無線傳感器第三章

1、第第3 3章章傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù) 做到目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)做到目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這一目標(biāo)前進(jìn)了很多，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，雖然使人們離這一目標(biāo)前進(jìn)了很多，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細(xì)微就勉為其難了。將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過明察細(xì)微就勉為其難了。將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線電波傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會盡收觀察者的眼中無線電波傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會盡收觀察者的眼中了。這就是人們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的美好

2、展望，它的實(shí)現(xiàn)依賴了。這就是人們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的美好展望，它的實(shí)現(xiàn)依賴于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳輸方法，需要新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳輸方法，需要新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。 通常傳感器節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，人們要考慮通常傳感器節(jié)點(diǎn)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，完成探測數(shù)據(jù)的傳輸。無線通信是傳感如何在有限的通信能力條件下，完成探測數(shù)據(jù)的傳輸。無線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。3.1 3.1 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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中物理層考慮的

3、是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì)上在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for (International Organization for Standardization, IOS)Standardization, IOS)對開放系統(tǒng)互聯(lián)對開放系統(tǒng)互聯(lián)(Open System Interconnection(Open System Interconnection，OSI)OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體

4、之間參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間的二進(jìn)制比特傳輸?shù)奈锢磉B接，提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。的二進(jìn)制比特傳輸?shù)奈锢磉B接，提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。 從定義可以看出，物理層的特點(diǎn)是負(fù)責(zé)在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流，從定義可以看出，物理層的特點(diǎn)是負(fù)責(zé)在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放物理連接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程的特性。并提供為建立、維護(hù)和釋放物理連接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程的特性。物理層的主要功能如下：物理層的主要功能如下： 為數(shù)據(jù)終端設(shè)備為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal Equipme

5、nt(Data Terminal Equipment，DTE)DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。提供傳送數(shù)據(jù)的通路。 傳輸數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)。 其他管理工作。其他管理工作。通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對物理接口的四個(gè)特性進(jìn)行了描述：通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對物理接口的四個(gè)特性進(jìn)行了描述： 機(jī)械特性機(jī)械特性。它規(guī)定了物理連接時(shí)使用的可接插連接器的形狀和尺寸，。它規(guī)定了物理連接時(shí)使用的可接插連接器的形狀和尺寸，連接器中的引腳數(shù)量和排列情況等。連接器中的引腳數(shù)量和排列情況等。 電氣特性電氣特性。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流時(shí)，線路上信號。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流時(shí)，線路上信號電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速

6、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(guī)定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。它規(guī)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(shù)據(jù)線、控制線、定時(shí)線和地線。物理接口信號線一般分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時(shí)線和地線。 規(guī)程特性規(guī)程特性。它定義了信號線進(jìn)行二進(jìn)制比特流傳輸線的一組操作過程，。它定義了信號線進(jìn)行二進(jìn)制比特流傳輸線的一組操作過程，包括各信號線的工作規(guī)則和時(shí)序。包括各信號線的工作規(guī)則和時(shí)序。2 2、無線通信物理層的主要技術(shù)、無線通信物理層的主要技術(shù) 無線通信物理層的主要技術(shù)包括無線通信物理層的主要技術(shù)包括介質(zhì)的選擇介

7、質(zhì)的選擇、頻段的選擇頻段的選擇、調(diào)制調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。 (1) (1)介質(zhì)和頻段選擇介質(zhì)和頻段選擇 無線通信的介質(zhì)包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信無線通信的介質(zhì)包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)波長的不同，電磁波介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)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，其中無線電波在無分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無線電波在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。 無線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可以穿過建筑物，無線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可以穿

8、過建筑物，因而被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無線通信。無線電波是全因而被廣泛地用于室內(nèi)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(fā)送無線信號，所以發(fā)方向傳播信號的，它能向任意方向發(fā)送無線信號，所以發(fā)射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對準(zhǔn)。射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對準(zhǔn)。 無線電波的傳播特性與頻率相關(guān)。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(guān)。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

9、趨于直線傳播，且受障礙物阻。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，且受障礙物阻擋的影響。無線電波易受發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾。擋的影響。無線電波易受發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾。 另外，由于無線電波的傳輸距離較遠(yuǎn)，用戶之間的相互串?dāng)_也是另外，由于無線電波的傳輸距離較遠(yuǎn)，用戶之間的相互串?dāng)_也是需要關(guān)注的問題，所以每個(gè)國家和地區(qū)都有關(guān)于無線頻率管制方面的需要關(guān)注的問題，所以每個(gè)國家和地區(qū)都有關(guān)于無線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定。使用授權(quán)規(guī)定。(2)(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) 調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常信號源的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常信號源的編碼信息（即信源）含

10、有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶編碼信息（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?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘?，因而要將基帶信號轉(zhuǎn)換為相信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘?，因而要將基帶信號轉(zhuǎn)換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進(jìn)行信道傳輸。通常對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進(jìn)行信道傳輸。通常將帶通信號稱為已調(diào)信號，而基帶信號稱為調(diào)制信號。將帶通信號稱為已調(diào)信號，而基帶信號稱為調(diào)制信號。 調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調(diào)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。根

11、據(jù)調(diào)制中采調(diào)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。根據(jù)調(diào)制中采用的基帶信號的類型，可以將調(diào)制分為用的基帶信號的類型，可以將調(diào)制分為模擬調(diào)制模擬調(diào)制和和數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制。 模擬調(diào)制模擬調(diào)制是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字基帶信號對高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使是用數(shù)字基帶信號對高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著數(shù)字基帶信號的變化而變化。目前通信系統(tǒng)都在由模擬高頻載波隨著數(shù)字基帶信號的變化而變化。目前通信系統(tǒng)都在由模擬

12、制式向數(shù)字制式過渡，因此數(shù)字調(diào)制已經(jīng)成為了主流的調(diào)制技術(shù)。制式向數(shù)字制式過渡，因此數(shù)字調(diào)制已經(jīng)成為了主流的調(diào)制技術(shù)。 根據(jù)原始信號所控制參量的不同，調(diào)制分為根據(jù)原始信號所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制幅度調(diào)制（Amplitude Amplitude Modulation, AMModulation, AM）、）、頻率調(diào)制頻率調(diào)制（Frequency Modulation, FMFrequency Modulation, FM）和）和相位相位調(diào)制調(diào)制（Phase Modulation, PMPhase Modulation, PM）。）。 當(dāng)數(shù)字調(diào)制信號為二進(jìn)制矩形全占空脈沖序列時(shí)，由于該序列

13、只存當(dāng)數(shù)字調(diào)制信號為二進(jìn)制矩形全占空脈沖序列時(shí)，由于該序列只存在在“有電有電”和和“無電無電”兩種狀態(tài)，因而可以采用電鍵控制，被稱為鍵兩種狀態(tài)，因而可以采用電鍵控制，被稱為鍵控信號，所以上述數(shù)字信號的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱為幅移鍵控信號，所以上述數(shù)字信號的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱為幅移鍵控控(Amplitude Shift Keying, ASK)(Amplitude Shift Keying, ASK)、頻移鍵控、頻移鍵控(Frequency Shift (Frequency Shift Keying, FSK)Keying, FSK)和相移鍵控和相移鍵控(Phase Shift Ke

14、ying, PSK)(Phase Shift Keying, PSK)。 20 20世紀(jì)世紀(jì)8080年代以來，人們十分重視調(diào)制技術(shù)在無線年代以來，人們十分重視調(diào)制技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜特性通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜特性更好的數(shù)字調(diào)制方式。由于振幅鍵控信號的抗噪聲性能更好的數(shù)字調(diào)制方式。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(yīng)用的調(diào)制方法不夠理想，因而目前在無線通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制方法是頻率鍵控和相位鍵控。是頻率鍵控和相位鍵控。(3)(3)擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù) 擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，它的定義如下：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)

15、展頻譜，它的定義如下：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相的方法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。 擴(kuò)頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：擴(kuò)頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列直接序列擴(kuò)頻擴(kuò)頻(Direct Se

16、quence Spread Spectrum, DSSS)(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)、跳頻跳頻(Frequency (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)Hopping Spread Spectrum, FHSS)、跳時(shí)跳時(shí)(Time Hopping Spread (Time Hopping Spread Spectrum, THSS)Spectrum, THSS)和和寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻(chirp Spread Spectrum, (chirp Spread Spectrum, ch

17、irp-SSchirp-SS，簡稱切普擴(kuò)頻，簡稱切普擴(kuò)頻) )。 擴(kuò)頻通信與一般無線通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)擴(kuò)頻通信與一般無線通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，而在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)。頻調(diào)制，而在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)。 擴(kuò)頻技術(shù)的擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)包括：易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用包括：易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率率; ;抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低; ;隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小很小; ;可以實(shí)現(xiàn)碼分多址可以實(shí)現(xiàn)碼分多址; ;抗多徑干擾抗多徑干擾; ;能精確地定時(shí)和測距能精確地定時(shí)和測距; ;

18、適合數(shù)適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù); ;安裝簡便，易于維護(hù)。安裝簡便，易于維護(hù)。3 3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無線通信網(wǎng)絡(luò)中的一種類型，因此它包含了上述介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無線通信網(wǎng)絡(luò)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(shù)的特點(diǎn)。紹的無線通信物理層技術(shù)的特點(diǎn)。 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是無線電波無線電波、紅外線紅外線和和光波光波三三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)

19、、科學(xué)和醫(yī)工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療療”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, ISM)Scientific and Medical, ISM)頻段。頻段。ISMISM頻段的優(yōu)點(diǎn)在頻段的優(yōu)點(diǎn)在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。ISMISM頻頻段的缺點(diǎn)主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。段的缺點(diǎn)主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。 盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實(shí)現(xiàn)通信，譬如盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實(shí)現(xiàn)通信，譬如各

20、種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當(dāng)各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用應(yīng)用。3.1.2 3.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)1 1、傳輸介質(zhì)、傳輸介質(zhì) 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電、紅目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電、紅外線和光波等。外線和光波等。 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(gè)很好的選擇。因?yàn)轭l段是一個(gè)很好的選擇。因?yàn)镮SMISM頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。頻段在大多數(shù)國

21、家屬于無須注冊的公用頻段。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信的另一種手段是紅外技無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)。紅外通信的優(yōu)點(diǎn)是無須注冊，并且抗干擾能力強(qiáng)。術(shù)。紅外通信的優(yōu)點(diǎn)是無須注冊，并且抗干擾能力強(qiáng)。 紅外通信的主要缺點(diǎn)是穿透能力差，要求發(fā)送者和接紅外通信的主要缺點(diǎn)是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致了紅外難以成為無線傳感收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致了紅外難以成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流傳輸介質(zhì)，而只能在一些特殊場合得到應(yīng)用。器網(wǎng)絡(luò)的主流傳輸介質(zhì)，而只能在一些特殊場合得到應(yīng)用。 對于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對通信傳輸介質(zhì)可對于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳

22、感器網(wǎng)絡(luò)對通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。例如，艦船應(yīng)用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬能有特別的要求。例如，艦船應(yīng)用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會遇到信道不可靠和嚴(yán)如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會遇到信道不可靠和嚴(yán)重干擾等問題。重干擾等問題。 另外，一些傳感器節(jié)點(diǎn)的天線可能在高度和發(fā)射功率方面比不另外，一些傳感器節(jié)點(diǎn)的天線可能在高度和發(fā)射功率方面比不上周圍的其它無線設(shè)備，為了保證這些低發(fā)射功率的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)上周圍的其它無線設(shè)備，為了保證這些低發(fā)射功率的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常完成通信任務(wù)，要求所選擇的傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和點(diǎn)正常完成通信任務(wù)，要求所選擇的

23、傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和調(diào)制機(jī)制。調(diào)制機(jī)制。2 2、物理層幀結(jié)構(gòu)、物理層幀結(jié)構(gòu) 物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取4 4，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號的同步。第二個(gè)字段是幀頭，長度通常為一個(gè)字節(jié)，表示同步結(jié)束，或者符號的同步。第二個(gè)字段是幀頭，長度通常為一個(gè)字節(jié)，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。 幀長度字段通常由一個(gè)字節(jié)的低幀長度字段通常由一個(gè)字節(jié)的低7 7位表示，其值就是后續(xù)的物理層位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHYPHY負(fù)負(fù)載的長度，因此它的后續(xù)載的長度，因此

24、它的后續(xù)PHYPHY負(fù)載的長度不會超過負(fù)載的長度不會超過127127個(gè)字節(jié)。個(gè)字節(jié)。 物理幀物理幀PHYPHY的負(fù)載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的負(fù)載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY Service Data (PHY Service Data Unite, PSDU)Unite, PSDU)，攜帶，攜帶PHYPHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDUPSDU域是物理層的載荷域是物理層的載荷 。3 3、物理層設(shè)計(jì)技術(shù)、物理層設(shè)計(jì)技術(shù) 物理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率和通信頻段等問題：物理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率和通信頻段等問題： 編碼調(diào)制技術(shù)影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)

25、機(jī)結(jié)構(gòu)和編碼調(diào)制技術(shù)影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)和功率等一系列的技術(shù)參數(shù)。比較常見的編碼調(diào)制技術(shù)包括幅移鍵控、功率等一系列的技術(shù)參數(shù)。比較常見的編碼調(diào)制技術(shù)包括幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴(kuò)頻技術(shù)。頻移鍵控、相移鍵控和各種擴(kuò)頻技術(shù)。 提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間，對于節(jié)能具有提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間，對于節(jié)能具有意義，但需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對誤碼的影響。一般用單個(gè)比意義，但需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對誤碼的影響。一般用單個(gè)比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。 在低速無

26、線個(gè)域網(wǎng)在低速無線個(gè)域網(wǎng)(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個(gè)載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個(gè)頻段都三個(gè)載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個(gè)頻段都使用了直接序列擴(kuò)頻方式。使用了直接序列擴(kuò)頻方式。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是傳感器網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競爭者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競爭者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片

27、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(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，現(xiàn)有的物理總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，現(xiàn)有的物理層設(shè)計(jì)基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要層設(shè)計(jì)基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)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(xié)議協(xié)議3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述 無線頻譜是無線通信的介質(zhì)，這種廣播介質(zhì)

28、屬于稀缺資源。在無無線頻譜是無線通信的介質(zhì)，這種廣播介質(zhì)屬于稀缺資源。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可能有多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)接入信道，導(dǎo)致分組之間線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可能有多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)接入信道，導(dǎo)致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數(shù)據(jù)，從而浪費(fèi)了信道資源，相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數(shù)據(jù)，從而浪費(fèi)了信道資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設(shè)計(jì)介質(zhì)訪問控制導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設(shè)計(jì)介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)協(xié)議。所謂協(xié)議。所謂MACMAC協(xié)議就是通過一組規(guī)協(xié)議就

29、是通過一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。(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(gè)信道；使用單一共享信道還是多個(gè)信道；(3) (3) 采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式。采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MACMAC協(xié)議可以按照下列條件進(jìn)行分類：協(xié)議可以按照下列條件進(jìn)行分類：本書根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的本書根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MACMAC協(xié)議分為以下三種：協(xié)議分為以下三種： (1) (

30、1) 時(shí)分復(fù)用無競爭接入方式時(shí)分復(fù)用無競爭接入方式。無線信道時(shí)分復(fù)用。無線信道時(shí)分復(fù)用(Time (Time Division Multiple AccessDivision Multiple Access，TDMA)TDMA)方式給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配方式給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。固定的無線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。 (2) (2) 隨機(jī)競爭接入方式隨機(jī)競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機(jī)。如果采用無線信道的隨機(jī)競爭接入方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無線信競爭接入方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無線信道，盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾。典型的方法是

31、采用載波偵道，盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)CSMA)的的MACMAC協(xié)議。協(xié)議。 (3) (3) 競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過混合。通過混合采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無沖突采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無沖突的無線信道分配。的無線信道分配。 基于競爭的隨機(jī)訪問基于競爭的隨機(jī)訪問MACMAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，它的基協(xié)議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是

32、當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競爭方式使用無線信道，如本思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競爭方式使用無線信道，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。送成功或放棄發(fā)送。 典型的基于競爭的隨機(jī)訪問典型的基于競爭的隨機(jī)訪問MACMAC協(xié)議是載波偵聽多路訪問協(xié)議是載波偵聽多路訪問(CSMA)(CSMA)接入方式。在無線局域網(wǎng)接入方式。在無線局域網(wǎng)IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問模式中，就采用了帶沖突

33、避免的載波偵聽多路訪問(CSMA with (CSMA with Collision AvoidanceCollision Avoidance，CSMA/CA)CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)MACMAC協(xié)議的典型代表。協(xié)議的典型代表。 所謂的所謂的CSMA/CACSMA/CA機(jī)制機(jī)制是指在信號傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽介質(zhì)是指在信號傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽介質(zhì)中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測信道。據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則

34、在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測信道。這種介質(zhì)訪問控制層的方案簡化了實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程。這種介質(zhì)訪問控制層的方案簡化了實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程。 在在IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，人們設(shè)計(jì)出適用于傳感器網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上，人們設(shè)計(jì)出適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種絡(luò)的多種MACMAC協(xié)議。協(xié)議。 下面首先介紹下面首先介紹IEEE 802.1l MACIEEE 802.1l MAC協(xié)議的內(nèi)容，然后介紹一種適協(xié)議的內(nèi)容，然后介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型MACMAC協(xié)議。協(xié)議。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 8

35、02.11 MAC協(xié)議協(xié)議 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function, DCF)(Distributed Coordination Function, DCF)和點(diǎn)協(xié)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能調(diào)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(xié)議的基本協(xié)議的基本訪問控制方式。訪問控

36、制方式。 在在DCFDCF工作方式工作方式下，載波偵聽機(jī)制下，載波偵聽機(jī)制通過通過物理載波偵聽物理載波偵聽和和虛擬載波偵聽虛擬載波偵聽來來確定無線信道的狀確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽?wèi)B(tài)。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(shù) 據(jù)CTSA CKN A VN A V IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔( (InterFrameInterFrame SpaceSpace，IFS)IFS)，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級：，用來提供訪問無線信道的優(yōu)

37、先級： （1 1）SIFS SIFS (short IFS)(short IFS)：最短幀間間隔。：最短幀間間隔。 （2 2）PIFSPIFS (PCF IFS) (PCF IFS)：PCFPCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。 （3 3）DIFS DIFS (DCF IFS)(DCF IFS)：DCFDCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間問隔。方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間問隔。 根據(jù)根據(jù)CSMA/CACSMA/CA協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)分組時(shí)，它首先偵聽信道狀協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)分組時(shí)，它首先偵聽信道狀態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個(gè)幀間間隔時(shí)間態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個(gè)幀間間隔時(shí)間DI

38、FSDIFS后，信道仍然空后，信道仍然空閑，則站點(diǎn)立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點(diǎn)始終偵聽信道，閑，則站點(diǎn)立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點(diǎn)始終偵聽信道，直到信道的空閑時(shí)間超過直到信道的空閑時(shí)間超過DIFSDIFS。當(dāng)信道最終空閑下來的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)進(jìn)。當(dāng)信道最終空閑下來的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步使用二進(jìn)制退避算法，進(jìn)入退避狀態(tài)來避免發(fā)生碰撞。一步使用二進(jìn)制退避算法，進(jìn)入退避狀態(tài)來避免發(fā)生碰撞。當(dāng)信道空閑時(shí)間大于DIF時(shí) 使用信道DIFSPIFSSIFS信道忙競爭窗口退避窗口下一幀時(shí)間槽時(shí)間DIFS推遲發(fā)送 隨機(jī)退避時(shí)間按下面公式進(jìn)行計(jì)算：隨機(jī)退避時(shí)間按下面公式進(jìn)行計(jì)算： 退避時(shí)間退避時(shí)間= =Ra

39、ndom()Random()aSlottimeaSlottime 其中，其中，Random()Random()是在競爭窗口是在競爭窗口00，CWCW內(nèi)均勻分布的偽內(nèi)均勻分布的偽隨機(jī)整數(shù)；隨機(jī)整數(shù)；CWCW是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，它的數(shù)值位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，它的數(shù)值位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的aCWminaCWmin和和aCWmaxaCWmax之間；之間；aSlottimeaSlottime是一個(gè)時(shí)槽時(shí)間，包括發(fā)是一個(gè)時(shí)槽時(shí)間，包括發(fā)射啟動(dòng)時(shí)間、介質(zhì)傳播時(shí)延、檢測信道的響應(yīng)時(shí)間等。射啟動(dòng)時(shí)間、介質(zhì)傳播時(shí)延、檢測信道的響應(yīng)時(shí)間等。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入退避狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入退避狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)退避計(jì)時(shí)器，時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)退

40、避計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到退避時(shí)間后結(jié)束當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到退避時(shí)間后結(jié)束退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當(dāng)檢測到信道空閑時(shí)才只有當(dāng)檢測到信道空閑時(shí)才進(jìn)行計(jì)時(shí)。如果信道忙，退進(jìn)行計(jì)時(shí)。如果信道忙，退避計(jì)時(shí)器中止計(jì)時(shí)，直到檢避計(jì)時(shí)器中止計(jì)時(shí)，直到檢測到信道空閑時(shí)間大于測到信道空閑時(shí)間大于DIFSDIFS后才繼續(xù)計(jì)時(shí)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)后才繼續(xù)計(jì)時(shí)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)推遲且進(jìn)入隨機(jī)退避時(shí)，利推遲且進(jìn)入隨機(jī)退避時(shí)，利用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時(shí)用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時(shí)間的節(jié)點(diǎn)作為競爭優(yōu)勝者。間的節(jié)點(diǎn)作為競爭優(yōu)勝者。節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)C節(jié)點(diǎn)D推遲推遲推遲競爭窗口幀幀節(jié)點(diǎn)EDIFS推遲競爭窗口幀競爭窗口幀幀競爭窗口退避時(shí)

41、間剩余退避時(shí)間 802.11 MAC 802.11 MAC協(xié)議通過協(xié)議通過立即主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制立即主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制和和預(yù)留機(jī)制業(yè)預(yù)留機(jī)制業(yè)提高性能。在主動(dòng)提高性能。在主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀確認(rèn)機(jī)制中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀(DATA)(DATA)時(shí)，必須向時(shí)，必須向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀(ACK)(ACK)，確認(rèn)數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標(biāo)節(jié)，確認(rèn)數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送點(diǎn)在發(fā)送ACKACK過程中不與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用過程中不與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用SIFSSIFS幀間隔。主幀間隔。主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制

42、只能用于有明確目標(biāo)地址的幀，不能用于組播和廣播報(bào)文傳輸。動(dòng)確認(rèn)機(jī)制只能用于有明確目標(biāo)地址的幀，不能用于組播和廣播報(bào)文傳輸。RTSDATACTSACK競 爭 窗 口下 一 幀DIFSDIFS源 站 點(diǎn)SIFS目 的 站 點(diǎn)NAV(RTS)NAV(CTS)其 他 站 點(diǎn)3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC協(xié)議協(xié)議 這里介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的比較典型的這里介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的比較典型的MACMAC協(xié)議，即協(xié)議，即S-S-MACMAC協(xié)議協(xié)議(Sensor MAC)(Sensor MAC)。這種協(xié)議是在。這種協(xié)議是在802.1l MAC802.

43、1l MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的。 S-MAC S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點(diǎn)能耗。的通信延遲。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點(diǎn)能耗。 通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原因：種原因： 空閑監(jiān)聽空閑

44、監(jiān)聽 數(shù)據(jù)沖突數(shù)據(jù)沖突 串?dāng)_串?dāng)_ 控制開銷控制開銷（1 1）周期性偵聽和睡眠機(jī)制）周期性偵聽和睡眠機(jī)制 S-MAC S-MAC協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽/ /睡眠階段的持續(xù)時(shí)間要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)睡眠階段的持續(xù)時(shí)間要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于睡眠階段時(shí)，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。當(dāng)行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于睡眠階段時(shí)，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。當(dāng)然節(jié)點(diǎn)需要緩存這期間收到的數(shù)據(jù)，以便工作階段集中發(fā)送。然節(jié)點(diǎn)需要緩存這期間收到的數(shù)據(jù)，以便工作階段集中發(fā)送。 具有相同調(diào)度的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)

45、所謂具有相同調(diào)度的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)所謂的虛擬簇，邊界節(jié)點(diǎn)記錄兩個(gè)或多個(gè)調(diào)的虛擬簇，邊界節(jié)點(diǎn)記錄兩個(gè)或多個(gè)調(diào)度。如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署范圍較廣，度。如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署范圍較廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得可能形成眾多不同的虛擬簇，使得S-S-MACMAC協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性。協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性。 為了適應(yīng)新加入節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要為了適應(yīng)新加入節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要定期廣播自己的調(diào)度信息，使新節(jié)點(diǎn)可定期廣播自己的調(diào)度信息，使新節(jié)點(diǎn)可以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步。如以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步。如果節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到兩種不同的調(diào)度，如圖果節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到兩種不同的調(diào)度，如圖所示的處于兩個(gè)不同調(diào)度區(qū)域重合部分所

46、示的處于兩個(gè)不同調(diào)度區(qū)域重合部分的節(jié)點(diǎn)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選擇先收到的節(jié)點(diǎn)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選擇先收到的調(diào)度，并記錄另一個(gè)調(diào)度信息。的調(diào)度，并記錄另一個(gè)調(diào)度信息。（2 2）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制 流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制的基本思想是在一次通信過程中，通信流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制的基本思想是在一次通信過程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居在通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一節(jié)點(diǎn)的鄰居在通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時(shí)間。段時(shí)間。 如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)接收到如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)接收到RTSRTS分組，則可以立刻接收數(shù)據(jù)，分組，則可以立刻接收數(shù)據(jù)，無須等到下一次調(diào)度偵聽周期，從而減少了數(shù)

47、據(jù)分組的傳輸延遲。無須等到下一次調(diào)度偵聽周期，從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。如果在這段時(shí)間內(nèi)沒有接收到如果在這段時(shí)間內(nèi)沒有接收到RTSRTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。次調(diào)度偵聽周期。（3 3）沖突和串音避免機(jī)制）沖突和串音避免機(jī)制 為了減少沖突和避免串音，為了減少沖突和避免串音，S-MACS-MAC協(xié)議采用了與協(xié)議采用了與802.11 MAC802.11 MAC協(xié)協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機(jī)制，以及議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機(jī)制，以及RTS/CTSRTS/CTS握手交互機(jī)制。握手交互機(jī)制。兩者的區(qū)別在于當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)處于通信過程時(shí)，執(zhí)行兩者的區(qū)別在于

48、當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)處于通信過程時(shí)，執(zhí)行S-MACS-MAC協(xié)議的節(jié)協(xié)議的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。（4 4）消息傳遞機(jī)制）消息傳遞機(jī)制 S-MAC S-MAC協(xié)議采用了消息傳遞機(jī)制，可以很好地支持長消息的發(fā)協(xié)議采用了消息傳遞機(jī)制，可以很好地支持長消息的發(fā)送。由于無線信道的傳輸差錯(cuò)與消息長度成正比，短消息傳輸成功送。由于無線信道的傳輸差錯(cuò)與消息長度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長消息。的概率要大于長消息。 消息傳遞機(jī)制根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個(gè)短消息，采消息傳遞機(jī)制根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個(gè)短消息，采用一次用一次RTS/CTSRTS/CTS交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長消息發(fā)送的時(shí)間，

49、集中交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長消息發(fā)送的時(shí)間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既可以減少控制報(bào)文的開銷，又可以提連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既可以減少控制報(bào)文的開銷，又可以提高消息發(fā)送的成功率。高消息發(fā)送的成功率。S-MACS-MAC與與IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協(xié)議的突發(fā)分組傳送協(xié)議的突發(fā)分組傳送RTS 21Data 19Data 17CTS 20Data1ACK 18ACK 16 ACK0S-M ACRTS3Data3Data3CTS2Data1ACK2ACK2 ACK0IEEE 802.113.3 3.3 路由協(xié)議路由協(xié)議3.3.1 3.3.1 路由協(xié)議概述路由協(xié)

50、議概述 路由選擇路由選擇(routing)(routing)是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。 路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它包括兩個(gè)功能：它包括兩個(gè)功能： 尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑；尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑； 將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特

51、點(diǎn)：的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：（1 1）能量優(yōu)先）能量優(yōu)先（2 2）基于局部拓?fù)湫畔ⅲ┗诰植客負(fù)湫畔ⅲ? 3）以數(shù)據(jù)為中心）以數(shù)據(jù)為中心（4 4）應(yīng)用相關(guān)）應(yīng)用相關(guān) 在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)，必須滿足在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)，必須滿足如下要求：如下要求：（1 1）能量高效）能量高效（2 2）可擴(kuò)展性）可擴(kuò)展性（3 3）穩(wěn)健性）穩(wěn)健性（4 4）快速收斂性）快速收斂性我們從各種應(yīng)用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類：我們從各種應(yīng)用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類：（1 1）能量感知路由協(xié)議）能量感知路由協(xié)議 高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個(gè)顯著特高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一

52、個(gè)顯著特征。為了強(qiáng)調(diào)高效利用能量的重要性，這里將它們劃分為能征。為了強(qiáng)調(diào)高效利用能量的重要性，這里將它們劃分為能量感知路由協(xié)議。能量感知的路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯扛兄酚蓞f(xié)議。能量感知的路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，討論最少能量消耗和最長網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。耗出發(fā)，討論最少能量消耗和最長網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。（2 2）基于查詢的路由協(xié)議）基于查詢的路由協(xié)議 在諸如環(huán)境檢測、戰(zhàn)場評估等應(yīng)用中，需要不斷查詢傳感器節(jié)點(diǎn)采在諸如環(huán)境檢測、戰(zhàn)場評估等應(yīng)用中，需要不斷查詢傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。在匯聚節(jié)點(diǎn)（查詢節(jié)點(diǎn)）發(fā)出任務(wù)查詢命令，傳感器網(wǎng)絡(luò)的集的數(shù)據(jù)。在匯聚節(jié)點(diǎn)（查詢節(jié)點(diǎn)）發(fā)出任務(wù)查詢命令，傳感器網(wǎng)絡(luò)

53、的終端探測節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心報(bào)告采集的數(shù)據(jù)。在這類監(jiān)控和檢測的應(yīng)用問終端探測節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心報(bào)告采集的數(shù)據(jù)。在這類監(jiān)控和檢測的應(yīng)用問題中，通信流量主要是查詢節(jié)點(diǎn)和傳感器探測節(jié)點(diǎn)之間的命令和數(shù)據(jù)傳題中，通信流量主要是查詢節(jié)點(diǎn)和傳感器探測節(jié)點(diǎn)之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)傳感器探測節(jié)點(diǎn)的采集信息通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過減少通輸，同時(shí)傳感器探測節(jié)點(diǎn)的采集信息通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過減少通信流量來節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計(jì)相結(jié)合。信流量來節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計(jì)相結(jié)合。（3 3）地理位置路由協(xié)議）地理位置路由協(xié)議 在諸如目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用問題中，往往需要喚醒距離被跟蹤在諸如目標(biāo)跟蹤的應(yīng)

54、用問題中，往往需要喚醒距離被跟蹤目標(biāo)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)，以便得到關(guān)于目標(biāo)的更精確位置等相目標(biāo)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)，以便得到關(guān)于目標(biāo)的更精確位置等相關(guān)信息。在這類與坐標(biāo)位置有關(guān)的應(yīng)用問題中，通常需要知道關(guān)信息。在這類與坐標(biāo)位置有關(guān)的應(yīng)用問題中，通常需要知道目的節(jié)點(diǎn)的精確或者大致地理位置。把節(jié)點(diǎn)的位置信息作為路目的節(jié)點(diǎn)的精確或者大致地理位置。把節(jié)點(diǎn)的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點(diǎn)的路由選擇功能，還可以降由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點(diǎn)的路由選擇功能，還可以降低系統(tǒng)專門維護(hù)路由協(xié)議的能耗。低系統(tǒng)專門維護(hù)路由協(xié)議的能耗。（4 4）可靠的路由協(xié)議）可靠的路由協(xié)議 傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些應(yīng)用對通信的服務(wù)質(zhì)量有較高要求，可能傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些應(yīng)用對通信的服務(wù)質(zhì)量有較高要求，可能在可靠性和實(shí)時(shí)性等方面有特別要求。例如，采用視頻傳感器進(jìn)在可靠性和實(shí)時(shí)性等方面有特別要求。例如，采用視頻傳感器進(jìn)行戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測時(shí)，希望傳輸?shù)囊曨l圖像能夠盡可能的流暢些。行戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測時(shí)，希望傳輸?shù)囊曨l圖像能夠盡可能