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毕业设计学习分享. 古连华. 课题简介. 题目： 基于 竞争 和 TDMA 调度 的混合型 无线传感器网络 MAC 协议研究 主要来源： 国家自然科学基金资助项目 (60673132) ： “ RFID 无线传感器网络关键问题研究 ” 研究问题： 结合基于 竞争 和 调度 机制的混合型 WSN MAC 协议. 课题简介. 论文： 1. “ Eμ-MAC ：一种 高效的混合型的 无线传感器网络 MAC 协议 ” 2. “ Aμ-MAC ：一种 自适应的 无线传感器网络 MAC 协议 ”
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毕业设计学习分享 古连华
课题简介 • 题目：基于竞争和TDMA调度的混合型无线传感器网络MAC协议研究 • 主要来源：国家自然科学基金资助项目(60673132) ：“RFID无线传感器网络关键问题研究” • 研究问题：结合基于竞争和调度机制的混合型WSN MAC协议
课题简介 • 论文：1. “Eμ-MAC：一种高效的混合型的无线传感器网络MAC协议”2. “Aμ-MAC：一种自适应的无线传感器网络MAC协议” • 分享内容：1. 课题背景和问题描述2. μ-MAC协议分析3. 论文思路介绍两则 • 名词：WSN：Wireless Sensor Networksμ-MAC：一种典型的结合竞争和调度机制的WSN MAC 协议Eμ-MAC：增强型的μ-MAC（Enhanced μ-MAC）Aμ-MAC：自适应的μ-MAC（Adaptive μ-MAC）
1. 课题背景和问题描述 • 无线传感器网络（WSN）的概念和特点：*特殊的 无线 多跳 分布式 网络；*规模大、分布范围广；*自组织 、休眠节能、抗毁性强；*资源吝惜、动态变化（拓扑、流量）；*军事探测、目标追踪、环境监测； • WSN通信协议的特殊指标要求：节能效率、时延、传达率（可靠性）；可扩展性、适应性、生存能力；
Distributed Network Service Interface Location Finding Time Synchronization Application Layer Transport Control Transport Layer Routing Network Layer Medium Access Control Topology Data Link Layer RF IR Optical Pysical Layer 无线传感器网络通信协议体系结构 1. 课题背景和问题描述 • WSN MAC的功能：*决定WSN无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线信道资源*分配共享介质*解决发送冲突问题（竞争分解）
1. 课题背景和问题描述 • WSN MAC协议，根据信道接入方式分为三类 ：(a) 基于竞争的（contention-based）在需要发送数据时随机使用无线信道，重点考虑分解冲突S-MAC、T-MAC、B-MAC(b) 基于预约/调度的（schedule-based）普遍用TDMA机制，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的冲突D-MAC、EA-MAC、DEANA(c) 两者混合的机制（hybrid）恰当设计，可以平衡两者的优势和不足，取得更好的性能Z-MAC、TRAMA、μ-MAC、A2-MAC
2. μ-MAC协议分析 • 文献：“μ-MAC: An Energy-Efficient Medium Access Control for Wireless Sensor Networks”（原文共11页，值得反复读11遍～）Andre Barroso, Utz Roedig and Cormac Sreenan • 应用场合：周期性数据采集型WSN，比如环境监控应用 • 网络结构：网络中有一个固定基站，负责发出兴趣任务指令和汇聚数据 • 网络特点：网络绝大部分流量是从传感节点到基站的周期性数据包。基站发出一个任务指令，指定的节点在建立好子信道后就开始采集数据，并按要求的周期回送数据包给基站。
2. μ-MAC协议分析 • 前提假设：1. 假设有一个外部的信标源实现了本地同步；（★MAC层功能不健全，应加入合适的同步机制）2. 调度时槽有switching interval来补偿同步漂移；3. 网络拓扑不会频繁变化；（★可考虑动态拓扑的适应性改造）4. 流量模式的信息可获得。 • μ-MAC特殊的应用模型决定的特点：(a) 被动性数据采集型网络应用受控于基站，基站集中控制采集的数据类型、频率以及所需的信道带宽，传感节点只要被动接受和完成任务；(b) 流量可预知性分发具体的一个传感任务时，INTEREST包中包含了确定的请求数据的大小和频率，流量需求立即可知，在任务作业期内也基本不存在流量的变动。
2. μ-MAC协议分析 • μ-MAC新颖之处：根据应用层的信息，利用流量指示器来提高MAC协议的性能。 跨层设计思想 • μ-MAC设计准则：提高节点睡眠比例，提高能耗效率。同时考虑传达率即可靠性，以及通信时延。（实际上主要是提供良好的能耗效率，且不会太过牺牲时延性能。不像经典的S-MAC和T-MAC那样，在能耗和时延时间难以调和 ） • 设计方法：采用基于调度的方式来多路接入共享信道；另外采用应用层信息（使用流量指示器）来作为MAC运行参考
2. μ-MAC协议分析 • μ-MAC的信道结构： 竞争期：随机竞争接入，用于拓扑建立，子信道初始化 一般流量子信道GT：只有一个GT子信道，传输少量控制信息 无竞争期：TDMA调度接入，用于传输少量控制信息，及主流的周期性报告数据 传感报告子信道SR：可有N个SR子信道，服务于N个采集任务
竞争期 无竞争期 竞争期 无竞争期 … … … … 2. μ-MAC协议分析 • μ-MAC的信道结构：分“竞争期”和“无竞争期” • 竞争期：*分时槽的随机接入方式，有冲突则重发*为保证包99%传达，包重发次数为7，竞争期的竞争时槽总数必须至少为7×1.44×N（N为网络平均的两跳内邻居节点数）。*竞争期用于网络拓扑建立（邻居发现）和子信道初始化
Ps Ps 竞争期 … … 每相隔Ps用NCR算法选取一个时槽，构成一个子信道 2. μ-MAC协议分析 • 无竞争期：*TDMA调度接入*相邻两个时槽之间留转换间隔，补偿同步漂移。*无竞争期用于传输少量控制信息，及主流的周期性报告数据。*时槽选取算法是NCR算法。 • 无竞争期的 子信道（sub-channel）：*在无竞争期中复用了两种子信道GT和SR。*在每隔大致相同的时隔Ps选取一个无冲突的时槽，构成一个有一定带宽的子信道。*间隔Ps决定了子信道分配的带宽， Ps 越大，带宽越小。
2. μ-MAC协议分析 • 两种子信道 ：GT、SR • 1. 一般流量子信道General Traffic（GT）：只有一个GT子信道。用于传输控制信息。（ ★GT子信道带宽很小，即使没有数据传输也要传输一个维持包，占用无竞争期时槽。且节点为GT计算分配时槽也产生开销。可考虑将GT的功能简化掉，转移到竞争期） • 2. 传感报告子信道Sensor Report（SR） ：*根据传感任务和兴趣所需求的带宽（报告的周期），在无竞争期待连续时槽中，每相隔至少Ps时隔选取一个时槽而组成的子信道。间隔Ps决定了SR子信道分配的带宽，而Ps根据应用层流量信息来选择。*可以存在N个SR子信道，每个SR子信道服务于一个传感任务/兴趣。
2. μ-MAC协议分析 • μ-MAC协议的运行：
2. μ-MAC协议分析 • μ-MAC的主要机制：1)协议的启动运行基于流量预约机制。2)在竞争期建立拓扑信息采用TRAMA的NP（Neighbor Protocol）协议算法，建立一致的两跳邻居信息表，以便启动NCR算法分配时槽。3)子信道的时槽分配采用分布式的NCR算法（Neighborhood-aware Contention Resolution，邻居感知竞争分解算法）选择子信道的前n个时槽，在协议运行中按需不断补充确定未来n个时槽，相邻两个时槽间隔P符合子信道的带宽需求。
3. 论文思路一：Eμ-MAC • μ-MAC的不足及Eμ-MAC的提出： • * 1)没有解决节点同步问题而假设一个外部的信标源实现了本地同步； • *** 2)GT一般流量子信道效率低GT功能主要是承载预约包的传输，预约子信道带宽。虽然带宽不大，但需要单独为GT在无竞争期计算选择时槽，且在这些时槽上所有邻居节点都必须活动侦听或发送。规定若没数据传输，也要发送冗余的维持包携带未来n个时槽分配的信息。这都带来额外的能耗。GT带宽较大时，该子信道效率低的问题更突出； • ** 3)对于节点移除或加入的动态拓扑缺少应对机制需要依赖应用层监控和触发拓扑和时槽信息更新。原文也未提供实现细节。
竞争期 无竞争期 竞争期 无竞争期 … … … … 等待TA时间，超时无事件则睡眠 TA 同步信标 3. 论文思路一：Eμ-MAC • Eμ-MAC协议的设计： • 仍针对周期性数据采集型应用，MAC运行参考应用层信息，沿用μ-MAC的NP拓扑建立和NCR时槽分配算法，但使用一种改进的信道结构和控制方式 • 1)简化μ-MAC无竞争期子信道，只保留传感报告SR子信道，而把一般流量GT子信道的功能（主要是基站的任务分发和带宽预约）转移到竞争期。无竞争期完全由占主要流量的周期性报告调度使用，信道使用率得到提高； • 2)竞争期第一时槽加同步信标，约定由编号最小的邻居节点触发本地同步；并采用类似T-MAC协议的Time Out机制限制了竞争期过多的空闲侦听。 • 3)在链路层引入对节点删除和加入的动态拓扑适应性。监控接收包可以识别节点或路径失效。若节点或路径失效，可容忍n-1个数据包的丢失，当超过n个已预约的时槽后如果还没有新预约时槽，且兴趣任务尚未结束，则可认为节点或路径已经失效，基站就触发新的广播请求过程。
3. 论文思路一：Eμ-MAC • Eμ-MAC的性能评价： • 测试的指标：节能效率、时延、传达率 • 实验模型： • 节能效率：用节点平均睡眠比例衡量
3. 论文思路一：Eμ-MAC • 时延：图示五个节点的传输时延，Eμ-MAC并不保证数据包被立即传输，而是保证根据包产生率对应分配足够多的时槽，故流量小情况下时延反而突出。在包产生间隔Ti较小时，Eμ-MAC时延性能不如μ-MAC，但随着Ti增大，两者差异逐渐变小。
3. 论文思路一：Eμ-MAC • 传达率：Eμ-MAC与μ-MAC包传达率几乎是一样的，能在缓冲器要求不高的情况下保持很高的可靠性，与μ-MAC原文分析一致。
3. 论文思路一：Eμ-MAC • 增强型的协议Eμ-MAC评价： • 能在时延性能降低不大的情况下明显提高节点睡眠比例，提高了节能效率，能有效延长网络生存时间。
3. 论文思路二：Aμ-MAC • μ-MAC的局限及Aμ-MAC的提出： • *** 1) μ-MAC的适用场合及迟钝的流量适应性。μ-MAC针对周期性数据采集型的网络应用，其流量是可预测的，可从应用层信息获得，一旦由基站发起数据请求，预约好一个SR子信道后，流量基本是固定的，直到传感任务结束或基站明确再次发起新的请求，才可能改变子信道带宽。 • * 2) μ-MAC并没有解决节点同步问题，而假设一个外部信标源实现了本地同步，MAC层功能不健全。 • ** 3)对于拓扑变化，如节点移除或加入，并无应对机制，要依赖应用层来监控接收到的数据包从而发现拓扑变化，检测到节点失效，则由应用层触发基站重新广播请求传感数据。对于新节点的加入也需要由应用层触发。
3. 论文思路二：Aμ-MAC • Aμ-MAC协议的设计： • 沿用μ-MAC的网络结构，及NP邻居发现协议、NCR时槽分配算法，但扩展了应用模型，并使用一种改进的信道结构和运行控制，引入流量自适应机制。 • 1) Aμ-MAC扩展的应用模型。包容μ-MAC的周期性数据采集模型，并扩展为动态流量的采集型应用模型。(a) 主动性， (b) 事件驱动， (c) 动态流量 • 2)竞争期的第一个时槽加入同步信标，约定由编号最小的节点触发本地同步； • 3) Aμ-MAC的运行，基于流量感知和自适应调整机制。取消了μ-MAC运行的INTEREST/RESERVE流量预约过程，由基站主控方式改为传感节点主动调控方式 。流量感知和自适应机制利用对节点队列缓冲器的监测实现，若队列在时间段t1内的长度保持大于阈值q，则可认为预约的带宽不够，若在时段t2内缓冲器保持空，则可认为带宽冗余，可触发新的预约过程 • 4)在链路层引入对节点删除和加入的动态拓扑适应性。Aμ-MAC引入了失效感知机制，利用对接收包的监控来识别节点或路径失效。
3. 论文思路二：Aμ-MAC • Aμ-MAC协议的运行：
3. 论文思路二：Aμ-MAC • Aμ-MAC的性能评价： • 测试的指标：节能效率、时延、传达率 • 实验模型： • 节能效率：用节点平均睡眠比例衡量 • Aμ-MAC节点睡眠比例在流量变大时低于μ-MAC，而在流量小时睡眠比例稍高于μ-MAC。体现了Aμ-MAC动态的SR子信道带宽，可用节能效率换取负载适应。
3. 论文思路二：Aμ-MAC • 时延：节点n不仅要传输自身的数据，还要传递前n-1个节点的数据，故5个节点的通过负载和时延表现不同。图示3个节点时延， 在包间隔Ti较大（流量小）时，Aμ-MAC时延性能与μ-MAC相近，但随着Ti减小（流量增大），Aμ-MAC明显优于μ-MAC。流量过大，会引起队列过长，时延也明显增大，甚至出现丢包
3. 论文思路二：Aμ-MAC • 传达率：Aμ-MAC在流量增大的情况下保持良好的包传达率，保证很高的可靠性；而μ-MAC在不堪重荷时丢包率明显增大。μ-MAC的SR子信道不能应对动态流量，负载变重时协议甚至无法正常工作。
3. 论文思路二：Aμ-MAC • 自适应的协议Aμ-MAC评价： • 增强了协议的流量适应性，保留了跟μ-MAC在正常运行时相近的性能，负载重时能以稍微降低节能效率来保证数据传输的可靠性。
3. 展望 • 高效WSN MAC设计的发展方向： • 针对具体应用模型， • 采用混合型MAC方案， • 拓扑、流量自适应机制， • 跨层设计思想（参考应用层信息）
4. Tips • 怎样找研究切入点？带着任务方向去找文章，带着目标去研读文章* 中文综述文章参考文献* 对题的英文文章（研究细节充分的）反复读起码10遍以上 参考文献，提取、摘录，思考* 不合适，则从其参考文献中转向 • 推荐：有水平的英文文章，10页以上，反复研读10遍以上诀窍：print + repeat + extract
4. Tips • 找点子作改进：注重模型，紧抓特点，从功能和性能两方面入手，先解决“前提假设”问题，再从具体应用模型和特点入手改进研究 • 对自己的文章（文字）负责：文章思考、逻辑和表达务必严谨、严密；在交出去之前自己review N遍，应该是无可挑剔的；打印出来找老师、同学和朋友帮忙review，修改；特别注意推敲斟酌：题目、摘要（中英）、参考文献、文章逻辑学术论文严肃认真，别忽悠蒙混！！ • 小技巧：文章中对重要的环境、模型、分类法、控制方法等基础概念要定义清晰；改进的算法、方法等可以在专业语言内再定义术语，拔高层次。周期性数据采集型网络应用动态流量的数据采集型网络应用（自适应改造）流量感知及自适应调整机制（节点消亡的检测及拓扑的更新）失效感知机制
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