無線傳感器網絡簡明教程（第2版）,崔遜學 左從菊 編著,第 3 章 傳感器網絡的通信與組網技術,3,本章內容,3.1 物理層3.1.1 物理層概述3.1.2 傳感器網絡物理層的設計3.2 MAC協議3.2.1 MAC協議概述3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議3.2.3 典型MAC協議：S-MAC協議3.3 路由協議3.3.1 路由協議概述3.3.2 典型路由協議：定向擴散路由,4,3.1 物理層,物理層的基本概念：物理層是建立、維護和釋放數據鏈路實體之間的二進制比特傳輸的物理連接。提供機械的、電氣的、功能的和規程性的特性。,3.1.1 物理層概述,物理層的主要功能：,為數據終端設備(Data Terminal Equipment，DTE)提供傳送數據的通路。傳輸數據。其他管理工作。,3.1.1 物理層概述,物理接口的四個特性：,機械特性,電氣特性,功能特性,規程特性,規定了連接器的形狀、尺寸、引腳數量和排列情況等。,規定了線路信號電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。,規定了各條信號線的功能分配和確切定義。,定義了信號線進行二進制比特流傳輸線的一組操作過程。,3.1.1 物理層概述,無線通信物理層的主要技術：,3.1.1 物理層概述,介質頻段選擇,調制技術,擴頻技術,無線通信的介質包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信介質，而聲波一般僅用于水下的無線通信。,調制和解調技術是無線通信系統的關鍵技術之一,擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，在接收端用同樣的碼進行相關同步接收、解擴和恢復所傳信息數據。,無線傳感器網絡物理層的特點傳輸介質主要是無線電波、紅外線和光波三種類型。ISM頻段的優點在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實現起來靈活方便。ISM頻段的缺點主要是功率受限，另外與現有多種無線通信應用存在相互干擾問題。,3.1.1 物理層概述,1、傳輸介質,目前無線傳感器網絡采用的主要傳輸介質包括無線電、紅外線和光波等。在無線電頻率選擇方面，ISM頻段是一個很好的選擇。因為ISM頻段在大多數國家屬于無須注冊的公用頻段。,3.1.2 傳感器網絡物理層的設計,2、物理層幀結構,物理幀的第一個字段是前導碼,第二個字段是幀頭,幀頭與前導碼構成了同步頭。幀長度字段通常由一個字節的低7位表示。,3.1.2 傳感器網絡物理層的設計,3、物理層設計技術,編碼調制技術影響占用頻率帶寬、通信速率、收發機結構和功率等一系列的技術參數。 提高數據傳輸速率可以減少數據收發的時間，對于節能具有意義，但需要同時考慮提高網絡速度對誤碼的影響。,3.1.2 傳感器網絡物理層的設計,3.2 MAC 協議,無線頻譜是無線通信的介質，這種廣播介質屬于稀缺資源。在無線傳感器網絡中，可能有多個節點設備同時接入信道，導致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數據，從而浪費了信道資源，導致網絡吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設計介質訪問控制(Medium Access Control，MAC)協議。所謂MAC協議就是通過一組規則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質。,3.2.1 MAC協議概述,目前無線傳感器網絡MAC協議可以按照下列條件進行分類：,3.2.1 MAC協議概述,本書根據上述的第三種分類方法，將傳感器網絡的MAC協議分為以下三種：,3.2.1 MAC協議概述,MAC協議,隨機競爭接入方式,競爭與固定分配相結合的接入方式,時分復用無競爭接入方式,IEEE 802.11 MAC協議兩種訪問控制方式，其中DCF方式是IEEE 802.11協議的基本訪問控制方式。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議,DCF,PCF,IEEE 802.11 MAC協議,分布式協調功能,點協調功能,在DCF工作方式下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽和虛擬載波偵聽來確定無線信道的狀態。物理載波偵聽由物理層提供，虛擬載波偵聽由MAC層提供。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議,IEEE 802.11 MAC協議規定了三種基本幀間間隔(InterFrame Space，IFS)，用來提供訪問無線信道的優先級：,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議,（1）SIFS (short IFS)：最短幀間間隔。（2）PIFS (PCF IFS)：PCF方式下節點使用的幀間間隔。（3）DIFS (DCF IFS)：DCF方式下節點使用的幀間問隔。,根據CSMA/CA協議，當節點要傳輸一個分組時，它首先偵聽信道狀態。如果信道空閑，而且經過一個幀間間隔時間DIFS后，信道仍然空閑，則站點立即開始發送信息。如果信道忙，則站點始終偵聽信道，直到信道的空閑時間超過DIFS。當信道最終空閑下來的時候，節點進一步使用二進制退避算法，進入退避狀態來避免發生碰撞。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議,隨機退避時間按下面公式進行計算： 退避時間=Random()aSlottime 其中，Random()是在競爭窗口0，CW內均勻分布的偽隨機整數；CW是整數隨機數，它的數值位于標準規定的aCWmin和aCWmax之間；aSlottime是一個時槽時間，包括發射啟動時間、介質傳播時延、檢測信道的響應時間等。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議,網絡節點在進入退避狀態時，啟動一個退避計時器，當計時達到退避時間后結束退避狀態。在退避狀態下，只有當檢測到信道空閑時才進行計時。如果信道忙，退避計時器中止計時，直到檢測到信道空閑時間大于DIFS后才繼續計時。當多個節點推遲且進入隨機退避時，利用隨機函數選擇最小退避時間的節點作為競爭優勝者。,802.11 MAC協議通過立即主動確認機制和預留機制業提高性能。在主動確認機制中，當目標節點收到一個發送給它的有效數據幀(DATA)時，必須向源節點發送一個應答幀(ACK)，確認數據已被正確接收到。為了保證目標節點在發送ACK過程中不與其它節點發生沖突，目標節點使用SIFS幀間隔。主動確認機制只能用于有明確目標地址的幀，不能用于組播和廣播報文傳輸。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議,802.11 MAC協議的應答與預留機制,通常無線傳感器網絡的無效能耗主要來源于如下四種原因：,3.2.3 典型MAC協議：S-MAC協議,無效能耗,（1）周期性偵聽和睡眠機制 S-MAC協議將時間分為幀，幀長度由應用程序決定。幀內分監聽工作階段和睡眠階段。監聽/睡眠階段的持續時間要根據應用情況進行調整。當節點處于睡眠階段時，關閉無線電波，以節省能量。當然節點需要緩存這期間收到的數據，以便工作階段集中發送。,3.2.3 典型MAC協議：S-MAC協議,S-MAC協議的虛擬簇示意圖,（2）流量自適應偵聽機制 流量自適應偵聽機制的基本思想是在一次通信過程中，通信節點的鄰居在通信結束后不立即進入睡眠狀態，而是保持偵聽一段時間。如果節點在這段時間內接收到RTS分組，則可以立刻接收數據，無須等到下一次調度偵聽周期，從而減少了數據分組的傳輸延遲。如果在這段時間內沒有接收到RTS分組，則轉入睡眠狀態直到下一次調度偵聽周期。（3）沖突和串音避免機制 為了減少沖突和避免串音，S-MAC協議采用了與802.11 MAC協議類似的虛擬和物理載波監聽機制，以及RTS/CTS握手交互機制。兩者的區別在于當鄰居節點處于通信過程時，執行S-MAC協議的節點進入睡眠狀態。,3.2.3 典型MAC協議：S-MAC協議,（4）消息傳遞機制 S-MAC協議采用了消息傳遞機制，可以很好地支持長消息的發送。由于無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長消息。,3.2.3 典型MAC協議：S-MAC協議,S-MAC與IEEE 802.11 MAC協議的突發分組傳送,3.3 路由協議,路由選擇(routing)是指選擇互連網絡從源節點向目的節點傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個中間節點。包括兩個功能：,3.3.1 路由協議概述,應用相關,無線傳感器網絡,能量高效,可擴展性,穩健性,能量優先,基于局部拓撲信息,以數據為中心,快速收斂性,特點,要求,3.3.1 路由協議概述,我們從各種應用的角度出發，將路由協議分為四類：,3.3.1 路由協議概述,定向擴散（Directed Diffusion，DD）路由協議是一種基于查詢的路由機制。 定向擴散路由機制可以分為周期性的興趣擴散、梯度建立和路徑加強三個階段:,3.3.2 典型路由協議：定向擴散路由,每個節點在本地保存一個興趣列表，對于每一個興趣內容，列表中都有一個表項記錄發來該興趣消息的鄰居節點、數據發送速率和時間戳等任務相關信息，以建立該節點向匯聚節點傳遞數據的梯度關系。每個興趣可能對應多個鄰居節點，每個鄰居節點對應一個梯度信息。,（1）興趣擴散階段,在路由協議的興趣擴散階段，匯聚節點周期性地向鄰居節點廣播興趣消息。興趣消息中含有任務類型、目標區域、數據發送速率、時間戳等參數。,當傳感器探測節點采集到與興