物聯網mac層技術綜述培訓資料(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 信道分配網絡拓撲0（4）分布式的信道分配機制分布式的信道分配機制就是沒有中心的信道分配機制，在這種類型中，所有車輛的地位是相等的，沒有中心節點和成員節點的區別，而信道的分配是由車輛自適應獲得的，每個車輛節點自行調整信道的占用和釋放。這種分配機制更加適合車輛，有了中心的控制，信道的分配反而會有更多的限制。在分布式的信道分配算法中，每個節點需要記錄周圍節點的信道使用情況。申請信道時先查看信道使用表，然后選擇空閑的信道，并將自己的預約情況通知周圍。這類的分配算法有很多，比如CRaSCH，還有多信道時隙自適應算法等等。（5）基于節點優先級的無線網絡信道分配機制基于節點優先級的多信道MAC協議主要包含兩部分，信道接入機制和多信道資源分配機制。其中，信道接入機制采用IEEE ，采用CSMA/CA進行載波偵聽和沖突避免機制，并且結合RTS/CTS握手協議，實現節點在同一信道上面的信道接入方案。多信道資源分配機制主要包括了基于節點優先級的信道分配機制。利用該機制，能夠對無線Mesh網絡中不同節點進行等級劃分，充分利用網絡中節點間關系和有限的網絡信道資源，對各個節點進行合理有效的信配置，最大化實現節點間高速率的數據傳輸，同時減少傳輸鏈路間的干擾。0用圖G=(V,E表示一個WMN網絡，點vV表示網絡中節點，邊eE表示兩WMN節點可以直接通信。節點間的通信是雙向的，這里的圖都是無向圖。集中WMN可以理解為樹狀拓撲結構，因此，這里的圖實際上是樹。假設所有的可選信道相互正交，信道集合記為N={ 1,2,...,n}。假設WMN中每個節點都配有相同的無線接口數量，數量為h(v)=H。每個接口對應著一個發射天線。 網關節點承載網絡中大部分流量，作為樹形拓撲的根節點，其優先級設為最高。遍歷圖G=(V,E)的其余節點，計算其優先級。優先級評判標準如式(11): 式（11） 其中，R(i)為節點1的優先級，AT為節點d的總流量，M為節點1距離網關中心節點的最小跳數，附〔:為節點i的網絡接口數量，N為節點i的相鄰節點數。這樣，流量承載負荷越大、距離網關節點跳數越小的節點優先級越高。0、多信道切換機制為了使系信道協作更具有靈活性和環境適應性，IEEE專門規定了4種信道切換與協作模式，分別為持續占有模式(continuous access)、服務信道交替接入模式(alternating service channel access)、服務信道立即接入模式(immediate SCH access)和服務信道擴展接入模式(extended SCH access )。 CCH與SCH之間的切換機制0（1）時分多路復用機制 定義了基本的時分機制，時間被分成默認為100ms的sync periods，每個SP由CCH和SCH間隔組成，默認時間均為50ms。SCH和CCH間隔均以4ms長度的保護間隔(guard interval) 開始，每個設備允許在GI的時間段里開始接收數據，但在GI結束之前不會傳輸數據，因為在此期間所有 設備均默認臨近的設備在進行信道轉換。然而，目前的 MAC 接入機制不能滿足 對時延和吞吐量有較高要求的應用。在擁擠的道路情況下,有限的CCH長度不能提供足夠的帶寬傳輸大量的安全和控制信息，而在車輛稀疏的情況下，固定的CCH則會浪費大量的信道資源，而一些消耗帶寬較大的應用，例如視頻、地圖更新等在SCH信道里得不到足夠的帶寬。 時分機制0（2）時分多路復用機制協議AMCPAMCP是一種異步多信道協調MAC協議，無需節點同步地在控制信道和服務信道間切換。節點監聽控制信道，有數據需要發送的節點選擇一條數據信道并將信道ID寫進RTS(RequestToSend，發送請求幀）發送給目的節點，若該信道對目的節點可用，則目的節點回復發送確認幀（ClearToSend，CTS），之后雙方立即轉到相應信道開始數據包收發；若信道對目的節點不可用，則目的節點回復拒絕的CTS，并將自己可用的信道列在CTS中，若其中有源節點可用的信道，則源節點重傳RTS以確認該信道．當源節點選擇的信道對目的節點不可用時，這種機制會導致第2輪信道協商，造成信道利用率的下降．另外，當節點在數據信道上進行服務包收發時，它可能收不到控制信道上廣播的緊急安全信息．。 ACMP協議0AMCMACAMCMAC是一種異步的時分復用多信道MAC協議。它的基本框架與AMCP一致，但在控制信道上加入了分布式時分復用機制。將控制信道分為50ms首尾相接的周期，每個周期內包含100個等長的時間槽。協議為不同優先級的服務信息分配不同數量的時間槽，每個節點按這種分配隨機選擇自己將要接入的時間槽。發送服務信息時，就在自己選擇的時間槽內競爭信道，而安全信息的發送不受這種約束。這種分時接入的機制使碰撞概率有效降低，從而提高系統性能。但是時間槽分配和選擇機制略顯復雜，影響協議運行的穩定性。圖 AMCMAC協議的時分復用機制0ATMPATMP一種時分復用機制的異步車載自組織網多信道MAC協議。在大規模的車載自組網中，當需要發送數據的節點很多時，在同一時間會有很多節點競爭控制信道，造成控制信道上的高碰撞概率，成為網絡性能的瓶頸。針對這個問題，ATMP提出時分復用的控制信道接入方法，試圖降低碰撞概率，提高網絡性能。0ATMP協議將網絡中傳遞的信息分為兩個優先級：緊急的安全信息和非緊急的服務信息?？刂菩诺郎弦?00ms為一個周期，每個周期均分為若干（設為5）個時隙。每個節點接入網絡時，從這幾個時隙中等概隨機地選擇一個作為自己的接入時隙．當節點攜帶服務信息時，需要檢查當前是否處在自己的接入時隙，若是，使用二進制退避算法競爭控制信道以發送RTS；若不是，需要等待下一個自己的接入時隙到來才能競爭信道。若節點攜帶安全信息，則不受時隙的限制，隨時可發送。 ATMP協議的控制信道接入進程0AOCMAOCM是面向應用的車載自組織網絡跨層多信道MAC協議，用來保證控制信道上數據的可靠發送的同時，確保服務信道上數據的高吞吐量。采用時間同步，擴WSMP（WAVEshortmessageprotocol）中的擴展域，根據收到的應用層分組的類型與數量，結合MAC層的輸出時延求出最優CCH周期，以此來保證不同信息流的可靠、有效傳輸。AOCM協議的優勢如下：，并感知MAC層的鄰居節點信息，因而AOCM協議能夠更精準地預測并調整下一同步周期CCH周期。，因此，AOCM協議對IEEEMAC幀格式是兼容的。（variableCCHinterval）協議，在VANET中不具有一般性，AOCM協議能夠更好地在飽和與非飽和環境下工作，更具一般性。，需要采用迭代的方式求解，AOCM協議只需要簡單的加法運算，具有較低的時間復雜度，擴展性好。AOCM協議同步周期包含一個可變的CCH周期與SCH周期。可變的CCH周期中包含2個階段：非固定頻率應用階段（NFAP，nonfrequencyapplicationphase），用來傳輸推薦最優CCH周期（ROCI,remendoptimalCCHinterval）公告與緊急安全消息SA（safety）；固定頻率應用階段（FAP,frequencyapplicationphase），用來傳輸Beacon與WSA。SCH周期用來在不同的服務信道SCH上面傳輸服務數據（servicedata）。 AOCM 協議的同步周期框架0參考文獻[23]李明. [D]. 吉林大學, 2015.[24]劉賀. [D]. 北京郵電大學, 2011.[25][D]. 大連理工大學, 2014.[26]周伐,丁家瑞,[J]. 通信技術,2015, 48(7):755761.[27]唐倫, 王晨夢, 陳前斌. 車載自組織網絡中基于時分復用的異步多信道MAC協議[J]. 計算機 學報, 2015, 38(3):673684.[28]宋彩霞, 譚國真, 丁男,等. 面向應用的車載自組織網絡跨層多信道MAC協議[J]. 通信學報, 2016, 37(5):95105.四、M2M當前背景分析（1）M2M的提出 隨著科技的進步和嵌入式技術的日漸成熟，產生了功能日益多樣化和數量龐大的機器設備，工業生產、生活以及科學研究也對設備的功能和應用有了更高的要求。這些設備涵蓋了社會生產生活的各個方面，在地理位置上沒有局限性，分布往往也比較分散，可能分布在工業生產的廠房、水文監測的湖面或各種野外環境中。在一些特殊的監控場合，如高溫和高腐蝕環境下，無法安排專人值守，而且通過傳統的布線實現遠程監控往往也不現實，一是布線的成本，二是類似于水文監測條件下無法完成布線，如何降低成本，提高遠程數據收集和監控的效率也變得更加重要。因而，越來越多的設備有了通信和聯網的要求，嵌入式產品的網絡化需求也在不斷增長。[29]M2M技術就是在這樣的背景下產生并受到越來越廣泛的重視，通過在機器內部嵌入無線通信模塊，使機器具備遠程通信的能力，利用現有的移動網絡和互聯網實行遠程監控，避免了現場值守、節約了布線的成本。[29]而這一技術真正在市場上出現，則是在2002年9月20日，Opto22與諾基亞兩大公司聯名發布的《Opto22攜手Noliia共同開發旨在為企業提供無線通訊的新技術的消息》一文中，他們采用了當時風靡一時的術語“M2M”來診釋雙方正在開發中的解決方案一一“以以太網和無線網絡為基礎，實現網絡通訊中各實體間信息、交流”。其后諾基亞發布了技術白皮書《M2M技術一一讓你的機器開口說話》，其中詳細闡明了M2M技術的概念內涵。采用其中的觀點，M2M的本質特征在于人、設備、系統的聯合體。所有這些技術的闡述正契合了物聯網的本質特征。[30]（2）概念M2M實現了機器與機器之間的通信，它可以是機器對機器(M achine to Machine)、人對機器(Manto Machine)、機器對人(Machine to Man)、移動網絡對機器(Mobile to Machine)的不同含義。從狹義上說，M2M只代表機器對機器的通信，目前更多的是指非IT機器設備通過無線移動通信與各種IT系統的通信。[31] M2M示意圖[31]根據相關資料預計，未來用于人人通信的終端可能只占整個終端的市場的1/3，而更大數量的通信是機器對機器(M2M)的通信業務。在當今世界上，機器的數量至少是人的數量的生倍，這意味著巨大的市場潛力。因此，M2M技術將綜合通信和網絡技術，將遍布在人們日常生活中間的機器設備連接成網絡，使這些設備變得更加“智能”，從而可以創造出豐富的應用，給日常生活、工業生產等帶來新一輪的變革。[31]（3）M2M的功能架構 如M2M系統結構框架圖所示, M2M平臺是將終端平臺與無線設備、家庭智能化設備及其他M2M應用設備相連接，并使所有設備都具備網絡通信能力，真正實現物聯網通信體系在各行業的廣泛應用。[32] M2M系統結構框架圖[32]物聯網(The Internet of things)是把所有物品通過射頻識別等信息、傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。其目的是讓所有的物品都能夠實現遠程感知和控制，并與互聯網結合成一個更加智慧的生產、生活體系。物聯網就是“物物相連的互聯網”。物聯網技術是以泛在網絡為基礎、泛在感知為核心，泛在服務為目的，泛在智能拓展為目標的綜合性一體化信息處理技術。物聯網實現的是“機器與機器”之間互感、互知、互動的信息交流。[33][34]然而，物聯網技術到底怎樣才能應用于實際呢？M2M就是它的一種實現手段，并且M2M技術的應用已經有比較長的歷史了。M2M ( MachinetoMachine ,MachinetoMan)也可理解為通過多種通訊技術，如FieldBuses（CanBus,ModBus, ProfiBus等)，Zigbee, GPRS, CDMA,WiFi,TCP/IP等等，連接各種末端設備或子系統，采用M2M Middleware/Web Services/SOA等標準化數據表達技術，將終端設備或子系統匯總到一個統一的管理系統，實現遠程監視、自動報警、控制、診斷和維護，進一步實現對設備的全局化管理和服務。[33][34] 物聯網與M2M的區別[35] 作為物聯網在現階段最普遍的應用形式，M2M己經在全球多個國家和地區市場鋪開。 在歐洲、美國、韓國、日本等國家實現了商業化應用、由于移動通信網絡可實現遠程無線接入，終端不需要人工布線，可以提供移動性支持，有利于節約成本，并可以滿足在危險環境下的通信需求，這使得以移動通信網絡作為接入和承載網絡的M2M業務得到了電信業界的廣泛關注、提供M2M業務的主流運營商包括英國的BT和Vodafone，德國的TMobile，日本NTTDoCoMo韓國SK等。[32]運營商在M2M方面的工作主要體現在:1)通過推廣定制模塊，了解用戶在日常通信方面的規律，提高服務質量以及對產業鏈的掌控。2)建設管理平臺，通過管理數據接入授權，監視數據流量等，提高運營商維護效率。[29] 在西歐市場，M2M己經實現了安全監測、機械服務、汽車信息通信終端、自動售貨機、公共交通系統、車隊管理、工業流程自動化、城市信息化等領域的應用。[31] 在亞太地區，日本實行UJapan的泛在網絡戰略，重點發展汽車信息通信系統以及智能家居，此外還有遠程醫療和遠程辦公等。韓國政府則實行UKorea的泛在網絡計劃，其中也包括很多M2M的內容，如智能交通，智能檢測和智能家居等。[31] 國內M2M業務剛剛興起，但是國家高度重視傳感網和基于M2M的物聯網技術的研究，將其提到國家發展的戰略高度，并采取了推進產業發展的一系列的舉措。[33] 中國政府將M2M相關產業納入國家《信息、產業科技發展十一五規劃及2020年中長期規劃綱要十一五規劃》重點扶