Mac协议

  • Mac协议的研究热点
  • 竞争性Mac协议
    • ALOHA协议
    • CSMA协议
    • CSMA/CA协议
    • 优点
    • 典型协议
      • Smac协议-前提条件和基本思想
      • TMac协议
    • PMAC协议
  • 分配型MAC协议

Mac协议的研究热点

  • 能量效率
    • 空闲监听
    • 冲突（会导致重传）
    • 控制开销
  • 可扩展型
  • 网络效率（挺重要）
  • 算法复杂度
  • 与其他层协议的协同

目前普遍认为重要性依次递减！

竞争性Mac协议

  • 基本思想
    • 采用按需使用信道的方式。首先通过竞争方式使用信道。发生冲突，节点按照事先设定的某种策略重传数据，直到发送成功或放弃。
  • 传统的无线网络
    • ALOHA
    • 载波侦听多路访问
    • CSMA/CA

ALOHA协议

  1. 纯ALOHA协议
  • 有需求时直接向信道发送数据分组
  • 发生冲突时，对冲突数据分组进行重发
    • 但在重传策略上，等待一段时间再发
  • 纯ALOHA协议：想发就发；时隙ALOHA协议：控制想发就发的随意性
  1. 时隙ALOHA协议
  • 它是对纯Aloha的一种改进，其基本思想是把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。该方法避免用户发送数据的随意性，减少了数据冲突，提高了信道的利用率，并且其吞吐量可以增加到纯Aloha的一倍。

CSMA协议

使用了一个载波侦听装置

  • CSMA协议的类型：
    • 非坚持型
    • 1-坚持型
    • p-坚持型
  • 非坚持CSMA
    • 节点一旦监听到信道忙或者发现其他节点在发送数据，就不再坚持侦听，而是根据协议的退避算法延迟一段随机事件后重新开始侦听。
    • 当某站监听到信道忙状态时，不再坚持监听，而是随机后延一段时间再来监听。其缺点是很可能在再次监听之前信道已空闲了，从而产生浪费。
  • 坚持型CSMA
    • 又称1-坚持CSMA，当某站要送数据时，先监听信道，若信道忙，就坚持监听，直到信道空闲为止，当空闲时立即发送一帧。若两个站同时监听到信道空闲，立即发送，必定冲突，即冲突概率为1，故称之为1-坚持型。假如有冲突发生，则等待一段时间后再监听信道。
    • 以概率1，立即发送数据
  • P坚持型
    • P坚持型CSMA
    • 这种方式适合于时隙信道，当某站准备发送信息时，它首先监听信道，若空闲，便以概率P传送信息，而以概率（1-P）推迟发送。如果该站监听到信道为忙，就等到下一个时隙再重复上述过程。P坚持型CSMA可以算是1－坚持型CSMA和非坚持型CSMA的折衷，这两者算是P－坚持算法的特例，即P分别等于1和0时的情形。
    • 对于P坚持型CSMA，如何选择P值，需要考虑如何避免在重负载情况下系统处于不稳定状态。假如当介质忙时，有N个站有数据等待发送，则当前的发送完成时，有NP个站企图发送，如果选择P过大，使NP＞1，则冲突不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，吞吐率会降为0。所以必须选择P值使NP＜1。如果尸值选得过于小，则通道利用率会大大降低。

CSMA/CA协议

优点

  • 网络流量和网络规模变化自适应
  • 网络拓扑变化自适应
  • 算法比较简单

典型协议

SMAC 、TMAC 、PMAC 、WiseMAC 、Sitf

Smac协议-前提条件和基本思想

  • 前提条件:
    • 数据量少,可以进行数据的处理和融合
    • 节点协作完成共同任务
    • 网络可以容忍一定程度的通信延迟
  • 基本思想:
    • 802.11 Mac + 能量效率
    • 周期性睡眠、监听、协商一致的睡眠调度机制（虚拟簇）
    • RTS/CTS机制来减少重传和避免监听不必要的数据
    • 消息分割和突发传递机制来减少控制信息的开销和消息的传递延迟。
  • 关键技术
    • 周期性睡眠和监听
    • 长消息传递机制
  • 算法描述
  • 多跳通信网络中，节点的周期性休眠会导致通信延迟的累加
  • FPA算法
    • 消除多跳延迟
    • 建立快速路径
    • 数据在快速路径多跳传输
  • 优点：
    • 降低了节点空闲监听的能耗
    • 减少了碰撞和控制数据包带来的能量损耗
    • 碰撞避免机制
    • 长消息传递机制
  • 缺点：
    • 不能很好的适应网络负载的变化。
    • 额外的延迟，减小了系统的吞吐量。

TMac协议

TMac协议采用动态调整调度周期中的活跃时间长度的策略。

  • 基本思想
    • TA：节点为了侦听到数据传输活动需要保持在唤醒状态的最小时间
    • 在TA时间内没有发生激活事件，则进入睡眠
    • 在休眠期间，节点如果有数据消息需要发送，则必须等到下一个活动期到来后再进行。
  • 关键技术
    • 周期性监听技术
    • 沿用SMAC协议思想，周期性广播SYNC帧
    • TA的选择
    • TA > 竞争信道时间 + RTS发送时间 + CTS准备时间
  • 早睡问题
  • 早睡问题解决办法
    • T-MAC协议提出了两种方法来解决早睡问题。
    • 第一种称为未来请求发送(FutureRequest-To-Send，FRTS)，如图2-5 (a)所示。当节点C收到B发送给A的CTS分组后，立刻向下一跳的接收节点D发出FRTS分组。FRTS分组包括节点D接收数据前需要等待的时间长度，节点D要在休眠相应长度的时间后醒来接收数据。由于节点C发送的FRTS分组可能干扰节点A发送的数据，所以节点A需要推迟发送数据的时间。节点A通过在接收到CTS介组后发送一个与FRTS分组长度相同的DS (Data-Send)分组实现对信的占用。DS分组不包括有用信息。节点A在DS分组之后开始发送正常的数据信息。FRTS方法提高了网络吞吐率，但是FRTS分组和DS分组也带来了额外的通信开销。
    • 第2种称作满缓冲区优先（Full Buffer Priority），如图2-5 (b)所示。当节点的缓冲区接近占满时，对收到的RTS作应答，而是立即向目标接受者发送RTS消息，并向目标节点传输数据。这个方法的优先是从根本上减小了早睡发生的可能性，而且能够控制网络的流量，缺点就是很大程度上会产生冲突。T-MAC协议为了解决早睡问题提出了许多方法，但都不是很理想。

PMAC协议

  • SMAC调度占空比固定，TMAC面临早睡问题
  • 那么为了优化，我们引入——模式信息，节点能够通过模式信息提前获知邻居的下一步活动，调度都根据模式信息来进行。
  • PMAC协议空闲监听周期更长，SMAC的最短。
  • 关键技术
    • 模式的生成
    • 由二进制位串组成，1为监听，0为睡眠。
    • 节点根据网络流量更新模式
    • 模式的交换
    • 在当前周期结束时将进行广播来交换模式信息
    • 引入超帧STF，分为两子帧PRTF和PETF
    • 模式重复时间帧PRTF，节点重复自己的模式
    • 节点在每个时隙可工作于发送、监听和睡眠三种状态之一
    • 时隙模式为1，可发送数据，如果没有数据，则监听
    • 时隙模式为0，则睡眠
    • 模式交换时间帧PETF，邻居之间进行模式信息交换
    • PETF中时隙个数是一个节点可以拥有的最大邻居数
    • 时隙通过CSMA机制访问

分配型MAC协议

  • 基本思想

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