当节点的缓冲区接近占满时，对接收到的RTS帧不回复帧不回复CTS，而是立即，而是立即向缓冲区中数据包的目的节点发送向缓冲区中数据包的目的节点发送RTS，以建立数据传输。如图所示，以建立数据传输。如图所示,B向向C发送发送RTS，C因缓冲区快占满不发送因缓冲区快占满不发送CTS，而是发送，而是发送RTS给给D这个方法的优点是减少了早睡问题发生的可能性，在一定程度上能够控这个方法的优点是减少了早睡问题发生的可能性，在一定程度上能够控制网络的流量。缺点是在网络数据量较大时增加了冲突的可能。制网络的流量。缺点是在网络数据量较大时增加了冲突的可能。基于竞争基于竞争MACMAC协议协议TMACTMAC协议协议