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1、无线传感器网络第讲第三章1第1页，共108页，编辑于2022年，星期六 目视千里、耳听八方是人类长久的梦想，现代卫星技术的目视千里、耳听八方是人类长久的梦想，现代卫星技术的出现使人们离这一目标前进了很多，但卫星高高在上，洞察全出现使人们离这一目标前进了很多，但卫星高高在上，洞察全局在行，明察细微就勉为其难了。局在行，明察细微就勉为其难了。将大量传感器节点遍撒指定区域，数据通过无线电传回将大量传感器节点遍撒指定区域，数据通过无线电传回监控中心，监控区域内信息尽收观察者的眼中。监控中心，监控区域内信息尽收观察者的眼中。这是无线传感器网络技术应用的目标，其实现依赖于这是无线传感器网络技术应用的目标，
2、其实现依赖于优秀的数据传输方法，需要新型的网络通信技术。优秀的数据传输方法，需要新型的网络通信技术。2第2页，共108页，编辑于2022年，星期六 通常传感器节点的通信覆盖范围只有几十米到几百米，人们通常传感器节点的通信覆盖范围只有几十米到几百米，人们要考虑如何在有限的通信能力条件下，完成探测数据的传输。要考虑如何在有限的通信能力条件下，完成探测数据的传输。无线通信是传感器网络的关键技术之一。无线通信是传感器网络的关键技术之一。3第3页，共108页，编辑于2022年，星期六通信与组网技术通信与组网技术n通信处于传感器网络的最底层，包括通信处于传感器网络的最底层，包括物理层物理层及及MAC层；层
3、；n主要解决实现数据的主要解决实现数据的点到点点到点或则或则点到多点点到多点的传输的传输问题，为上层组网提供通信服务；问题，为上层组网提供通信服务；n同时满足传感器网络同时满足传感器网络大规模大规模、低成本低成本、低功耗低功耗及及鲁棒性鲁棒性等要求。等要求。4第4页，共108页，编辑于2022年，星期六通信与组网技术通信与组网技术n组网技术以底层通信技术为基础，建立一个组网技术以底层通信技术为基础，建立一个可靠可靠且具有严格功耗预算且具有严格功耗预算的通信网络，向用户提供服的通信网络，向用户提供服务支持；务支持；n网络层负责数据的网络层负责数据的路由转发路由转发，传输层负责实现数据，传输层负责
4、实现数据传输的传输的服务质量保障服务质量保障；n在资源消耗与网络服务性能之间平衡在资源消耗与网络服务性能之间平衡。5第5页，共108页，编辑于2022年，星期六3.1 3.1 物理层物理层3.1.1 3.1.1 物理层概述物理层概述1 1、物理层的基本概念、物理层的基本概念 在计算机网络中物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据的比特在计算机网络中物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据的比特流。国际标准化组织对开放系统互联流。国际标准化组织对开放系统互联(OSI)(OSI)参考模型中物理层的定义如下：物理层为建立、维护参考模型中物理层的定义如下：物理层为建
5、立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接，提供和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程机械的、电气的、功能的和规程性的性的特性。特性。从定义可以看出，物理层的特点是负责在从定义可以看出，物理层的特点是负责在物理连接上传输二进制比特流物理连接上传输二进制比特流，并提供为建，并提供为建立、维护和释放物理连接所需要的机械、电气、功能和规程的特性。立、维护和释放物理连接所需要的机械、电气、功能和规程的特性。6第6页，共108页，编辑于2022年，星期六n网络中物理设备与传输介质的种类很多，通信也有网络中物理设备与传输介质的种类很多，通信也有不同
6、的方式；不同的方式；n物理层要尽可能屏蔽掉这些差异，使数据链路层物理层要尽可能屏蔽掉这些差异，使数据链路层感觉不到这种差异感觉不到这种差异；n确保数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服确保数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输介质。务，而不必考虑网络具体的传输介质。7第7页，共108页，编辑于2022年，星期六n物理层处于最底层，是整个开放系统的基础，向下直接与物物理层处于最底层，是整个开放系统的基础，向下直接与物理传输介质相连接理传输介质相连接;n物理层协议是各网络设备互联时遵守的底层协议物理层协议是各网络设备互联时遵守的底层协议;n实现网络物理设备之间的
7、二进制比特流的透明传输实现网络物理设备之间的二进制比特流的透明传输;n负责主机间传输数据位，为物理介质上传输的比特流建负责主机间传输数据位，为物理介质上传输的比特流建立规则，及需何种传送技术在传输介质上发送数据立规则，及需何种传送技术在传输介质上发送数据;n对数据链路层屏蔽物理传输介质的特性，以便对高层协议有对数据链路层屏蔽物理传输介质的特性，以便对高层协议有最大的透明性，但定义了数据链路层所使用的访问方法最大的透明性，但定义了数据链路层所使用的访问方法 8第8页，共108页，编辑于2022年，星期六物理层的主要功能如下：物理层的主要功能如下：为数据终端设备为数据终端设备(Data Termi
8、nal Equipment(Data Terminal Equipment，DTE)DTE)提供传提供传送数据的通路。送数据的通路。数据通路可以是一个物理介质，也可由多个物理介质连接而数据通路可以是一个物理介质，也可由多个物理介质连接而成的。成的。一次完整的数据传输包括激活物理连接、传送数据和终止物理链一次完整的数据传输包括激活物理连接、传送数据和终止物理链接。接。所谓所谓“激活物理链接激活物理链接”就是不管有多少物理介质参与，都需就是不管有多少物理介质参与，都需将通信的两个数据终端设备连接起来，形成一通路。将通信的两个数据终端设备连接起来，形成一通路。9第9页，共108页，编辑于2022年，
9、星期六物理层的主要功能如下：物理层的主要功能如下：传输数据。传输数据。物理层要形成适合传输需要的实体，为数据传输服务，保物理层要形成适合传输需要的实体，为数据传输服务，保证数据能在物理层正确通过，并提供证数据能在物理层正确通过，并提供足够的带宽足够的带宽，以，以减少信道减少信道的拥塞的拥塞。数据传输的方式能满足点到点、一点到多点、串行或并行、数据传输的方式能满足点到点、一点到多点、串行或并行、半双工或全双工、同步或异步传输的需要。半双工或全双工、同步或异步传输的需要。10第10页，共108页，编辑于2022年，星期六物理层的主要功能如下：物理层的主要功能如下：其他管理工作其他管理工作 如如信道
10、状态评估信道状态评估、能量检测能量检测等等 11第11页，共108页，编辑于2022年，星期六n具体的物理层协议比较复杂具体的物理层协议比较复杂 物理链接的方式很多物理链接的方式很多：可以是点到点的，也可：可以是点到点的，也可以是多点连接或广播连接。以是多点连接或广播连接。传输介质种类非常多传输介质种类非常多：如架空明线、平衡电缆、：如架空明线、平衡电缆、同轴电缆、光纤、双绞线和无线信道等。同轴电缆、光纤、双绞线和无线信道等。12第12页，共108页，编辑于2022年，星期六n通信所用的互连设备是指通信所用的互连设备是指数据终端设备数据终端设备和和数据电路终端设数据电路终端设备间的互连设备备间
11、的互连设备。n具有一定数据处理能力和发送、接收数据能力的设备称为具有一定数据处理能力和发送、接收数据能力的设备称为“数据数据终端设备终端设备”，也称为，也称为“物理设备物理设备”，如，如计算机计算机、I IO O设备设备终端等；终端等；n介于数据终端设备和传输介质之间的数据通信设备或电路连接设介于数据终端设备和传输介质之间的数据通信设备或电路连接设备，称为备，称为“数据电路终端设备数据电路终端设备”，如，如调制解调器调制解调器等。等。13第13页，共108页，编辑于2022年，星期六n物理层通信过程中，物理层通信过程中，数据终端设备数据终端设备和和数据电路终端设备数据电路终端设备之间之间应该既
12、有应该既有数据信息传数据信息传输，也有输，也有控制信息控制信息传输；传输；n制定相互之间的接口标准来协调工作。这些标准就是物理接制定相互之间的接口标准来协调工作。这些标准就是物理接口标准。口标准。14第14页，共108页，编辑于2022年，星期六通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：机械特性。机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。的引脚数量和排列情况等。电气特性。电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电平
13、高它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。功能特性。功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。规程特性。规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。信号线的工作规则和时序。15第15页，共108页，编辑于2022年，星期六
14、2 2、无线通信物理层的主要技术、无线通信物理层的主要技术 无线通信物理层的主要技术包括无线通信物理层的主要技术包括介质的选择介质的选择、频段的选择频段的选择、调调制技术制技术和和扩频技术扩频技术。(1)(1)介质和频段选择介质和频段选择 无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波无线电波在在无线网络中使
15、用最广泛。无线网络中使用最广泛。16第16页，共108页，编辑于2022年，星期六 无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。被广泛地用于室内或室外的无线通信。无线电波是全方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信无线电波是全方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。17第17页，共108页，编辑于2022年，星期六 无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物
16、，无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离但电波能量随着与信号源距离r r的增大而急剧减小，大致为的增大而急剧减小，大致为1/r1/r3 3。如果采用高频传输，如果采用高频传输，则它趋于直线传播则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。干扰。另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需要另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，所以每个国家和地区都有关于无线频率管制方面的使用授权关注的问题，所以每个
17、国家和地区都有关于无线频率管制方面的使用授权规定。规定。18第18页，共108页，编辑于2022年，星期六(2)(2)调制技术调制技术 调制和解调调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，源的编码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输
18、。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。19第19页，共108页，编辑于2022年，星期六n调制技术通过改变高频载波的调制技术通过改变高频载波的幅度幅度、相位相位或或频率频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化。使其随着基带信号幅度的变化而变化。n解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者者(信宿信宿)处理和理解的过程。处理和理解的过程。20第20页，共108页，编辑于2022年，星期六 调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什
19、么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信采用什么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。系统的质量。根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制和数字调制。为模拟调制和数字调制。21第21页，共108页，编辑于2022年，星期六 模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波
20、随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了数字调制已经成为了主流的调制技术主流的调制技术。22第22页，共108页，编辑于2022年，星期六 根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制（根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制（Amplitude Amplitude Modulation,AMModulation,AM）、频率调制（）、频率调制（Frequency Modulation,FMFrequency Modulation,FM）和相位
21、调制）和相位调制（Phase Modulation,PMPhase Modulation,PM）。）。当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲序列时，由于该序列只存在当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲序列时，由于该序列只存在“有电有电”和和“无电无电”两种状态，因而可以采用电键控制，被称为键控信号，所以上述数字信两种状态，因而可以采用电键控制，被称为键控信号，所以上述数字信号的调幅、调频、调相分别又被称为幅移键控号的调幅、调频、调相分别又被称为幅移键控(Amplitude Shift Keying,(Amplitude Shift Keying,ASKASK)、频移键控频移键控(Frequenc
22、y Shift Keying,(Frequency Shift Keying,FSKFSK)和相移键控和相移键控(Phase Shift Keying,(Phase Shift Keying,PSKPSK)。23第23页，共108页，编辑于2022年，星期六 20 20世纪世纪8080年代以来，人们十分重视调制技术在无线通信系统年代以来，人们十分重视调制技术在无线通信系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性更好的数字调制方中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性更好的数字调制方式。式。由于振幅键控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无由于振幅键控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无线通信
23、中广泛应用的调制方法是线通信中广泛应用的调制方法是频率键控和相位键控。频率键控和相位键控。24第24页，共108页，编辑于2022年，星期六(3)(3)扩频技术扩频技术 扩频又称为扩展频谱，定义如下：扩频又称为扩展频谱，定义如下：是一种信息传输方式是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，制的方法来实现，与所传信息数据无关与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所在接收端
24、用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。传信息数据。25第25页，共108页，编辑于2022年，星期六 扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)；跳频跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)(Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)；跳时跳时(Time Hopping Spre
25、ad Spectrum,THSS)(Time Hopping Spread Spectrum,THSS)；宽带线性调频扩频宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum,chirp-SS(chirp Spread Spectrum,chirp-SS，简称切普扩频，简称切普扩频)。26第26页，共108页，编辑于2022年，星期六 扩频通信与一般无线通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在扩频通信与一般无线通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调。接收端增加了扩频解调。扩频技术的优点包括：扩频技术的优点包括：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率
26、易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率;抗干扰性强，抗干扰性强，误码率低误码率低;隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小;可以实现码分多址可以实现码分多址;抗多抗多径干扰径干扰;能精确地定时和测距能精确地定时和测距;适合数字话音和数据传输，以及开展多种通适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务信业务;安装简便，易于维护。安装简便，易于维护。27第27页，共108页，编辑于2022年，星期六3 3、无线传感器网络物理层的特点、无线传感器网络物理层的特点 无线传感器网络作为无线通信网络中的一种类型，因此它无线传感器网络作为无线通信网络中的一种类型，因此它包
27、含了上述介绍的无线通信物理层技术的特点。包含了上述介绍的无线通信物理层技术的特点。由于传感器网络的主要设计参数是成本和功耗，因而物理层由于传感器网络的主要设计参数是成本和功耗，因而物理层的设计对整个网络的成功运行来说是至关重要的。的设计对整个网络的成功运行来说是至关重要的。采用了不适宜的调制方式、工作频带和编码方案，即使设计出的采用了不适宜的调制方式、工作频带和编码方案，即使设计出的网络能够勉强完成预定的功能，也未必满足推广应用所需的成本和电网络能够勉强完成预定的功能，也未必满足推广应用所需的成本和电池寿命方面的要求。池寿命方面的要求。28第28页，共108页，编辑于2022年，星期六3 3、
28、无线传感器网络物理层的特点、无线传感器网络物理层的特点 目前无线传感器网络的通信传输介质主要是目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波无线电波、红外线红外线和和光波光波三种类型。三种类型。无线电波的通信限制较少，通常人们选择无线电波的通信限制较少，通常人们选择“工业、科学和工业、科学和医疗医疗”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical,ISM)Scientific and Medical,ISM)频段。频段。ISM ISM频段的优点：自由频段，无须注册，可选频谱范围大，频段的优点：自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便。实现
29、起来灵活方便。ISMISM频段的缺点主要是功率受限，另外与现频段的缺点主要是功率受限，另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题有多种无线通信应用存在相互干扰问题。29第29页，共108页，编辑于2022年，星期六 尽管传感器网络可以通过其它方式实现通信，譬如各种电尽管传感器网络可以通过其它方式实现通信，譬如各种电磁波（如射频和红外）、声波，但无线电波是当前传感器网络的磁波（如射频和红外）、声波，但无线电波是当前传感器网络的主流通信方式，在很多领域得到了广泛应用主流通信方式，在很多领域得到了广泛应用。30第30页，共108页，编辑于2022年，星期六n调制是无线通信系统的重要技术，它使得信号与
30、调制是无线通信系统的重要技术，它使得信号与信道匹配，增强电波的有效辐射，可以方便频率信道匹配，增强电波的有效辐射，可以方便频率分配、减小信号干扰；分配、减小信号干扰；n扩频通信具有很强的抗干扰能力，可进行多址通信，扩频通信具有很强的抗干扰能力，可进行多址通信，安全性强安全性强，难以被敌方窃听；，难以被敌方窃听；n对于传感器网络来说，选择适当的调制解调和扩频对于传感器网络来说，选择适当的调制解调和扩频机制是实现可靠通信传输的关键机制是实现可靠通信传输的关键。31第31页，共108页，编辑于2022年，星期六物理层设计的重点问题物理层设计的重点问题 n调制机制：调制机制：低能耗和低成本的特点要求调
31、制机制尽量设计低能耗和低成本的特点要求调制机制尽量设计简单，使得能量消耗最低。但另一方面无线通信本身的简单，使得能量消耗最低。但另一方面无线通信本身的不可靠性，传感器网络与现有无线设备之间的无线电干不可靠性，传感器网络与现有无线设备之间的无线电干扰，以及具体应用的特殊需要使得调制机制必须具有较扰，以及具体应用的特殊需要使得调制机制必须具有较强的抗干扰能力。强的抗干扰能力。n与上层协议结合的跨层优化设计：与上层协议结合的跨层优化设计：物理层位于协议最底层，物理层位于协议最底层，是整个协议栈的基础。它的设计对各上层内容的跨层优化设计是整个协议栈的基础。它的设计对各上层内容的跨层优化设计具有重要的影
32、响，而跨层优化设计是传感器网络协议设计的主具有重要的影响，而跨层优化设计是传感器网络协议设计的主要内容。要内容。n硬件设计：硬件设计：在传感器网络的整个协议栈中，物理层与硬件的关系在传感器网络的整个协议栈中，物理层与硬件的关系最为密切，微型化、低功耗、低成本的传感器单元、处理器单元最为密切，微型化、低功耗、低成本的传感器单元、处理器单元和通信单元的有机集成是非常必要的。和通信单元的有机集成是非常必要的。32第32页，共108页，编辑于2022年，星期六3.1.2 3.1.2 传感器网络物理层的设计传感器网络物理层的设计1 1、传输介质、传输介质 目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、
33、红外线和光波等。目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红外线和光波等。在无线电频率选择方面，在无线电频率选择方面，ISMISM频段是一个很好的选择。因为频段是一个很好的选择。因为ISMISM频段在大多频段在大多数国家属于无须注册的公用频段。数国家属于无须注册的公用频段。33第33页，共108页，编辑于2022年，星期六ISM频段的主要优点频段的主要优点nISM是自由频段，可用频带宽，并且在全球范围内是自由频段，可用频带宽，并且在全球范围内都具有可用性都具有可用性；n没有特定的标准，给设计适合无线传感器网络的没有特定的标准，给设计适合无线传感器网络的节能策略带来了更多的设计灵活性和空间
34、。节能策略带来了更多的设计灵活性和空间。nISM频段存在一些使用上的问题，例如功率限制频段存在一些使用上的问题，例如功率限制以及与现有的其他无线电应用之间存在相互干扰以及与现有的其他无线电应用之间存在相互干扰等。等。34第34页，共108页，编辑于2022年，星期六ISM可用频段可用频段35第35页，共108页，编辑于2022年，星期六 无线传感器网络节点之间通信的另一种手段是红外技术。红外无线传感器网络节点之间通信的另一种手段是红外技术。红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。红外通信的主要缺点红外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接收者是穿
35、透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。这导致红外难以成为无线传感器网络的之间存在视距关系。这导致红外难以成为无线传感器网络的主流传输介质，而只能在一些特殊场合得到应用。主流传输介质，而只能在一些特殊场合得到应用。36第36页，共108页，编辑于2022年，星期六 对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对通信传输介质可能有特别的对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对通信传输介质可能有特别的要求。例如，舰船应用可能要求使用水性传输介质，譬如能穿透水面的长波。要求。例如，舰船应用可能要求使用水性传输介质，譬如能穿透水面的长波。复杂地形和战场应用会遇到信道不可靠和严重干扰等问题复杂地形和战场
36、应用会遇到信道不可靠和严重干扰等问题。另外，一些传感器节点的天线可能在高度和发射功率方面比不上周围的其另外，一些传感器节点的天线可能在高度和发射功率方面比不上周围的其它无线设备，为了保证这些低发射功率的传感器网络节点正常完成通信任务，它无线设备，为了保证这些低发射功率的传感器网络节点正常完成通信任务，要求所选择的传输介质能支持健壮的编码和调制机制。要求所选择的传输介质能支持健壮的编码和调制机制。37第37页，共108页，编辑于2022年，星期六2 2、物理层帧结构、物理层帧结构 物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取4 4，用于收发器进行码片或者符号的
37、同步。，用于收发器进行码片或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。了同步头。帧长度字段通常由一个字节的低帧长度字段通常由一个字节的低7 7位表示，其值就是后续的物理层位表示，其值就是后续的物理层PHYPHY负载的长度，因负载的长度，因此它的后续此它的后续PHYPHY负载的长度不会超过负载的长度不会超过127127个字节。个字节。物理帧物理帧PHYPHY的负载长度可变，称为物理服务数据单元的负载长度可变，称为物理服务数据单元(PHY Servi
38、ce Data Unite,(PHY Service Data Unite,PSDU)PSDU)，携带，携带PHYPHY数据包的数据，数据包的数据，PSDUPSDU域是物理层的载荷域是物理层的载荷 。38第38页，共108页，编辑于2022年，星期六3 3、物理层设计技术、物理层设计技术 物理层需要考虑物理层需要考虑编码调制技术编码调制技术、通信速率通信速率和和通信频段通信频段等问题：等问题：编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结构和功率编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结构和功率等一系列的技术参数。比较常见的编码调制技术包括幅移键控、频移键等一系列的技术参数。比较常见的
39、编码调制技术包括幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术。控、相移键控和各种扩频技术。提高数据传输速率可减少数据收发的时间提高数据传输速率可减少数据收发的时间，对于节能具有意义，但需要，对于节能具有意义，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。39第39页，共108页，编辑于2022年，星期六 在低速无线个域网在低速无线个域网(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4标准中，定义的物理层是在
40、标准中，定义的物理层是在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三个载波频段收发数据。在这三个频段都使用了直接序列扩三个载波频段收发数据。在这三个频段都使用了直接序列扩频方式。频方式。IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4标准非常适合无线传感器网络的特点，是传感器网络物理层标准非常适合无线传感器网络的特点，是传感器网络物理层协议标准的最有力竞争者之一。目前基于该标准的射频芯片也相继推出，例如协议标准的最有力竞争者之一。目前基于该标准的射频芯片也相继推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2430 CC2430 CC2450无线通
41、信芯片。无线通信芯片。40第40页，共108页，编辑于2022年，星期六 总的来看，针对无线传感器网络的特点，现有的物理层设计基总的来看，针对无线传感器网络的特点，现有的物理层设计基本采用结构简单的调制方式，在频段选择上主要集中在本采用结构简单的调制方式，在频段选择上主要集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波段。波段。41第41页，共108页，编辑于2022年，星期六3.2 MAC3.2 MAC协议协议3.2.1 MAC3.2.1 MAC协议概述协议概述 无线频谱是无线通信的介质，这种广播介质属
42、于稀缺资源。在无线无线频谱是无线通信的介质，这种广播介质属于稀缺资源。在无线传感器网络中，可能有多个节点设备同时接入信道，导致分组之间相互传感器网络中，可能有多个节点设备同时接入信道，导致分组之间相互冲突，使接收方难以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道资源，导致冲突，使接收方难以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道资源，导致网络吞吐量下降。网络吞吐量下降。为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)协议。所谓协议。所谓MACMAC协议就是通过一组规则和过程
43、来有效、有序和公平地使用共享介协议就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质质。42第42页，共108页，编辑于2022年，星期六n无线传感器网络中，无线传感器网络中，MAC协议决定着无线信道的使协议决定着无线信道的使用方式，用来在传感器结点之间用方式，用来在传感器结点之间分配有限的无线通分配有限的无线通信资源信资源，构建传感器网络系统的底层基础结构。，构建传感器网络系统的底层基础结构。nMAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对网协议处于传感器网络协议的底层部分，对网络性能有较大影响，是保证传感器网络络性能有较大影响，是保证传感器网络高效通信高效通信的关键网络协议的关键网络协议之
44、一之一。43第43页，共108页，编辑于2022年，星期六n传感器结点的能量、存储、计算和通信带宽等资源传感器结点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，单个结点的功能比较弱，而有限，单个结点的功能比较弱，而传感器网络的丰传感器网络的丰富功能是由众多结点协作实现的富功能是由众多结点协作实现的；n多点通信在多点通信在局部范围局部范围需要需要MAC协议协调相互之间的协议协调相互之间的无线信道分配，在设计传感器网络的无线信道分配，在设计传感器网络的MAC协义时，协义时，需要着重考虑以下几个问题：需要着重考虑以下几个问题：44第44页，共108页，编辑于2022年，星期六n节省能量：节省能量：结点一般
45、以干电池等提供能量，能量通常难以结点一般以干电池等提供能量，能量通常难以补充，为长时间保证网络有效工作，补充，为长时间保证网络有效工作，MAC协议在满足应用协议在满足应用要求前提下，应尽量节省使用结点的能量。要求前提下，应尽量节省使用结点的能量。n可扩展性：可扩展性：传感器结点数目、分布密度等在网络生存过程中传感器结点数目、分布密度等在网络生存过程中不断变化，结点位置也可能移动，还有新结点加入网络的不断变化，结点位置也可能移动，还有新结点加入网络的问题，网络的拓扑结构具有动态性。问题，网络的拓扑结构具有动态性。MAC协议应具有可扩展协议应具有可扩展性，适应动态变化的拓扑结构。性，适应动态变化的
46、拓扑结构。n网络效率：网络效率：网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量和带宽利用率等。吐量和带宽利用率等。n上述问题重要性依次递减。由于传感器结点本身不能自动补充能上述问题重要性依次递减。由于传感器结点本身不能自动补充能量或能量补充不足，节约能量成为传感器网络量或能量补充不足，节约能量成为传感器网络MAC协议设计的协议设计的首要考虑因素。首要考虑因素。45第45页，共108页，编辑于2022年，星期六与传统网络与传统网络MAC协议的差异协议的差异n传统网络中，结点能连续获得能量供应，整个网络的传统网络中，结点能连续获得能量供应，整个网络的拓扑结构相
47、对稳定，网络的变化范围和变化频率都比拓扑结构相对稳定，网络的变化范围和变化频率都比较小，较小，MAC协议协议重点考虑结点使用带宽的公平性，重点考虑结点使用带宽的公平性，提高带宽的利用率和增加网络的实时性提高带宽的利用率和增加网络的实时性。n传感器网络的传感器网络的MAC协议与传统网络的协议与传统网络的MAC协议协议所注重的因素不同，传统网络的所注重的因素不同，传统网络的MAC协议不适用协议不适用于传感器网络，需要设计适用于传感器网络的于传感器网络，需要设计适用于传感器网络的MAC协议。协议。46第46页，共108页，编辑于2022年，星期六网络结点无线通信模块的状态网络结点无线通信模块的状态n
48、发送状态、接收状态、侦听状态和睡眠状态发送状态、接收状态、侦听状态和睡眠状态；n单位时间内消耗能量按照上述顺序依次减少，无单位时间内消耗能量按照上述顺序依次减少，无线通信模块在发送状态消耗能量最多，在睡眠状线通信模块在发送状态消耗能量最多，在睡眠状态消耗能量最少，接收状态和侦听状态下的能量态消耗能量最少，接收状态和侦听状态下的能量消耗稍小于发送状态。消耗稍小于发送状态。47第47页，共108页，编辑于2022年，星期六传感器网络传感器网络MAC协议无线信道使用策略协议无线信道使用策略n为减少能量消耗，采用为减少能量消耗，采用“侦听侦听/睡眠睡眠”交替策略，有数据收发交替策略，有数据收发时，开启
49、通信模块进行发送或侦听；没有数据需要收发，时，开启通信模块进行发送或侦听；没有数据需要收发，控制通信模块进入睡眠状态，减少空闲侦听造成的能量控制通信模块进入睡眠状态，减少空闲侦听造成的能量消耗。消耗。n为使结点睡眠时不错过发送给它的数据，或减少结点的过度为使结点睡眠时不错过发送给它的数据，或减少结点的过度侦听，侦听，结点间需协调它们的侦听和睡眠周期结点间需协调它们的侦听和睡眠周期。n采用基于竞争的采用基于竞争的MAC协议，要考虑发送协议，要考虑发送数据产生碰撞的可能数据产生碰撞的可能，根据信道使用信息调整发送时机。根据信道使用信息调整发送时机。MAC协议应简单高效，协议应简单高效，避免协议本身
50、开销大、消耗过多能量。避免协议本身开销大、消耗过多能量。48第48页，共108页，编辑于2022年，星期六(1)(1)采用分布式控制还是集中控制；采用分布式控制还是集中控制；(2)(2)使用单一共享信道还是多个信道；使用单一共享信道还是多个信道；(3)(3)采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。传感器网络传感器网络MACMAC协议可以按照下列条件进行分类：协议可以按照下列条件进行分类：49第49页，共108页，编辑于2022年，星期六本书根据上述的第三种分类方法，将传感器网络本书根据上述的第三种分类方法，将传感器网络的的MACMAC协议分为以下三种