《无线传感器网络》第3讲 MAC协议
一、数据链路层与MAC协议概述
- 数据链路层核心任务 ：管理 相邻节点间的通信，实现可靠、高效的数据传输。
- 数据组帧、媒体访问控制（MAC）、差错控制、链路管理。
- MAC协议核心作用：决定无线信道使用方式，实现节点合理共享信道，直接影响网络性能。
- WSN对MAC协议的新挑战 （源于WSN特征）：
- 节点资源受限、高密度随机分布、动态自组织、以数据为中心。
- MAC协议设计重点 ：
- 节能：避免能量浪费。
- 可扩展性：适应动态拓扑与规模变化。
- 网络效率：在吞吐量、公平性、延迟等方面取得平衡。
二、能量浪费主要原因与信道共享方式
- 四大能量浪费根源 ：
- 冲突：多个节点同时发送导致数据碰撞。
- 串音：节点接收到并非发给自己的数据。
- 空闲监听：节点持续侦听信道但无数据收发。
- 控制开销：协议控制消息消耗的能量。
- 信道共享方式 ：
- 点对点 、点对多点 （如蜂窝网）、多点共享（一跳广播，如对讲机）。
- WSN多跳共享广播信道特点 ：
- 通信范围有限，冲突与节点地理位置相关。
- 带来了隐藏终端 和暴露终端问题。
三、关键问题与基础机制
1. 隐藏终端与暴露终端
- 隐藏终端 ：在接收节点覆盖范围内，但不在 发送节点覆盖范围内的节点。
- 后果 ：可能导致与发送节点的信号在接收端冲突。
当A和C检测互相检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生冲突。
- 后果 ：可能导致与发送节点的信号在接收端冲突。
- 暴露终端 ：在发送节点覆盖范围内，但不在 接收节点覆盖范围内的节点。
- 后果 ：其发送可能被不必要地抑制，浪费信道资源。
B向A发送数据，C想向D发送数据，但是由于B的缘故，C检测到媒体上有信号，不向D发送数据。但事实上B向A发送数据并不影响C向D发送数据。
- 后果 ：其发送可能被不必要地抑制，浪费信道资源。
2. RTS/CTS握手机制
- 目的：解决隐藏发送终端问题，降低数据冲突概率。
- 流程 ：发送方先发RTS ，接收方回复CTS，预约信道后再传数据。
- 局限 ：
- 无法完全解决隐藏接收终端问题（单信道下）。
- 控制报文本身也可能冲突。
3. CSMA/CA（载波侦听多路访问/冲突避免）
- 核心思想：先监听，后发送；信道忙则随机退避。
- 两种载波侦听方式 ：
- 物理载波侦听：检测信号能量。
- 虚拟载波侦听 ：通过RTS/CTS中的NAV（网络分配向量）获知信道忙闲。
- 帧间间隔 ：
- SIFS（最短）：用于ACK、CTS等立即响应。
- DIFS（标准）：用于普通数据帧发送前的等待。
- PIFS（中等）：用于PCF模式，优先级高于DIFS。
- 退避机制 ：
- 退避时间 = Random( ) × aSlotTime
- 竞争窗口CW ：冲突后加倍（不超过CWmaxCW_{max}CWmax），成功则重置为CWminCW_{min}CWmin。
四、竞争型MAC协议详解
1. S-MAC（Sensor-MAC）
- 核心思想 ：周期性睡眠/侦听，降低空闲监听能耗。
- 关键技术 ：
- 周期性调度 ：节点形成虚拟簇，同步活跃/睡眠周期。占空比 = 活跃时间 / 周期。
- 串音避免：邻居节点通过NAV获知通信时长，在此期间睡眠。
- 消息传递：将长消息分片，一次RTS/CTS预约整个传输时段，减少竞争开销。
- 自适应侦听 ：邻居节点在通信结束后短暂唤醒，以接收可能的多跳数据，减少延迟累积。
- 优点：显著节能。
- 缺点：固定周期不适应流量变化；边界节点能耗高；延迟较固定。
2. T-MAC（Timeout-MAC）
- 改进点 ：在S-MAC基础上，动态缩短活跃时间。
- 机制 ：在活跃期内，若持续TA时间无"激活事件"，则提前进入睡眠。
- 早睡问题及解决 ：可能造成数据转发中断，采用 FRTS（未来请求发送）帧唤醒下一跳节点。
- 特点：比S-MAC更适应低流量，但FRTS增加开销。
3. B-MAC（Berkeley-MAC）
- 核心机制 ：低功耗侦听 + 长前导码。
- 工作原理 ：接收方周期性唤醒侦听信道；发送方先发送一个长于侦听周期的前导码，唤醒目标接收方后再发数据。
- 优点 ：无需时间同步，实现简单。
- 缺点：发送延迟大，前导码能耗高，隐藏终端问题依旧。
4. Sift协议
- 应用场景 ：事件驱动型网络，追求最快的前R个节点无冲突报告。
- 核心思想 ：固定竞争窗口 ，节点在不同时隙的发送概率非均匀且递增。
- 概率公式 ：Pr=(1−α)αCW1−αCW⋅α−r(r=1,...,CW)（α为分布参数，0<α<1）P_r = \frac{(1 - \alpha)\alpha^{CW}}{1 - \alpha^{CW}} \cdot \alpha^{-r} \quad (r = 1, ..., CW)（α为分布参数，0<α<1）Pr=1−αCW(1−α)αCW⋅α−r(r=1,...,CW)（α为分布参数，0<α<1）
- 目标：让竞争节点在窗口前部快速"脱颖而出"，减少冲突与延迟。
- 特点：实时性好，适合空间相关事件，但节能非首要目标。
五、分配型（调度型）MAC协议详解
1. 多址接入方式
- FDMA：频分多址，划分频段。
- TDMA ：时分多址，划分时隙（超帧 结构）。WSN常用。
- CDMA：码分多址，用编码区分。
2. TRAMA（Traffic-Adaptive Medium Access）
- 核心思想 ：基于TDMA，根据两跳内邻居流量信息，分布式计算无冲突发送调度。
- 时间帧结构 ：交替的随机接入时段 （交换邻居信息）和分配接入时段（数据传输）。
- 三大组件 ：
- NP：邻居协议，维护两跳邻居表。
- SEP：调度交换协议，产生并广播基于流量的调度表。
- AEA：自适应选举算法，决定每个时隙节点的状态（发送、接收、睡眠）。
- 时隙优先级计算 ：
Priority(u, t) = hash(u ⊕ t)。 - 优点：无冲突，能效高。
- 缺点：算法复杂，存储开销大，需要时间同步。
3. DMAC
- 应用场景 ：数据采集树（数据单向流向Sink）。
- 核心思想 ：交错唤醒调度，使路径上节点像链条一样依次活跃。
- 关键技术 ：
- 交错唤醒：下层节点比上层节点提前一个时段（μ）唤醒，实现连续转发。
- 自适应占空比 ：通过数据帧中的 "More Data"标志，请求路径上节点增加活跃时间。
- 数据预测：父节点收到数据后，预测子节点还有数据，延长自身接收时间。
- MTS帧机制：解决竞争失败子节点的"早睡"和干扰问题，传播占空比调整请求。
- 优点 ：低延迟，适用于汇聚型数据流。
- 前提：需要时间同步和稳定的树状路由。
六、协议对比与小结
| 协议类型 | 代表协议 | 核心机制 | 优点 | 缺点/适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 竞争型 | S-MAC | 周期性睡眠/监听 | 节能效果好 | 延迟固定，不适应流量变化 |
| T-MAC | 自适应超时提前睡眠 | 比S-MAC更适应低负载 | 早睡问题，FRTS增加开销 | |
| B-MAC | 长前导码+异步侦听 | 无需同步，简单 | 延迟大，前导码开销大 | |
| Sift | 非均匀概率竞争 | 事件响应快 | 节能非首要目标，适合事件驱动 | |
| 分配型 | TRAMA | 基于流量的TDMA调度 | 无冲突，高能效 | 复杂，需同步，存储开销大 |
| DMAC | 数据采集树交错唤醒 | 多跳传输延迟极低 | 需同步和稳定路由树 |
- 竞争型MAC特点 ：简单、扩展性好、适应动态变化，但在能量与延迟之间需要权衡。
- 分配型MAC特点 ：冲突少、控制开销低、延迟确定，但需要严格时间同步，对拓扑变化较敏感。
记忆要点：
- 能量浪费四原因：冲突、串音、空闲听、控制开销。
- 隐藏终端 ："收得到你，收不到我发方"；暴露终端："收得到我发方，收不到你"。
- S-MAC四大技：周期睡、避串音、消息传、自适应听。
- DMAC核心：交错醒、链式传、树状流量快又省。
习题
- 以下哪种情况会造成无线传感器网络能量的浪费？（ABC）
A. 冲突重传 B. 串音 C. 空闲监听 D. 发送消息
发送消息不算是能量的浪费。
四大能量浪费根源：
- 冲突：多个节点同时发送导致数据碰撞。
- 串音：节点接收到并非发给自己的数据。
- 空闲监听：节点持续侦听信道但无数据收发。
- 控制开销：协议控制消息消耗的能量。
-
将CSMA/CA协议直接用于单信道、低速率无线传感网络应用，会有 idle listening 时间过长的问题，如何解决？
使用休眠唤醒机制。
-
(单选题) 在如图所示由4个节点组成的网络中，相对于C与B的通信而言，隐终端节点是？（A）
A. A
B. B
C. C
D. D
本题中：C向B发送数据，A检测不到信号传输，因为节点B空闲，也向B发送数据，导致冲突。因此，对于本题中的C与B的通信，A节点是隐终端节点。
隐藏终端 ：在接收节点覆盖范围内，但不在发送节点覆盖范围内的节点。
- 后果：可能导致与发送节点的信号在接收端冲突。
当A和C检测互相检测不到无线信号时，都以为B是空闲的，因而都向B发送数据，结果发生冲突。
- (多选题) 以下关于S-MAC协议的关键技术的描述中，正确的是（ABCD）
A. 采用周期性的休眠/侦听方法减少空闲侦听带来的能量损耗
B. 当有节点收发数据时，与此无关的邻居节点进入休眠减少冲突与串音带来的能量损耗
C. 采用自适应的侦听机制，减少消息传输延迟
D. 采用消息传递机制，减少控制消息带来的能量损耗
S-MAC（Sensor-MAC）
- 核心思想 ：周期性睡眠/侦听，降低空闲监听能耗。
- 关键技术：
- 周期性调度 ：节点形成虚拟簇，同步活跃/睡眠周期。占空比 = 活跃时间 / 周期。
- 串音避免：邻居节点通过NAV获知通信时长，在此期间睡眠。
- 消息传递：将长消息分片，一次RTS/CTS预约整个传输时段，减少竞争开销。
- 自适应侦听 ：邻居节点在通信结束后短暂唤醒，以接收可能的多跳数据，减少延迟累积。
- 优点：显著节能。
- 缺点：固定周期不适应流量变化；边界节点能耗高；延迟较固定。
-
(简答题) 为如图所示的无线传感器网络构造一个基于TDMA的无冲突调度表时，如果当前时隙是节点C的时隙，基于让超帧长度尽量短的原则，请给出其他节点的状态。节点的状态包括：发送态，接收态，休眠态。
A：休眠态
B：接收态
C：发送态
D：接收态
E：接收态
F：发送态
-
(简答题) 基于上图，举例说明，如何让节点获得它两跳邻居集合。
- 每个节点定期进行广播 。例如C节点："我是C节点我是C节点"，C节点的一跳邻居{B, D}可以收到该报文。同理，B还能收到A的广播报文，因此B知道它的一跳邻居集合为{A, C}。
- 每个节点交换邻居列表。例如B节点："我是B节点~我的一跳邻居节点是{A, C}~"，B节点的一跳邻居{A, C}可以收到该报文。因此，C节点收到B的报文，就得知：B是C的一跳邻居，B的一跳邻居有{A, C}，则节点C就得知，A是B的一跳邻居但不是C的一跳邻居，可得A是C的两跳邻居。
- 综合消息构建两跳邻居表。C节点收集信息：从B获知A是两跳邻居；从D获知E是两跳邻居。所以C的两跳邻居集合为{A, E}。