序號5序號5周次3授課形式講授授課章節(jié)名稱MAC協(xié)議教學目的1、通過講解，讓同學們把握無線傳感器網絡MAC協(xié)議設計的根本內容，了解主流的一些MAC協(xié)議工作原理，以及MAC協(xié)議的分類等教學重點1、MAC協(xié)議的概念和工作原理教學難點1、MAC協(xié)議的概念和工作原理無MAC協(xié)議的根本學問課后體會通過講解，同學們把握了無線傳感器網絡MAC協(xié)議的根本概念和工作原理。完成了教學任務，到達了教學效果。使用教具課外作業(yè)授課主要內容[舊課復習與課引入]根本功能，那么這一節(jié)課我們要學習數據鏈路層的一種重要的協(xié)議即為MAC協(xié)議，WSN中，介質訪問掌握〔mediumaccesscontrol，MAC〕協(xié)議打算了無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點間安排有限的通信資源，構建傳感器網絡的底層根底構造。MAC協(xié)議對傳感器網絡的性能有較大地影響WSN高效通信的關鍵協(xié)議之一。WSNWSN應用中首要的WSN通信協(xié)議，是目前的一個熱點爭論領域。[課講解]爭論現狀和趨勢目前，WSN吸引了越來越多的爭論力氣，很多MACWSN爭論較多集中于能量有效性問題，MAC協(xié)議爭論也側重于能耗因素及相應節(jié)能策略，而其他方面并沒有突破傳統(tǒng)自組網MAC協(xié)議的設計策略?？梢哉f，相當一局部WSNMAC協(xié)議主要爭論如何將節(jié)能策略引入傳統(tǒng)自組網MAC協(xié)議并避開對協(xié)議性能產生不利影響，其中休眠機制是被廣泛承受的有效節(jié)能策略，并由此帶來了如何使無業(yè)務節(jié)點最大可能進入休眠避開能耗，在業(yè)務到來時確保準時激活節(jié)點從而降低休眠機制對網絡時延、吞吐等性能造成的損失問題。WSNMAC協(xié)議因素WSNMACWSNMAC協(xié)議性能WSNWSNWSN協(xié)議的適應性。關鍵因素主要有以下幾方面：能量有效性?？蓴U展性。沖突避開。信道利用率。延遲。吞吐量。公正性。協(xié)議特點WSN廣泛的應用領域使其面臨多樣和特別的應用需求和業(yè)務特性，從而激發(fā)了各種MACMAC協(xié)議設計從多個層面、多個角度動身，具有不同的特點，主要可歸納為以下內容：TDMA的接入方式利用分群構造群首局部集中掌握的機制與多跳轉發(fā)相關的資源安排策略冗余相關數據的隱聚合MAC協(xié)議分類依據承受分布式掌握還是集中掌握，可分為分布式執(zhí)行的協(xié)議和集中掌握的協(xié)議。這類協(xié)議與網絡的規(guī)模直接有關，在大規(guī)模網絡中通常承受分布式的協(xié)議。依據使用的信道數〔即物理層所使用的信道數，可分為單信道、雙信道和多S-MACLEEMMACMACMAC協(xié)議可以解決這個問題，但增加了節(jié)點構造的簡單性。依據信道的安排方式，可分為基于TDMA的時分復用固定式、基于CSMA的隨機競爭式和混合式三種?；赥DMA的固定安排類MAC層協(xié)議，通過把時分復用(TDMA)和頻分復用(FDMA)〔CDMA〕信道安排〔C-TDMA協(xié)議。依據接收節(jié)點的工作方式，可分為偵聽、喚醒和調度三種。在發(fā)送節(jié)點有數據需要傳遞時，接收節(jié)點的不同工作方式直接影響數據傳遞的能效性和接入信道的時延等性能。接收節(jié)點的持續(xù)偵聽，在低業(yè)務的WSNs網絡中，造成節(jié)點能量的嚴峻鋪張。MAC協(xié)議原理分析SMACS/EAR協(xié)議Sohrabi等提出的SMACS/EAR(Self-organizingmediumaccesscontrol/Eavesdropandregister，具有監(jiān)聽/WSNMAC協(xié)議)協(xié)議，是結合TDMA和FDMAMACSMACS協(xié)議主要用于靜止的節(jié)點之間連接的建立，而對于靜止節(jié)點與運動節(jié)點之間的通信，則需要通過EAR協(xié)議進展治理。其根本思想是，為每一對鄰居節(jié)點安排一個特有頻率進展數據傳輸，不同節(jié)點對間的頻率互不干擾，從而避開同時傳輸的數據之間產生碰撞。SMACS協(xié)議假設節(jié)點靜止，節(jié)點在啟動時播送一個“邀請”消息，通知四周節(jié)點與本節(jié)點建立連接，接收到“邀請”消息的鄰居節(jié)點，與發(fā)出“邀請”消息的節(jié)點交換信息，在二者之間安排一對時隙，供二者以后通信。EAR協(xié)議用于少量運動節(jié)點與靜止節(jié)點之間進展通信，運動節(jié)點偵聽固定節(jié)點發(fā)出的“邀請”消息，ID號等信息，打算是否建立連接。假設運動節(jié)點認為需要建立連接，則與對方交換信息，安排一對時隙和通信頻率。S-MAC協(xié)議S-MAC(Sensormediumaccesscontrol)WeiIEEE802.11協(xié)議的根底上，針WSN的能量有效性而提出的專用于WSNMAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議設計的主要目標是削減能量消耗，供給良好的可擴展性。它針對WSN消耗能量的主要環(huán)節(jié)，承受了以下三方面的技術措施來削減能耗：周期性偵聽和休眠。消息分割和突發(fā)傳輸。避開接收不必要消息。[[本節(jié)小結]：WSNMAC協(xié)議設計相關的問題，探討了MAC協(xié)議的分類方法，然后著重爭論與論述了當前較為重要的一些MAC協(xié)議的核心實現機制和特點，進展了這些MACMAC協(xié)議的原理異同。通過教師的講解。學生把握的總體狀況良好。[作業(yè)]：查閱有關傳感器網絡的MAC協(xié)議設計的相關理論學問。序號6序號6周次3授課形式講授授課章節(jié)名稱第五章無線傳感器網絡的拓撲掌握教學目的1、通過講解，讓同學們把握無線傳感器網絡拓撲掌握設計的根本內容，了解主流的一些拓撲掌握的工作原理，以及相關的拓撲掌握算法。教學重點1、拓撲掌握的概念和工作原理教學難點1、拓撲掌握的概念和工作原理無到網上查閱無線傳感器網絡拓撲掌握的相關理論和根本知識課后體會本概念和工作原理。完成了教學任務，到達了教學效果。使用教具課外作業(yè)授課主要內容[舊課復習與課引入]MAC協(xié)議，了解了MAC協(xié)議是工作在數據鏈路層上的一種介質訪問掌握算法MAC協(xié)議的概念和根本功能，那么這一節(jié)課我們要學習無線傳感網絡的一種重要的掌握技術即為拓撲掌握技術WSN一般具有大規(guī)模、自組織、隨機部署、環(huán)境簡單、傳感器節(jié)點資源有限、網絡拓撲常常發(fā)生變化的特點[1]。這些特點使拓撲掌握成為挑戰(zhàn)性爭論課題。同時，這WSN爭論中的重要性，其主要表現在以下幾個方面：拓撲掌握是一種重要的節(jié)能技術；拓撲掌握保證掩蓋質量和連通質量；MAC(mediaaccesscontrol)協(xié)議和路由協(xié)議的效率、為數據融合供給拓撲根底；拓撲掌握能夠提高網絡的牢靠性、可擴展性等其他性能?？傊負湔莆諏W絡性能具有重大的影響，因而對它的爭論具有格外重要的意義[課講解]拓撲掌握概述目前，拓撲掌握爭論已經形成功率掌握和睡眠調度兩個主流爭論方向[14]。所謂功率掌握，就是為傳感器節(jié)點選擇適宜的放射功率；所謂睡眠調度，就是掌握傳感器節(jié)點在工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)之間的轉換。傳感器網絡拓撲可以依據節(jié)點的可移動與否(動態(tài)的或靜態(tài)的)和部署的可控與否(可控的或不行控的)4類：靜態(tài)節(jié)點、不行控部署：靜態(tài)節(jié)點隨機地部署到給定的區(qū)域。這是大局部拓撲掌握爭論所作的假設。對稀疏網絡的功率掌握和對密集網絡的睡眠調度是兩種主要的拓撲掌握技術。(mobileadhocnetwork，簡稱MANET)。其挑戰(zhàn)是無論獨立自治的節(jié)點如何運動，都要保證網絡的正常運轉。功率掌握是主要的拓撲掌握技術。靜態(tài)節(jié)點、可控部署：節(jié)點通過人或機器人部署到固定的位置。拓撲掌握主要是通過掌握節(jié)點的位置來實現的，功率掌握和睡眠調度雖然可以使用，但已經是次要的了。動態(tài)節(jié)點、可控部署：在這類網絡中，移動節(jié)點能夠相互定位。拓撲掌握機制融入到移動和定位策略中。由于移動是主要的能量消耗，所以節(jié)點間的能量高效通信不再是首要問題。由于移動節(jié)點的部署不太可能是密集的，所以睡眠調度也不重要。拓撲掌握的設計目標掩蓋掩蓋可以看成是對傳感器網絡效勞質量的度量。在掩蓋問題中，最重要的因素是網絡對物理世界的感知力量。掩蓋問題可以分為區(qū)域掩蓋、點掩蓋和柵欄掩蓋(barriercoverage)。連通傳感器網絡一般是大規(guī)模的，所以傳感器節(jié)點感知到的數據一般要以多跳的方式傳送到會聚節(jié)點。這就要求拓撲掌握必需保證網絡的連通性。假設至少要去掉k個傳感器節(jié)點才能使網絡不連通，就稱網絡是k-連通的，或者稱網絡的連通度為k。拓撲掌握一般要保證網絡是連通(1-連通)的。網絡生命期網絡生命期有多種定義。一般將網絡生命期定義為直到死亡節(jié)點的百分比低于某個閾值時的持續(xù)時間[17]。也可以通過對網絡的效勞質量的度量來定義網絡的生命期[18]，可以認為網絡只有在滿足肯定的掩蓋質量、連通質量、某個或某些其他效勞質量時才是存活的。功率掌握和睡眠調度是延長網絡生命期的格外有效的技術。[本節(jié)小結]：WSNMAC協(xié)議設計相關的問題，探討了MAC協(xié)議的分類方法，然后著重爭論與論述了當前較為重要的一些MAC協(xié)議的核心實現機制和特點，進展了這些MACMAC協(xié)議的原理異同。通過教師的講解。學生把握的總體狀況良好。干擾和競爭減小通信干擾、削減MAC層的競爭和延長網絡的生命期根本上是全都的。功率掌握1跳鄰居節(jié)點的個數(也就是與它競爭信道的節(jié)點數)。事實上，對于功率掌握，網絡無線信道競爭區(qū)域的大小與節(jié)點的放射半徑r成正比[20]r就可以削減競爭。睡眠調度明顯也可以通過使盡可能多的節(jié)點睡眠來減小干擾和削減競爭。拓撲掌握的爭論現狀功率掌握功率掌握是一個格外簡單的問題。希臘佩特雷大學(UniversityofPatras)Kirousis等人將其簡化為放射范圍安排問題[23]RA(rangeassignment)該問題的計算簡單性。設N={u1,…,un}是d(d=1,2,3)維空間中代表網絡節(jié)點位置的點的集合，r(ui)ui的放射半徑。RA問題就是要在保證網絡連通的前提下，使網絡的放射功率(各節(jié)點的放射功率的總和)最小，也就是要最小化，其中，是大于2的常數。在一維狀況下，RA問題可以在多項式時間內解決；然而在二維[12]和三維[11]狀況下，RANP難的。實際的功率掌握問題比RA問題更為簡單。這個結論從理論上告知我們，試圖查找功率掌握問題的最優(yōu)解是不現實的，應當從實際動身，查找功率掌握問題的有用解。針對這一問題，當前已提出了一些解決方案，其根本思想都是通過降低放射功率來延長網絡的生命期。下面是幾個典型的解決方案，分別代表了目前功率掌握的幾個典型的爭論方向。睡眠調度功率掌握通過降低節(jié)點的放射功率來延長網絡的生存時間，但卻沒有考慮空閑偵聽時的能量消耗和掩蓋冗余。事實上，無線通信模塊在空閑偵聽時的能量消耗與收發(fā)狀態(tài)時相當，掩蓋冗余也造成了很大的能量鋪張。所以，只有使節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，才能大幅度地降低網絡的能量消耗。這對于節(jié)點密集型和大事驅動型的網絡格外有效。假設網絡中的節(jié)點都具有一樣的功能，扮演一樣的角色，就稱網絡是非層次的或平面的，否則就稱為是層次型的。層次型網絡通常又稱為基于簇的網絡。下面分別介紹非層次網絡和層次型網絡的具有代表性的睡眠調度算法。非層次型網絡的睡眠調度算法非層次型睡眠調度的根本思想是：每個節(jié)點依據自己所能獲得的信息，獨立地掌握自己在工作狀態(tài)和睡眠狀態(tài)之間的轉換。它與層次型睡眠調度的主要區(qū)分在于：每個節(jié)點都不隸屬于某個簇，因而不受簇頭節(jié)點的掌握和影響。層次型網絡的睡眠調度算法層次型網絡睡眠調度的根本思想是(固然未必)進入睡眠狀態(tài)。層次型網絡睡眠調度的關鍵技術是分簇。拓撲模型與拓撲掌握算法隨機圖理論在信息科學中被廣泛地應用，UDG、RNGMST等都是基于隨機圖理論的經典拓撲模型，很多的拓撲構造都是在它們的根底上演化而來的。從連通和抗干擾的角度對拓撲模型進展分類，拓撲掌握算法平面網絡中的拓撲掌握—功率掌握在平面網絡中，全部的節(jié)點都是同構的，具有同樣的硬件、同樣的力量，完成同樣的任務。在平面網絡中拓撲掌握最根本的方法是掌握與一個節(jié)點通