1、.第第3 3章章傳感器網絡的通信與組網技術傳感器網絡的通信與組網技術. 目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，現代衛星目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，現代衛星技術的出現使人們離這一目標前進了很多，但衛星高高技術的出現使人們離這一目標前進了很多，但衛星高高在上，洞察全局在行，明察細微就勉為其難了。在上，洞察全局在行，明察細微就勉為其難了。 將大量傳感器節點遍撒指定區域，數據通過無線電將大量傳感器節點遍撒指定區域，數據通過無線電傳回監控中心，監控區域內信息盡收觀察者的眼中。傳回監控中心，監控區域內信息盡收觀察者的眼中。 這是無線傳感器網絡技術應用的目標，其實現依賴這是無線傳感器網絡技術應用的目標

2、，其實現依賴于優秀的數據傳輸方法，需要新型的網絡通信技術。于優秀的數據傳輸方法，需要新型的網絡通信技術。. 通常傳感器節點的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾通常傳感器節點的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，人們要考慮如何在有限的通信能力條件下，完百米，人們要考慮如何在有限的通信能力條件下，完成探測數據的傳輸。成探測數據的傳輸。 無線通信是傳感器網絡的關鍵技術之一。無線通信是傳感器網絡的關鍵技術之一。.通信與組網技術通信與組網技術n通信處于傳感器網絡的最底層，包括通信處于傳感器網絡的最底層，包括物理層物理層及及MAC層；層；n主要解決實現數據的主要解決實現數據的點到點點到點或則或則點到多點點到多點的傳的

3、傳輸問題，為上層組網提供通信服務；輸問題，為上層組網提供通信服務；n同時滿足傳感器網絡同時滿足傳感器網絡大規模大規模、低成本低成本、低功耗低功耗及及魯棒性魯棒性等要求。等要求。.通信與組網技術通信與組網技術n組網技術以底層通信技術為基礎，建立一個組網技術以底層通信技術為基礎，建立一個可可靠且具有嚴格功耗預算靠且具有嚴格功耗預算的通信網絡，向用戶提的通信網絡，向用戶提供服務支持；供服務支持；n網絡層負責數據的網絡層負責數據的路由轉發路由轉發，傳輸層負責實現，傳輸層負責實現數據傳輸的數據傳輸的服務質量保障服務質量保障；n在資源消耗與網絡服務性能之間平衡在資源消耗與網絡服務性能之間平衡。.3.1 3

4、.1 物理層物理層3.1.1 3.1.1 物理層概述物理層概述1 1、物理層的基本概念、物理層的基本概念 在計算機網絡中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸介質上在計算機網絡中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸介質上傳輸數據的比特流。國際標準化組織對開放系統互聯傳輸數據的比特流。國際標準化組織對開放系統互聯(OSI)(OSI)參考模型中物理層的參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護和釋放數據鏈路實體之間的二進制比特傳輸的定義如下：物理層為建立、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，提供物理連接，提供機械的、電氣的、功能的和規程性的機械的、電氣的、功能的

5、和規程性的特性。特性。 從定義可以看出，物理層的特點是負責在從定義可以看出，物理層的特點是負責在物理連接上傳輸二進制比特流物理連接上傳輸二進制比特流，并提供為建立、維護和釋放物理連接所需要的機械、電氣、功能和規程的特性。并提供為建立、維護和釋放物理連接所需要的機械、電氣、功能和規程的特性。.n網絡中物理設備與傳輸介質的種類很多，通信網絡中物理設備與傳輸介質的種類很多，通信也有不同的方式；也有不同的方式；n物理層要盡可能屏蔽掉這些差異，使數據鏈路物理層要盡可能屏蔽掉這些差異，使數據鏈路層感覺不到這種差異層感覺不到這種差異；n確保數據鏈路層只需要考慮如何完成本層的協確保數據鏈路層只需要考慮如何完成

6、本層的協議和服務，而不必考慮網絡具體的傳輸介質。議和服務，而不必考慮網絡具體的傳輸介質。.n物理層處于最底層，是整個開放系統的基礎，向下直物理層處于最底層，是整個開放系統的基礎，向下直接與物理傳輸介質相連接接與物理傳輸介質相連接; ;n物理層協議是各網絡設備互聯時遵守的底層協議物理層協議是各網絡設備互聯時遵守的底層協議; ;n實現網絡物理設備之間的二進制比特流的透明傳輸實現網絡物理設備之間的二進制比特流的透明傳輸; ;n負責主機間傳輸數據位，為物理介質上傳輸的比特流負責主機間傳輸數據位，為物理介質上傳輸的比特流建立規則，及需何種傳送技術在傳輸介質上發送數據建立規則，及需何種傳送技術在傳輸介質上

7、發送數據; ;n對數據鏈路層屏蔽物理傳輸介質的特性，以便對高層對數據鏈路層屏蔽物理傳輸介質的特性，以便對高層協議有最大的透明性，但定義了數據鏈路層所使用的協議有最大的透明性，但定義了數據鏈路層所使用的訪問方法訪問方法 .物理層的主要功能如下：物理層的主要功能如下： 為數據終端設備為數據終端設備(Data Terminal Equipment(Data Terminal Equipment，DTE)DTE)提供傳送數據的通路。提供傳送數據的通路。 數據通路可以是一個物理介質，也可由多個物理介質數據通路可以是一個物理介質，也可由多個物理介質連接而成的。連接而成的。 一次完整的數據傳輸包括激活物理連

8、接、傳送數據和一次完整的數據傳輸包括激活物理連接、傳送數據和終止物理鏈接。終止物理鏈接。 所謂所謂“激活物理鏈接激活物理鏈接”就是不管有多少物理介質參與，就是不管有多少物理介質參與，都需將通信的兩個數據終端設備連接起來，形成一通路。都需將通信的兩個數據終端設備連接起來，形成一通路。.物理層的主要功能如下：物理層的主要功能如下：傳輸數據。傳輸數據。 物理層要形成適合傳輸需要的實體，為數據傳輸服務，物理層要形成適合傳輸需要的實體，為數據傳輸服務，保證數據能在物理層正確通過，并提供保證數據能在物理層正確通過，并提供足夠的帶寬足夠的帶寬，以，以減減少信道的擁塞少信道的擁塞。 數據傳輸的方式能滿足點到點

9、、一點到多點、串行或數據傳輸的方式能滿足點到點、一點到多點、串行或并行、半雙工或全雙工、同步或異步傳輸的需要。并行、半雙工或全雙工、同步或異步傳輸的需要。 .物理層的主要功能如下：物理層的主要功能如下：其他管理工作其他管理工作 如如信道狀態評估信道狀態評估、能量檢測能量檢測等等 .n具體的物理層協議比較復雜具體的物理層協議比較復雜 物理鏈接的方式很多物理鏈接的方式很多：可以是點到點的，也：可以是點到點的，也可以是多點連接或廣播連接?？梢允嵌帱c連接或廣播連接。 傳輸介質種類非常多傳輸介質種類非常多：如架空明線、平衡電：如架空明線、平衡電纜、同軸電纜、光纖、雙絞線和無線信道等。纜、同軸電纜、光纖、

10、雙絞線和無線信道等。 .n通信所用的互連設備是指通信所用的互連設備是指數據終端設備數據終端設備和和數據電路終數據電路終端設備間的互連設備端設備間的互連設備。n具有一定數據處理能力和發送、接收數據能力的設備具有一定數據處理能力和發送、接收數據能力的設備稱為稱為“數據終端設備數據終端設備”，也稱為，也稱為“物理設備物理設備”，如，如計計算機算機、I IO O設備設備終端等；終端等；n介于數據終端設備和傳輸介質之間的數據通信設備或介于數據終端設備和傳輸介質之間的數據通信設備或電路連接設備，稱為電路連接設備，稱為“數據電路終端設備數據電路終端設備”，如，如調制調制解調器解調器等。等。 .n物理層通信過

11、程中，物理層通信過程中，數據終端設備數據終端設備和和數據電路終端設數據電路終端設備備之間應該既有之間應該既有數據信息傳數據信息傳輸，也有輸，也有控制信息控制信息傳輸；傳輸；n制定相互之間的接口標準來協調工作。這些標準就是制定相互之間的接口標準來協調工作。這些標準就是物理接口標準。物理接口標準。.通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述：通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述： 機械特性。機械特性。它規定了物理連接時使用的可接插連接器的形狀和尺寸，它規定了物理連接時使用的可接插連接器的形狀和尺寸，連接器中的引腳數量和排列情況等。連接器中的引腳數量和排列情況等。 電氣特性。電氣特性。

12、它規定了在物理連接上傳輸二進制比特流時，線路上信號它規定了在物理連接上傳輸二進制比特流時，線路上信號電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。 功能特性。功能特性。它規定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。它規定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。物理接口信號線一般分為數據線、控制線、定時線和地線。物理接口信號線一般分為數據線、控制線、定時線和地線。 規程特性。規程特性。它定義了信號線進行二進制比特流傳輸線的一組操作過程，它定義了信號線進行二進制比特流傳輸線的一組操作過程，包括各信號線的工作規則和時序。包括各信號線的工作規則

13、和時序。.2 2、無線通信物理層的主要技術、無線通信物理層的主要技術 無線通信物理層的主要技術包括無線通信物理層的主要技術包括介質的選擇介質的選擇、頻段的頻段的選擇選擇、調制技術調制技術和和擴頻技術擴頻技術。 (1)(1)介質和頻段選擇介質和頻段選擇 無線通信的介質包括電磁波和聲波。電磁波是最主要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。根的無線通信介質，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據波長的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫據波長的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中米波和光波等，其中無線電波無線電波在無

14、線網絡中使用最廣泛。在無線網絡中使用最廣泛。. 無線電波是容易產生，可以傳播很遠，可以穿過建筑無線電波是容易產生，可以傳播很遠，可以穿過建筑物，因而被廣泛地用于室內或室外的無線通信。物，因而被廣泛地用于室內或室外的無線通信。 無線電波是全方向傳播信號的，它能向任意方向發送無線電波是全方向傳播信號的，它能向任意方向發送無線信號，所以發射方和接收方的裝置在位置上不必要求無線信號，所以發射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對準很精確的對準。. 無線電波的傳播特性與頻率相關。如果采用較低頻率，則它能輕無線電波的傳播特性與頻率相關。如果采用較低頻率，則它能輕易地通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距

15、離易地通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距離r r的增大而急劇減小，的增大而急劇減小，大致為大致為1/r1/r3 3。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，且受障礙物阻，且受障礙物阻擋的影響。無線電波易受發動機和其它電子設備的干擾。擋的影響。無線電波易受發動機和其它電子設備的干擾。 另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，用戶之間的相互串擾也是另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，用戶之間的相互串擾也是需要關注的問題，所以每個國家和地區都有關于無線頻率管制方面的需要關注的問題，所以每個國家和地區都有關于無線頻率管制方面的使用授權規定。使用授權規定。.(2)(2)調制技術調

16、制技術 調制和解調調制和解調技術是無線通信系統的關鍵技術之一。通技術是無線通信系統的關鍵技術之一。通常信號源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低常信號源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號。的頻率分量，稱為基帶信號。 基帶信號往往不能作為傳輸信號，因而要將基帶信號基帶信號往往不能作為傳輸信號，因而要將基帶信號轉換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于轉換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進行信道傳輸。通常將帶通信號稱為已調信號，而基帶信進行信道傳輸。通常將帶通信號稱為已調信號，而基帶信號稱為調制信號。號稱為調制信號。.n調制技術通過改變高

17、頻載波的調制技術通過改變高頻載波的幅度幅度、相位相位或或頻頻率率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化。，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化。n解調是將基帶信號從載波中提取出來以便預定解調是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收者的接收者(信宿信宿)處理和理解的過程。處理和理解的過程。. 調制對通信系統的有效性和可靠性有很大的影調制對通信系統的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調制和解調往往在很大程度上決定響，采用什么方法調制和解調往往在很大程度上決定著通信系統的質量。著通信系統的質量。 根據調制中采用的基帶信號的類型，可以將調制根據調制中采用的基帶信號的類型，可以將調制分為模擬調制和數字調

18、制。分為模擬調制和數字調制。 . 模擬調制是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參模擬調制是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而量進行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。變化。 數字調制是用數字基帶信號對高頻載波的某一參數字調制是用數字基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著數字基帶信號的變化而量進行控制，使高頻載波隨著數字基帶信號的變化而變化。目前通信系統都在由模擬制式向數字制式過渡，變化。目前通信系統都在由模擬制式向數字制式過渡，因此因此數字調制已經成為了主流的調制技術數字調制已經成為了主流的調制技術。. 根據原始信號所控制參量的不

19、同，調制分為幅度調制（根據原始信號所控制參量的不同，調制分為幅度調制（Amplitude Amplitude Modulation, AMModulation, AM）、頻率調制（）、頻率調制（Frequency Modulation, FMFrequency Modulation, FM）和相位）和相位調制（調制（Phase Modulation, PMPhase Modulation, PM）。）。 當數字調制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時，由于該序列只存當數字調制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時，由于該序列只存在在“有電有電”和和“無電無電”兩種狀態，因而可以采用電鍵控制，被稱為鍵兩種

20、狀態，因而可以采用電鍵控制，被稱為鍵控信號，所以上述數字信號的調幅、調頻、調相分別又被稱為幅移鍵控信號，所以上述數字信號的調幅、調頻、調相分別又被稱為幅移鍵控控(Amplitude Shift Keying, (Amplitude Shift Keying, ASKASK) )、頻移鍵控、頻移鍵控(Frequency Shift (Frequency Shift Keying, Keying, FSKFSK) )和相移鍵控和相移鍵控(Phase Shift Keying, (Phase Shift Keying, PSKPSK) )。. 20 20世紀世紀8080年代以來，人們十分重視調制技術

21、在無線年代以來，人們十分重視調制技術在無線通信系統中的應用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜特性通信系統中的應用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜特性更好的數字調制方式。更好的數字調制方式。 由于振幅鍵控信號的抗噪聲性能不夠理想，因而目由于振幅鍵控信號的抗噪聲性能不夠理想，因而目前在無線通信中廣泛應用的調制方法是前在無線通信中廣泛應用的調制方法是頻率鍵控和相位頻率鍵控和相位鍵控。鍵控。.(3)(3)擴頻技術擴頻技術 擴頻又稱為擴展頻譜，定義如下：擴頻又稱為擴展頻譜，定義如下：是一種信息傳輸方式是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；于所傳信息必需

22、的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現，及調制的方法來實現，與所傳信息數據無關與所傳信息數據無關；在接收端用同樣的碼進行相關同步接收、解擴和恢復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。所傳信息數據。. 擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種：擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴頻直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)；跳頻跳頻(Frequ

23、ency Hopping Spread Spectrum, FHSS)(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)；跳時跳時(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)；寬帶線性調頻擴頻寬帶線性調頻擴頻(chirp Spread Spectrum, chirp-SS(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，簡稱切普，簡稱切普擴頻擴頻) )。. 擴頻通信與一般無線通信系統相比，主要是在發射端增加了擴擴頻通信與一般無線通信系統相比，主要是

24、在發射端增加了擴頻調制，而在接收端增加了擴頻解調。頻調制，而在接收端增加了擴頻解調。 擴頻技術的優點包括：擴頻技術的優點包括：易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用率率; ;抗干擾性強，誤碼率低抗干擾性強，誤碼率低; ;隱蔽性好，對各種窄帶通信系統的干擾隱蔽性好，對各種窄帶通信系統的干擾很小很小; ;可以實現碼分多址可以實現碼分多址; ;抗多徑干擾抗多徑干擾; ;能精確地定時和測距能精確地定時和測距; ;適合數適合數字話音和數據傳輸，以及開展多種通信業務字話音和數據傳輸，以及開展多種通信業務; ;安裝簡便，易于維護。安裝簡便，易于維護。.3 3、無線傳感器網絡

25、物理層的特點、無線傳感器網絡物理層的特點 無線傳感器網絡作為無線通信網絡中的一種類型，因無線傳感器網絡作為無線通信網絡中的一種類型，因此它包含了上述介紹的無線通信物理層技術的特點。此它包含了上述介紹的無線通信物理層技術的特點。 由于傳感器網絡的主要設計參數是成本和功耗，因而由于傳感器網絡的主要設計參數是成本和功耗，因而物理層的設計對整個網絡的成功運行來說是至關重要的。物理層的設計對整個網絡的成功運行來說是至關重要的。 采用了不適宜的調制方式、工作頻帶和編碼方案，即采用了不適宜的調制方式、工作頻帶和編碼方案，即使設計出的網絡能夠勉強完成預定的功能，也未必滿足推使設計出的網絡能夠勉強完成預定的功能

26、，也未必滿足推廣應用所需的成本和電池壽命方面的要求。廣應用所需的成本和電池壽命方面的要求。.3 3、無線傳感器網絡物理層的特點、無線傳感器網絡物理層的特點 目前無線傳感器網絡的通信傳輸介質主要是目前無線傳感器網絡的通信傳輸介質主要是無線電波無線電波、紅外線紅外線和和光波光波三種類型。三種類型。 無線電波的通信限制較少，通常人們選擇無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業、科工業、科學和醫療學和醫療”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, ISM)Scientific and Medical, ISM)頻段。頻段。 ISM ISM頻段的優點

27、：自由頻段，無須注冊，可選頻譜范頻段的優點：自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實現起來靈活方便。圍大，實現起來靈活方便。ISMISM頻段的缺點主要是功率受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限，另外與現有多種無線通信應用存在相互干擾問題。. 盡管傳感器網絡可以通過其它方式實現通信，譬如盡管傳感器網絡可以通過其它方式實現通信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當前傳感器網絡的主流通信方式，在很多領域得到了廣泛前傳感器網絡的主流通信方式，在很多領域得到了廣泛應用應用。.n調制是無線通信系統的重要技術，

28、它使得信號調制是無線通信系統的重要技術，它使得信號與信道匹配，增強電波的有效輻射，可以方便與信道匹配，增強電波的有效輻射，可以方便頻率分配、減小信號干擾；頻率分配、減小信號干擾；n擴頻通信具有很強的抗干擾能力，可進行多址擴頻通信具有很強的抗干擾能力，可進行多址通信，通信，安全性強安全性強，難以被敵方竊聽；，難以被敵方竊聽；n對于傳感器網絡來說，選擇適當的調制解調和對于傳感器網絡來說，選擇適當的調制解調和擴頻機制是實現可靠通信傳輸的關鍵擴頻機制是實現可靠通信傳輸的關鍵。 .物理層設計的重點問題物理層設計的重點問題 n調制機制：調制機制：低能耗和低成本的特點要求調制機制盡量低能耗和低成本的特點要求

29、調制機制盡量設計簡單，使得能量消耗最低。但另一方面無線通信設計簡單，使得能量消耗最低。但另一方面無線通信本身的不可靠性，傳感器網絡與現有無線設備之間的本身的不可靠性，傳感器網絡與現有無線設備之間的無線電干擾，以及具體應用的特殊需要使得調制機制無線電干擾，以及具體應用的特殊需要使得調制機制必須具有較強的抗干擾能力。必須具有較強的抗干擾能力。n與上層協議結合的跨層優化設計：與上層協議結合的跨層優化設計：物理層位于協議最物理層位于協議最底層，是整個協議棧的基礎。它的設計對各上層內容底層，是整個協議棧的基礎。它的設計對各上層內容的跨層優化設計具有重要的影響，而跨層優化設計是的跨層優化設計具有重要的影響

30、，而跨層優化設計是傳感器網絡協議設計的主要內容。傳感器網絡協議設計的主要內容。n硬件設計：硬件設計：在傳感器網絡的整個協議棧中，物理層與在傳感器網絡的整個協議棧中，物理層與硬件的關系最為密切，微型化、低功耗、低成本的傳硬件的關系最為密切，微型化、低功耗、低成本的傳感器單元、處理器單元和通信單元的有機集成是非常感器單元、處理器單元和通信單元的有機集成是非常必要的。必要的。.3.1.2 3.1.2 傳感器網絡物理層的設計傳感器網絡物理層的設計1 1、傳輸介質、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。外線和光波等。

31、在無線電頻率選擇方面，在無線電頻率選擇方面，ISMISM頻段是一個很好的選擇。因為頻段是一個很好的選擇。因為ISMISM頻段在大多數國家屬于無須注冊的公用頻段。頻段在大多數國家屬于無須注冊的公用頻段。.ISM頻段的主要優點頻段的主要優點nISM是自由頻段，可用頻帶寬，并且在全球范是自由頻段，可用頻帶寬，并且在全球范圍內都具有可用性圍內都具有可用性；n沒有特定的標準，給設計適合無線傳感器網絡沒有特定的標準，給設計適合無線傳感器網絡的節能策略帶來了更多的設計靈活性和空間。的節能策略帶來了更多的設計靈活性和空間。nISM頻段存在一些使用上的問題，例如功率限頻段存在一些使用上的問題，例如功率限制以及與

32、現有的其他無線電應用之間存在相互制以及與現有的其他無線電應用之間存在相互干擾等。干擾等。.ISM可用頻段可用頻段. 無線傳感器網絡節點之間通信的另一種手段是紅外技無線傳感器網絡節點之間通信的另一種手段是紅外技術。紅外通信的優點是無須注冊，并且抗干擾能力強。術。紅外通信的優點是無須注冊，并且抗干擾能力強。 紅外通信的主要缺點紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發送者和接是穿透能力差，要求發送者和接收者之間存在視距關系。這導致紅外難以成為無線傳感器收者之間存在視距關系。這導致紅外難以成為無線傳感器網絡的主流傳輸介質，而只能在一些特殊場合得到應用。網絡的主流傳輸介質，而只能在一些特殊場合得到應用。.

33、 對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網絡對通信傳輸介質可對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網絡對通信傳輸介質可能有特別的要求。例如，艦船應用可能要求使用水性傳輸介質，譬能有特別的要求。例如，艦船應用可能要求使用水性傳輸介質，譬如能穿透水面的長波。復雜地形和戰場應用會遇到信道不可靠和嚴如能穿透水面的長波。復雜地形和戰場應用會遇到信道不可靠和嚴重干擾等問題重干擾等問題。 另外，一些傳感器節點的天線可能在高度和發射功率方面比不另外，一些傳感器節點的天線可能在高度和發射功率方面比不上周圍的其它無線設備，為了保證這些低發射功率的傳感器網絡節上周圍的其它無線設備，為了保證這些低發射功率的傳感器網絡節點正常

34、完成通信任務，要求所選擇的傳輸介質能支持健壯的編碼和點正常完成通信任務，要求所選擇的傳輸介質能支持健壯的編碼和調制機制。調制機制。.2 2、物理層幀結構、物理層幀結構 物理幀的第一個字段是前導碼，字節數一般取物理幀的第一個字段是前導碼，字節數一般取4 4，用于收發器進行碼片，用于收發器進行碼片或者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字節，表示同步結束，或者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字節，表示同步結束，數據包開始傳輸。幀頭與前導碼構成了同步頭。數據包開始傳輸。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幀長度字段通常由一個字節的低7 7位表示，其值就是后續的

35、物理層位表示，其值就是后續的物理層PHYPHY負負載的長度，因此它的后續載的長度，因此它的后續PHYPHY負載的長度不會超過負載的長度不會超過127127個字節。個字節。 物理幀物理幀PHYPHY的負載長度可變，稱為物理服務數據單元的負載長度可變，稱為物理服務數據單元(PHY Service Data (PHY Service Data Unite, PSDU)Unite, PSDU)，攜帶，攜帶PHYPHY數據包的數據，數據包的數據，PSDUPSDU域是物理層的載荷域是物理層的載荷 。.3 3、物理層設計技術、物理層設計技術 物理層需要考慮物理層需要考慮編碼調制技術編碼調制技術、通信速率通信

36、速率和和通信頻段通信頻段等問題：等問題： 編碼調制技術影響占用頻率帶寬、通信速率、收發機結構和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。比較常見的編碼調制技術包括幅移鍵控、功率等一系列的技術參數。比較常見的編碼調制技術包括幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴頻技術。頻移鍵控、相移鍵控和各種擴頻技術。 提高數據傳輸速率可減少數據收發的時間提高數據傳輸速率可減少數據收發的時間，對于節能具有意，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。一般用單個比特義，但需要同時考慮提高網絡速度對誤碼的影響。一般用單個比特的收發能耗來定義數據傳輸對能量的效率，單比特

37、能耗越小越好。的收發能耗來定義數據傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。. 在低速無線個域網在低速無線個域網(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4標準中，定義的物理層是標準中，定義的物理層是在在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個載波頻段收發數據。在這三個頻段都三個載波頻段收發數據。在這三個頻段都使用了直接序列擴頻方式。使用了直接序列擴頻方式。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標準非常適合無線傳感器網絡的特點，是傳感器網標準非常適合無線傳感器網絡的特點，是傳感器網絡物理層協議標準的最有力競爭者之一。

38、目前基于該標準的射頻芯片絡物理層協議標準的最有力競爭者之一。目前基于該標準的射頻芯片也相繼推出，例如也相繼推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420無線通信芯片。無線通信芯片。. 總的來看，針對無線傳感器網絡的特點，現有的物理總的來看，針對無線傳感器網絡的特點，現有的物理層設計基本采用結構簡單的調制方式，在頻段選擇上主要層設計基本采用結構簡單的調制方式，在頻段選擇上主要集中在集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波波段。段。.3.2 MAC3.2 MAC協議協議3.

39、2.1 MAC3.2.1 MAC協議概述協議概述 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，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。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為了解決這些問題，就需要設計介質訪問控制(Medium Access (Medium Access Contro

40、lControl，MAC)MAC)協議。所謂協議。所謂MACMAC協議就是通過一組規則和過程來有效、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有序和公平地使用共享介質。.n無線傳感器網絡中，無線傳感器網絡中，MAC協議決定著無線信道協議決定著無線信道的使用方式，用來在傳感器結點之間的使用方式，用來在傳感器結點之間分配有限分配有限的無線通信資源的無線通信資源，構建傳感器網絡系統的底層，構建傳感器網絡系統的底層基礎結構?；A結構。nMAC協議處于傳感器網絡協議的底層部分，對協議處于傳感器網絡協議的底層部分，對網絡性能有較大影響，是保證傳感器網絡網絡性能有較大影響，是保證傳感器網絡高

41、效高效通信的關鍵網絡協議通信的關鍵網絡協議之一之一。.n傳感器結點的能量、存儲、計算和通信帶寬等傳感器結點的能量、存儲、計算和通信帶寬等資源有限，單個結點的功能比較弱，而資源有限，單個結點的功能比較弱，而傳感器傳感器網絡的豐富功能是由眾多結點協作實現的網絡的豐富功能是由眾多結點協作實現的；n多點通信在多點通信在局部范圍局部范圍需要需要MAC協議協調相互之協議協調相互之間的無線信道分配，在設計傳感器網絡的間的無線信道分配，在設計傳感器網絡的MAC協義時，需要著重考慮以下幾個問題：協義時，需要著重考慮以下幾個問題：.n節省能量：節省能量：結點一般以干電池等提供能量，能量通常結點一般以干電池等提供能

42、量，能量通常難以補充，為長時間保證網絡有效工作，難以補充，為長時間保證網絡有效工作，MAC協議在協議在滿足應用要求前提下，應盡量節省使用結點的能量。滿足應用要求前提下，應盡量節省使用結點的能量。n可擴展性：可擴展性：傳感器結點數目、分布密度等在網絡生存傳感器結點數目、分布密度等在網絡生存過程中不斷變化，結點位置也可能移動，還有新結點過程中不斷變化，結點位置也可能移動，還有新結點加入網絡的問題，網絡的拓撲結構具有動態性。加入網絡的問題，網絡的拓撲結構具有動態性。MAC協議應具有可擴展性，適應動態變化的拓撲結構。協議應具有可擴展性，適應動態變化的拓撲結構。n網絡效率：網絡效率：網絡效率包括網絡的公

43、平性、實時性、網網絡效率包括網絡的公平性、實時性、網絡吞吐量和帶寬利用率等。絡吞吐量和帶寬利用率等。n上述問題重要性依次遞減。由于傳感器結點本身不能上述問題重要性依次遞減。由于傳感器結點本身不能自動補充能量或能量補充不足，節約能量成為傳感器自動補充能量或能量補充不足，節約能量成為傳感器網絡網絡MAC協議設計的首要考慮因素。協議設計的首要考慮因素。.與傳統網絡與傳統網絡MAC協議的差異協議的差異n傳統網絡中，結點能連續獲得能量供應，整個傳統網絡中，結點能連續獲得能量供應，整個網絡的拓撲結構相對穩定，網絡的變化范圍和網絡的拓撲結構相對穩定，網絡的變化范圍和變化頻率都比較小，變化頻率都比較小，MAC

44、協議協議重點考慮結點使重點考慮結點使用帶寬的公平性，提高帶寬的利用率和增加網用帶寬的公平性，提高帶寬的利用率和增加網絡的實時性絡的實時性。n傳感器網絡的傳感器網絡的MAC協議與傳統網絡的協議與傳統網絡的MAC協協議所注重的因素不同，傳統網絡的議所注重的因素不同，傳統網絡的MAC協議不協議不適用于傳感器網絡，需要設計適用于傳感器網適用于傳感器網絡，需要設計適用于傳感器網絡的絡的MAC協議。協議。.網絡結點無線通信模塊的狀態網絡結點無線通信模塊的狀態n發送狀態、接收狀態、偵聽狀態和睡眠狀態發送狀態、接收狀態、偵聽狀態和睡眠狀態；n單位時間內消耗能量按照上述順序依次減少，單位時間內消耗能量按照上述順

45、序依次減少，無線通信模塊在發送狀態消耗能量最多，在睡無線通信模塊在發送狀態消耗能量最多，在睡眠狀態消耗能量最少，接收狀態和偵聽狀態下眠狀態消耗能量最少，接收狀態和偵聽狀態下的能量消耗稍小于發送狀態。的能量消耗稍小于發送狀態。 .傳感器網絡傳感器網絡MAC協議無線信道使用策略協議無線信道使用策略n為減少能量消耗，采用為減少能量消耗，采用“偵聽偵聽/睡眠睡眠”交替策略，有數交替策略，有數據收發時，開啟通信模塊進行發送或偵聽；沒有數據據收發時，開啟通信模塊進行發送或偵聽；沒有數據需要收發，控制通信模塊進入睡眠狀態，減少空閑偵需要收發，控制通信模塊進入睡眠狀態，減少空閑偵聽造成的能量消耗。聽造成的能量

46、消耗。n為使結點睡眠時不錯過發送給它的數據，或減少結點為使結點睡眠時不錯過發送給它的數據，或減少結點的過度偵聽，的過度偵聽，結點間需協調它們的偵聽和睡眠周期結點間需協調它們的偵聽和睡眠周期。n采用基于競爭的采用基于競爭的MAC協議，要考慮發送協議，要考慮發送數據產生碰撞數據產生碰撞的可能的可能，根據信道使用信息調整發送時機。，根據信道使用信息調整發送時機。MAC協議協議應簡單高效，避免協議本身開銷大、消耗過多能量。應簡單高效，避免協議本身開銷大、消耗過多能量。 .(1) (1) 采用分布式控制還是集中控制；采用分布式控制還是集中控制；(2) (2) 使用單一共享信道還是多個信道；使用單一共享信

47、道還是多個信道；(3) (3) 采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。傳感器網絡傳感器網絡MACMAC協議可以按照下列條件進行分類：協議可以按照下列條件進行分類：.本書根據上述的第三種分類方法，將傳感器本書根據上述的第三種分類方法，將傳感器網絡的網絡的MACMAC協議分為以下三種：協議分為以下三種： (1) (1) 時分復用無競爭接入方式。時分復用無競爭接入方式。 無線信道時分復用無線信道時分復用(TDMA)(TDMA)方式給每個傳方式給每個傳感器節點分配感器節點分配固定的無線信道固定的無線信道使用時段，避使用時段，避免節點之間相互干擾。免節點之間

48、相互干擾。. (2) (2) 隨機競爭接入方式。如果采用無線信隨機競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機競爭接入方式，節點在需要發送數據道的隨機競爭接入方式，節點在需要發送數據時隨機使用無線信道，盡量減少節點間的干擾。時隨機使用無線信道，盡量減少節點間的干擾。 典型的方法是采用載波偵聽多路訪問典型的方法是采用載波偵聽多路訪問(CSMA)(CSMA)的的MACMAC協議。協議。. (3) (3) 競爭與固定分配相結合的接入方式。通競爭與固定分配相結合的接入方式。通過混合采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現過混合采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現節點間無沖突的無線信道分配。節點間無沖突的無線信道分

49、配。. 基于競爭的隨機訪問基于競爭的隨機訪問MACMAC協議采用按需使用協議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是當節點需要發送數信道的方式，它的基本思想是當節點需要發送數據時，通過競爭方式使用無線信道；據時，通過競爭方式使用無線信道； 如果發送的數據產生了碰撞，就按照某種策如果發送的數據產生了碰撞，就按照某種策略重發數據，直到數據發送成功或放棄發送。略重發數據，直到數據發送成功或放棄發送。. 典型的基于競爭的隨機訪問典型的基于競爭的隨機訪問MACMAC協議是載波協議是載波偵聽多路訪問偵聽多路訪問(CSMA)(CSMA)接入方式。接入方式。 在無線局域網在無線局域網IEEE 802.11 MA

50、CIEEE 802.11 MAC協議的分布協議的分布式協調工作模式中，就采用了帶沖突避免的載波式協調工作模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問偵聽多路訪問(CSMA/CA)(CSMA/CA)協議，它是基于競爭的協議，它是基于競爭的無線網絡無線網絡MACMAC協議的典型代表。協議的典型代表。. CSMA/CACSMA/CA機制：機制： 在信號傳輸之前，發射機先偵聽介質中是否在信號傳輸之前，發射機先偵聽介質中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數據傳輸狀態；直接進入數據傳輸狀態； 若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新若存在載波，則

51、在隨機退避一段時間后重新檢測信道。這種介質訪問控制層的方案簡化了實檢測信道。這種介質訪問控制層的方案簡化了實現自組織網絡應用的過程?，F自組織網絡應用的過程。 .n在在IEEE 802.11 MAC協議基礎上，設計協議基礎上，設計出適用于傳感器網絡的多種出適用于傳感器網絡的多種MAC協議。協議。.3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協協議議 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協議分為協議分為分布式協調功能分布式協調功能(Distributed Coordination Function, DCF)(Distributed

52、 Coordination Function, DCF)和和點協點協調功能調功能(Point Coordination Function(Point Coordination Function，PCF)PCF)兩種訪兩種訪問控制方式，其中問控制方式，其中DCFDCF方式是方式是IEEE 802.11IEEE 802.11協議的基本協議的基本訪問控制方式。訪問控制方式。.n由于無線信道中難以檢測到信號的碰撞，只能由于無線信道中難以檢測到信號的碰撞，只能采用采用隨機退避的方式隨機退避的方式來減少數據碰撞的概率來減少數據碰撞的概率;n在在DCF工作方式下，結點偵聽到無線信道忙之工作方式下，結點偵聽到

53、無線信道忙之后，采用后，采用CSMACA機制和隨機退避時間，機制和隨機退避時間，實現無線信道的共享實現無線信道的共享;n定向通信采用立即的主動確認定向通信采用立即的主動確認(ACK幀幀)機制，機制，如果沒有收到如果沒有收到ACK幀，發送方會重傳數據。幀，發送方會重傳數據。. 在在DCFDCF工作方式工作方式下，載波偵聽機制下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽通過物理載波偵聽和虛擬載波偵聽來和虛擬載波偵聽來確定無線信道的狀確定無線信道的狀態。物理載波偵聽態。物理載波偵聽由物理層提供，虛由物理層提供，虛擬載波偵聽由擬載波偵聽由MACMAC層層提供。提供。ABCDRTS數 據CTSA CKN A VN

54、A V. IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協議規定了三種基本幀間間隔協議規定了三種基本幀間間隔(InterFrame (InterFrame SpaceSpace，IFS)IFS)，用來提供訪問無線信道的優先級：，用來提供訪問無線信道的優先級： （1 1）SIFS (short IFS)SIFS (short IFS)：最短幀間間隔。：最短幀間間隔。 （2 2）PIFS (PCF IFS)PIFS (PCF IFS)：PCFPCF方式下節點使用的幀間間隔。方式下節點使用的幀間間隔。 （3 3）DIFS (DCF IFS)DIFS (DCF IFS)：DCFDCF方

55、式下節點使用的幀間問隔。方式下節點使用的幀間問隔。. 根據根據CSMA/CACSMA/CA協議，當節點要傳輸一個分組時，它首先偵聽信道狀協議，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態。如果信道空閑，而且經過一個幀間間隔時間DIFSDIFS后，信道仍然空后，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，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直到信道的空閑時間超過DIFSDIFS。當信道最終空閑下來的時候，節點進。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

56、發生碰撞。一步使用二進制退避算法，進入退避狀態來避免發生碰撞。當信道空閑時間大于DIF時 使用信道DIFSPIFSSIFS信道忙競爭窗口退避窗口下一幀時間槽時間DIFS推遲發送. 隨機退避時間按下面公式進行計算：隨機退避時間按下面公式進行計算： 退避時間退避時間=Random()=Random()aSlottime aSlottime 其中，其中，Random()Random()是在競爭窗口是在競爭窗口00，CWCW內均勻分布的偽內均勻分布的偽隨機整數隨機整數；CWCW是整數隨機數，它的數值位于標準規定的是整數隨機數，它的數值位于標準規定的aCWminaCWmin和和aCWmaxaCWmax之

57、間；之間；aSlottimeaSlottime是一個時槽時間，包括發是一個時槽時間，包括發射啟動時間、介質傳播時延、檢測信道的響應時間等。射啟動時間、介質傳播時延、檢測信道的響應時間等。. 網絡節點在進入退避狀態網絡節點在進入退避狀態時，啟動一個退避計時器，時，啟動一個退避計時器，當計時達到退避時間后結束當計時達到退避時間后結束退避狀態。在退避狀態下，退避狀態。在退避狀態下，只有當檢測到信道空閑時才只有當檢測到信道空閑時才進行計時。如果信道忙，退進行計時。如果信道忙，退避計時器中止計時，直到檢避計時器中止計時，直到檢測到信道空閑時間大于測到信道空閑時間大于DIFSDIFS后才繼續計時。當多個節

58、點后才繼續計時。當多個節點推遲且進入隨機退避時，利推遲且進入隨機退避時，利用隨機函數選擇最小退避時用隨機函數選擇最小退避時間的節點作為競爭優勝者。間的節點作為競爭優勝者。節點A節點B節點C節點D推遲推遲推遲競爭窗口幀幀節點EDIFS推遲競爭窗口幀競爭窗口幀幀競爭窗口退避時間剩余退避時間. 802.11 MAC 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)(DATA)時，必須向時，必須向源節點發送一個應答幀

59、源節點發送一個應答幀(ACK)(ACK)，確認數據已被正確接收到。為了保證目標節，確認數據已被正確接收到。為了保證目標節點在發送點在發送ACKACK過程中不與其它節點發生沖突，目標節點使用過程中不與其它節點發生沖突，目標節點使用SIFSSIFS幀間隔。主幀間隔。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。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。RTSDATACTSACK競 爭 窗 口下 一 幀DIFSDIFS源 站 點SIFS目 的 站 點NAV(RTS)NAV(CTS)其 他 站 點.3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協議：協議：S

60、-MACS-MAC協議協議 一種適用于無線傳感器網絡的比較典型的一種適用于無線傳感器網絡的比較典型的MACMAC協議，即協議，即S-MACS-MAC協議協議(Sensor MAC)(Sensor MAC)。這種協議是在。這種協議是在802.1l MAC802.1l MAC協議的協議的基礎上，針對傳感器網絡的節省能量需求而提出的?；A上，針對傳感器網絡的節省能量需求而提出的。 S-MAC S-MAC協議適用條件：傳感器網絡的協議適用條件：傳感器網絡的數據傳輸量不大數據傳輸量不大，網絡內部能夠進行數據的處理和融合以減少數據通信量，網絡內部能夠進行數據的處理和融合以減少數據通信量，網絡能容忍一定程度