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WSN04 MAC 层

 

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MAC层

介质访问控制层（Medium Access Control,MAC）

减少或避免节点间的传输冲突

根据底层思想的差异，分为三类：

  • 基于竞争的MAC：Contention-based
  • 基于预留的MAC：Reservation-based
  • Hybrid

无线信道特点

  • 是广播信道
  • 多节点同频同传传输会产生冲突
  • 需要通过协议协调

基于竞争的MAC协议

可参考计网笔记之数据链路层

  • 无协调者
  • 随机胜出
  • 冲突保留

CSMA

载波监听多路访问（carrier sense multiple access，CSMA）

基本机制与额外机制
  • 先侦听后发送机制（listen-before-transmit）
  • 随机退避机制（random backoff）
  • 二进制指数退避机制（binary exponential backoff）
  • （额外|选用）ACK确认机制
先侦听后发送

规定先listen一段时间（Inter-Frame Spacing，IFS）

这段时间IFS应确保大于整个系统最远到达时间

  • 可实现当前传输数据不被打断
  • 但在同时监听的小概率事件下，出现冲突可能
随机退避机制

错开各个等待传输的节点的启动时间

对于n个需要传输的节点，在当前传输结束后，把roll出的n个倒计时随机值赋给它们
其中的最大值称为竞争窗口大小

  • 可规避等待数据同传冲突
  • 但随机数相同时仍会发生冲突
二进制指数退避机制

对于产生冲突的所有节点，将竞争大小窗口翻倍，再次重复随机退避机制

  • 这需要已经发送数据的节点**仍保持listen**
  • 可降低随机数相同的概率
  • 隐终端问题（无限隔离下space无限远，无解）

ACK确认机制

引入数据链路层的ACK，使发送端知晓数据成功接收

  • 未接收到ACK视为丢帧
  • ACK被规定为高优先级(设置一个SIFS<IFS，保证侦听等待的过程中会先收到ACK的信息，以确保ACK的优先级大于数据包的优先级)

CSMA/CA

  • 向下保留CSMA的三大机制和ACK确认
  • 引入RTS和CTS数据包
四次握手
  1. 发送节点获取Auth后广播RTS（Request to Send）
  2. 接收节点广播CTS（Clear to Send）
  3. 发送节点发送DATA
  4. 成功接收，返回ACK

相当于A在给B发送数据前先问一手你空不空，B回答空并告诉距离A比较远的节点：不要给我发数据我要跟A通信了

  • RTS：抑制发送节点附近的待发送节点

  • 2+2+6+6+4=20字节

  • Frame Control + Duration + R Address + T Address + FCS

  • CTS：抑制接收节点附近的待发送节点，是规避隐终端的直接手段

  • 2+2+6+4=14字节

  • Frame Control + Duration + R Address + FCS

仍存在的问题

节点如何知晓传输已经结束？

保持侦听( listen | overhear )

侦听：对信道信号抽样，观察能量波动

持续的侦听利空能耗，能否补救？

虚拟侦听(Virtual Sensing)，即传输方主动广播，在NAV阶段关闭侦听

  • 在RTS中的**Duration字段**加入剩余时间广播
  • 在CTS中的**Duration字段**加入剩余时间广播

NAV（网络分配向量，Network Allocation Vector）

用于记录附近节点的剩余时间的表

~RTS带(CSMA和CSMA/CA均有)来~不必要的暴露终端抑制，怎么破？

  • 自适应功率控制

若需要使用RTS/CTS机制，则常采用全功率控制—低功率数据传输的策略

在RTS/CTS阶段，节点以较高的（全功率）发送控制信息，以确保隐藏终端能收到控制帧

而在数据传输阶段，节点则降低传输功率，从而缩小干扰范围，使那些虽能听到RTS但不处于数据传输干扰范围的节点（即暴露终端）可以正常发射数据

  • 分离信令信道与数据信道
  • 增加忙音信道，用于节点的信道判断辅助
  • 多址接入(FDMA)

面向WSN的CSMA修正

考虑能耗限制，需要将休眠融入其中

涉及俩方面：

  • 休眠周期设置
  • 休眠同同步设置（全局、局部、异步）

S-MAC

周期性侦听与休眠

亦称为占空比技术

  • 取固定时间为时间帧，采用固定周期性休眠
  • 基于虚拟簇（Virtual Cluster）的局部同步

局部一起睡，一起醒

虚拟簇形成

将侦听阶段划分为 SYNC 与 DATA 阶段，分别用于同步和数据传输

SYNC 阶段

  • 同步消息（SYNC message）结构可分为节点ID和下一次休眠开始时间，并通过CSMA竞争广播同步消息

  • 收到广播的节点设置相同的调度表，并继续传播

所达最远跳数的范围称为虚拟簇

DATA 阶段

即RTS→LTC→DATA→ACK阶段

  • 虚拟簇内使用CSMA/CA进行竞争（这里面包含了虚拟侦听）
  • 虚拟簇间通过边界节点传输

虚拟簇中节点分类

  • 同步节点（synchronizer）
  • 跟随节点（follower）
  • 边界节点（border），用于簇间信息传递，休眠时间取交集

进一步改进

侦听（串音）避免

旨在减少DATA阶段的能量浪费

其他节点传输时，提前进入休眠以减少功耗浪费

听到旁边节点发CTS秒睡

自适应侦听

解决缺乏多跳感知造成的时延问题

如果下一跳节点是你还秒睡，不就要多等一个周期了？

于是乎，RTS/CTS握手时会在下一跳节点睡前让它别睡太死，ACK就给我醒过来

题外话 | 自适应侦听与虚拟侦听的区别

诶，在CTS休眠，在ACK醒来，这不是和虚拟侦听一模一样吗，有什么区别？

谬矣！，从宏观与微观俩个角度都能发现差异

从宏观上

  • 自适应侦听面向S-MAC的虚拟簇，动态调整所有节点状态，控制的是占空比
  • 虚拟侦听是CSMA/CA中的低功耗策略，在S-MAC的DATA阶段竞争中发挥作用，它甚至没有SYNC和SLEEP的概念
  • 自适应侦听可以让一坨节点分别找到各自的节奏，但虚拟侦听仅仅是让单个节点小睡一会儿，没有大局观

所以，这俩都不在同一个Vivo上，或者说虚拟侦听包含于自适应侦听

从微观上

  • 虚拟侦听没有同步操作
  • RTS结束后，虚拟侦听也可以睡，但自适应侦听不行

总结一下

思想同源，层次不同

虚拟侦听是面向单节点的瞬时行为优化，S-MAC的侦听避免|自适应侦听是面向虚拟簇的全局调度优化

因此，可以说虚拟侦听是一个RTS/CTS阶段的微观冲突避免手段，而自适应侦听是一个S-MAC层面的全局调度优化手段，二者并不冲突

消息传递机制

解决突发性消息传递问题

短时间内有大量数据包需要传输，不可避免带来RTS/CTS所引发的**时延&能耗问题**

在ACK后继续DATA，直到传输结束，断开连接

类似TCP的短连接，建立连接后数据信道保持一段时间

ACK数据包中包含本次数据传输剩余的时间，防止隐终端问题的产生

第一次小测

  • 判断题
  1. 距离发射机d处的路径损耗定义为接收信号功率与发射信号功率的比值，该比值在多径传播条件下，是一个随机值（×，定义错误）
  2. CSMA中，当发生冲突时，所有节点均需执行二进制指数退避（×，只有冲突的节点）
  3. CSMA/CA 的四次握手中的RTS起到防止隐终端回题。（×，CTS）
  4. 实现S-MAC虚拟簇之间的数据传递，需要边界节点的中继和转发（√）
  5. S-MAC中的消息传递机制可同时实现能耗的降低和传输时延的缩小（√）
  • 选择题
  1. 以下关于无线传感器网络 WSN 描述正确的是：
  • A. WSN 是物联网的基础，位于网络层。
  • B. 互联网是 WSN 的重要组成部分。
  • C. WSN 采用多跳传输，有利于能耗的减少。

  • D. 以上说法均不正确。

  • 正确答案：C

  1. 以下关于 WSN 能耗描述错误的是：
  • A. 处于空闲状态的收发机能耗是不可忽略的。
  • B. 提高有效比特数，可降低感应单元的功耗。
  • C. 对于处理单元而言，应该采用联合控制 CPU 频率和电源电压进行能耗的优化。

  • D. 处于发送状态的收发机能耗与发送速率有关。

  • 正确答案：B

提高有效比特数，无法判断感应单元功耗的增减。因为有效比特数高，单元复杂，耗能可能更多，而有效比特数少，单元简单但是传输速率较低，耗能也有可能更多。

  1. 以下哪个因素不属于造成多径传输的因素：
  • A. 衰减
  • B. 反射
  • C. 折射

  • D. 散射

  • 正确答案：A

无论有没有多径传输，衰减都是存在的

  1. 统计信道中，可以利用哪一区域加速数据的传递：
  • A. 连接区域
  • B. 隔离区域
  • C. 过渡区域

  • D. 两跳区域节点

  • 正确答案：C

  1. 关于竞争 MAC 的描述错误的是：
  • A. 对信道的竞争具有不确定性。
  • B. 一个节点的竞争窗口越大，越有利于获得信道的使用权。
  • C. CSMA 中随机退避机制可避免多个等待传输的节点产生冲突。

  • D. 引入占空比技术，可降低竞争 MAC 的能耗。

  • 正确答案：B

B-MAC

Berkeley MAC，实现异步休眠调度，消解节点间采用同步休眠带来的开销问题，即

  • 周期性发送
  • 同步时钟精度差时，需要重复发送SYNC消息

需要解决与休眠节点通信的问题

时间帧设计
  • 与帧长相同（保证一个周期内一定可唤醒，保证通信时延）
  • 占空比相同
  • 休眠时间自由
休眠通信
  • 发送方在DATA前使用前导码preamble，其长度等于帧长，包含N端接收节点字段反复发送，直到某一段中接收节点苏醒即完成同步

  • 接收方在结束SLEEP后通过低功耗侦听（Low Power Listening）对信道采样，判断是否需要苏醒侦听
  • 使用CSMA传输

特点
  • 节省SYNC过程带来的cost，在高负载和高流量的情况下具有良好的性能
  • preamble会带来额外开销
STEM

稀疏拓扑能源管理，Sparse Topology Energy Management，优化preamble

用于缩短preamble以降低能耗

  • 发送方改为停等
  • 接收方增添反馈，反馈被接受后直接进入DATA

空闲信道评估方法

Clear Channel Assessment,CCA

广泛运用于WIFI

错误感知的影响

类似于发1判0，虚警/漏警

误以为信道空闲

  • 冲突
  • preamble重复传输，增加传输时延

误以为信道忙碌

  • 节点因误判信道有信号而进入侦听阶段，导致能量浪费
传统感知方法

B-MAC感知方法
  1. 噪声本底估计值

在数据传输结束（此时存在IFS帧间隔，只有信道噪声）后多次采样，并采用滑动平均计算

  1. 信道判断

若存在能量远小于噪声本底值的采样值，则认为空闲

基于预留的MAC协议

计划经济，slot 分配

改时间帧为超帧：在预留阶段进行时隙分配；在DATA阶段进行节点间无冲突数据传输

分配基本思路

  • 基于簇的预留（选举出协调节点进行分配）
  • 基于协议机制的协商预留

基于簇结构的预留结构

概念|簇

由相邻节点组成的一个集合，包含簇头与簇节点

WSN可视为多个簇组成的网络，簇之间亦可相互通信

簇的形成与Sift
  • WSN节点通过CSMA广播竞争出CH（能量优先，谁嗓门大，等待时间短就听谁的）
  • 其余收到广播的节点称为簇节点，并将信息继续广播（类似虚拟簇，不过这是真的）
  • 一段时间后需要重新竞争，轮流当排头（以免簇头能量消耗过大）

问题：高密度节点下的大量簇头冲突

于是引入另一种簇头形成方式——Sift

  • 对于竞争窗口：大随机数大概率，小随机数小概率

BMA-MAC

Bit-Map-Assisted MAC

分为簇组织阶段与簇稳定阶段，稳定阶段分为预留与DATA俩阶段

  • 组织阶段（Set-up），簇头要求能量超过门限
  • 预留阶段，每一节点告知簇头自己哪一slot需要传数据（0011000...，形成bit-map）
  • DATA阶段按需传输，传输结束后进入Idle（空间挂起状态）

一段时间后，簇将重新组织

TRAMA协议

对于隐终端与暴露终端，节点传输时需要且仅需要考虑两跳邻节点

因而一个可以与其两跳邻节点协商的协议应运而生
即Traffic Adaptive Media Access Protocol

TRAMA是一种两跳邻节点发现机制（NP: Neighbor Protocol）

TRAMA 的核心是通过周期性广播来发现一跳和两跳邻节点，在两跳范围内为某个时隙分配使用权

周期性广播

  • 每个节点会定期广播自己的一跳邻节点信息，这些信息帮助其他节点了解谁是它们的直接邻居

广播时隙

  • 在一些特定的时隙（称为signaling时隙）中，节点会随机选择一个时隙进行广播
  • 这种随机选择可以避免冲突，确保广播信息能够成功传输

广播结果

  • 每个节点通过接收其他节点的广播，可以获取 一跳邻节点 和 两跳邻节点 的信息

确定时隙归属

  • 使用 自适应选举机制（adaptive election algorith，AEA） 来决定哪个节点可以使用某个时隙

  • 时隙的归属通过优先级计算来确定

  • 公式：

    • $ p(u, t) = h(u \oplus t)$
    • u是节点的 ID
    • t是某个时隙的编号
    • h是一个预先设计好的函数，用于计算节点对某个时隙的优先级
    • 优先级最高的节点会获得该时隙的使用权，从而完成时隙的分配

调度交换机制——增加slot调度灵活性

  • 分配的slot无数据传输需求，则通知其他节点

第四次课后练习题

  1. 在占空比技术中，假设帧长为1秒，休眠时长为0.3秒，那么占空比是多少?（70%）
  2. 在S-MAC中，节点是否共享一个休眠调度时间表?（是的）
  3. 在S-MAC中，使用自适应侦听后，数据报文在一个时间帧内可传输几跳?（两跳）
  4. 在B-MAC中，节点间可有不同的休眠调度表，如何在两个节点间进行数据传输?（发送前导码实现异步休眠调度）
  5. 在B-MAC中，当一个节点在传输前导码过程，若数据接收节点在期间唤醒。那么前导码的发送是可以即刻终止并开始数据传输的。（×，添加stem后才能实现）
  6. 在B-MAC中，信道噪声采样发生在当前传输结束后的帧间隔内,可有效反映噪声真实情况。（√）
  7. 采用Sift协议中的“小随机数小概率”，可提高建簇的成功率（√）

基于竞争与预留的MAC比较

小小的总结

混合介质访问

Z-MAC

  • 两跳范围内进行时隙预留（思路与TRAMA不同）
  • 已预留的slot在idle状态下可被竞争使用
  • 高负载使用预留MAC | 低负载使用竞争MAC
两跳范围内的时隙预留

分两跳邻节点发现机制（簇组织）和时隙预留分配两个阶段

  • 两跳邻节点发现机制

每个节点知悉其两跳范围内的所有节点

因为冲突在两跳内产生

  • 时隙预留机制

  • 预留节点向所有一跳节点广播 request

  • 所有一跳节点回复 grant
  • 向两跳邻节点广播 release（让两跳都知晓slot占用，避免冲突|类比竞争下的隐终端问题）

  • 高负载预留，低负载竞争

IEEE 802.15.4

  • 一种标准化的、低速率的无线网络标准
  • 对无线网络的物理层与MAC层的操作进行了定义
  • MAC类型为时分混合MAC：不同时间段使用不同的MAC协议

  • 将超帧分为CAP与CFP

  • CAP: contention access period

    • CSMA/CA

    • CFP: contention free period

    • 基于簇结构的TDMA（星状、网状、树状）

  • 网络节点分三类

  • 网络协调器

    • 全功能设备
    • 簇头，分配时隙

    • 全功能设备

    • 实现路由与数据转发

    • 精简功能设备

    • 不能路由

    • 不能充当网络协调器