第3章 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)

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)1 做到目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，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，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，明察細(xì)微就勉為其但衛(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)點遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過難了。將大量的傳感器節(jié)點遍撒指定區(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)盡收觀察者的眼中了。這就是

2、人們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的美好展望，它的實現(xiàn)依賴于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳技術(shù)應(yīng)用的美好展望，它的實現(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)。輸方法，需要新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。 通常傳感器節(jié)點的通信覆蓋范圍只有幾十通常傳感器節(jié)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。傳感器網(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 在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中物理層考

3、慮的是怎樣才能在連接各種計算機(jī)的在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機(jī)的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。 物理層的定義如下：物理層為建立、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實體物理層的定義如下：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。和規(guī)程性的特性。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 從定義可以看出，物理層的特點是負(fù)責(zé)在物從定義可以看出，物理層的特點是負(fù)責(zé)在物理連接上

4、傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)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。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 (Data Terminal EquipmentEquipment，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。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn) 物理層功能實現(xiàn) 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收 物理信道的能量檢測(ED：Energy Detection) 射頻收發(fā)

5、器的激活與關(guān)閉 空閑信道評估(CCA：clear channel assessment) 鏈路質(zhì)量指示(LQI：link quality indication) 物理層屬性參數(shù)的獲取與設(shè)置物理層(1) 遵循IEEE802.15.4協(xié)議。 物理層是協(xié)議的最底層，承付著和外界直接作用的任務(wù)。 主要目的：控制RF收發(fā)器工作。 調(diào)制方式：擴(kuò)頻通信 信號傳輸距離：50m（室內(nèi)），150m（室外）。物理接口的四個特性：物理接口的四個特性： 機(jī)械特性機(jī)械特性。它規(guī)定了物理連接時使用的可。它規(guī)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(shù)量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

6、。和排列情況等。 物理接口的四個特性：物理接口的四個特性： 電氣特性電氣特性。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流時，線路上信號電平高低、阻抗以及進(jìn)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。阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。物理接口的四個特性：物理接口的四個特性： 功能特性功能特性。它規(guī)定了物理接口上各條信號。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、定時線和地線。分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時線和地線。物理接口的四個特性：物理接口的四個特性： 規(guī)程特性規(guī)程特性

7、。它定義了信號線進(jìn)行二進(jìn)制比。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)則和時序。作規(guī)則和時序。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)的選擇介質(zhì)的選擇、頻段的頻段的選擇選擇、調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)調(diào)制技術(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。根的無線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無線通信

8、。根據(jù)波長的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫據(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，其中無線電波在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。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。 無線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可以穿無線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可以穿過建筑物，因而被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無線過建筑物，因而被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無線通信。無線電波是全方向傳播信號的，它能向任通信。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)射方和接收方的裝意方向發(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)。置在位置上不必要求很精確的對準(zhǔn)

9、。 無線電波的傳播特性與頻率相關(guān)。如果采用較低頻率，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則它能輕易地通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距離r r的增大而急劇減小，大致為的增大而急劇減小，大致為1/r1/r3 3。如果采用高頻傳輸，。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)動機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾。受發(fā)動機(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

10、國家和地區(qū)都有關(guān)互串?dāng)_也是需要關(guān)注的問題，所以每個國家和地區(qū)都有關(guān)于無線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定。于無線頻率管制方面的使用授權(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）含有直流分一。通常信號源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號?；鶐帕亢皖l率較低的頻率分量，稱為基帶信號。基帶信號往往不能作為傳輸信號，因而要將基帶信號轉(zhuǎn)換號往往不能作為傳輸信號，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，以便為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進(jìn)

11、行信道傳輸。通常將帶通信號稱為已調(diào)信號，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。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。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。根據(jù)調(diào)制中采用的基帶信號的類型，可以將調(diào)制分為根據(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

12、信號的變化而變化。制，使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)都在由模擬制式向數(shù)字制式過渡，因此數(shù)字調(diào)制已經(jīng)成為了統(tǒng)都在由模擬制式向數(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)。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 Modulation, AMAmplitude Modulation,

13、AM）、）、頻率調(diào)制頻率調(diào)制（Frequency Frequency Modulation, FMModulation, FM）和）和相位調(diào)制相位調(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，由于當(dāng)數(shù)字調(diào)制信號為二進(jìn)制矩形全占空脈沖序列時，由于該序列只存在該序列只存在“有電有電”和和“無電無電”兩種狀態(tài)，因而可以采兩種狀態(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、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調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱為幅移鍵控(Am

14、plitude Shift (Amplitude Shift Keying, ASK)Keying, ASK)、頻移鍵控、頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)(Frequency Shift Keying, FSK)和相移鍵控和相移鍵控(Phase Shift Keying, 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)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、頻譜特性更好的數(shù)字調(diào)制方式。由于振幅鍵高、頻譜特性更好的

15、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)制方法是頻率鍵控和相位鍵通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制方法是頻率鍵控和相位鍵控。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)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的通信技術(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帶寬；頻帶頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼的擴(kuò)展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在

16、及調(diào)制的方法來實現(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)。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，可以分為擴(kuò)頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：以下四種：直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)Spread Spectrum, DSSS)、跳頻跳頻(Frequency (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)Hopping Spread Spectrum, FH

17、SS)、跳時跳時(Time (Time Hopping Spread Spectrum, THSS)Hopping Spread Spectrum, THSS)和和寬帶線性調(diào)寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻頻擴(kuò)頻(chirp Spread Spectrum, chirp-SS(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，簡，簡稱切普擴(kuò)頻稱切普擴(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)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)。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)。 擴(kuò)頻技術(shù)的擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點優(yōu)點包括：易于重復(fù)使用頻率，提高包括

18、：易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率了無線頻譜利用率; ;抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低; ;隱蔽性好，隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小; ;可以實現(xiàn)碼分多址可以實現(xiàn)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(shù)字話音和數(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)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù); ;安裝簡便，易于維安裝簡便，易于維護(hù)。護(hù)。3 3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點 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

19、了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點。含了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點。 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種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療學(xué)和醫(yī)療”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, ISM)Scientific and Medical, ISM)頻段。頻段。ISMISM頻段的優(yōu)點在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實頻段的優(yōu)點在于它是自由頻段，無須注冊

20、，可選頻譜范圍大，實現(xiàn)起來靈活方便?，F(xiàn)起來靈活方便。ISMISM頻段的缺點主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種頻段的缺點主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。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現(xiàn)通信，譬如盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實現(xiàn)通信，譬如各種電磁波（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)計傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計1 1、傳輸介質(zhì)、傳輸介質(zhì) 目前無線

21、傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要傳輸介目前無線傳感器網(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。質(zhì)包括無線電、紅外線和光波等。 在無線電頻率選擇方面，在無線電頻率選擇方面，ISMISM頻段是一個頻段是一個很好的選擇。因為很好的選擇。因為ISMISM頻段在大多數(shù)國家屬于頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。無須注冊的公用頻段。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通信的另一種手段是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)。紅外通信的優(yōu)點是無須注冊，并且抗紅外技術(shù)。紅外通信的優(yōu)點是無須注冊，并且抗干擾能力強(qiáng)。干擾能力強(qiáng)。 紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發(fā)送紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發(fā)送者和接

22、收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致了紅外難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器網(wǎng)絡(luò)的主流傳輸介質(zhì)，而只能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。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)可能有特別的要求。例如，艦船應(yīng)用可能要求傳輸介質(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)，譬如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形使用水性傳輸介質(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)重干擾等問題。和戰(zhàn)場應(yīng)用會遇到信道不可靠和嚴(yán)重干擾等問題。 另外，一些傳感器節(jié)

23、點的天線可能在高度和發(fā)射功另外，一些傳感器節(jié)點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)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)點正常完成通信任務(wù)，要求所選射功率的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點正常完成通信任務(wù)，要求所選擇的傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和調(diào)制機(jī)制。擇的傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和調(diào)制機(jī)制。物理層 頻率頻率頻帶頻帶覆篕覆篕范圍范圍 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸速度速度 信道數(shù)量信道數(shù)量2.4 GHz ISM2.4 GHz ISM全球全球 250 kbps 250 kbps 16 16915 MHz ISM915 MHz ISM美洲美洲 40 kbps40

24、kbps 10 10868 MHz868 MHz ISM ISM歐洲歐洲 20 kbps20 kbps 1 1物理層2 2、物理層幀結(jié)構(gòu)、物理層幀結(jié)構(gòu) 物理幀的第一個字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取物理幀的第一個字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取4 4，用于收發(fā)器，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字進(jìn)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(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。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。 幀長度字段通常由一個字節(jié)的低幀長度字段通常由一個字節(jié)的低7 7位表示，其值就是后續(xù)的物理位表示，其值

25、就是后續(xù)的物理層層PHYPHY負(fù)載的長度，因此它的后續(xù)負(fù)載的長度，因此它的后續(xù)PHYPHY負(fù)載的長度不會超過負(fù)載的長度不會超過127127個字個字節(jié)。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 (PHY Service Data Unite, PSDU)Service Data 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域是物域是物理層的載荷理層的載荷 。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)物理幀格式Ocets：4 字節(jié)1 字節(jié)1 字節(jié)可變前導(dǎo)碼（preamble）SFD （幀起始分

26、隔符）固定值：OXA7Frame length(7 比特)Reserved(1 比特)PSDU同步頭(SHR)物理幀頭(PHR)PHY 負(fù)載3 3、物理層設(shè)計技術(shù)、物理層設(shè)計技術(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：等問題： 編碼調(diào)制技術(shù)影響占用頻率帶寬、通信速率、收編碼調(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、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴(kuò)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)。頻技術(shù)。3 3、物理層設(shè)計

27、技術(shù)、物理層設(shè)計技術(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：等問題： 提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，對提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，對于節(jié)能具有意義，但需要同時考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對誤碼于節(jié)能具有意義，但需要同時考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對誤碼的影響。一般用單個比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對的影響。一般用單個比特的收發(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。能量的效率，單比特能耗越小越好。 在低速無線個域網(wǎng)在低速無線個域網(wǎng)(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是

28、在中，定義的物理層是在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個頻段都使用了三個載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個頻段都使用了直接序列擴(kuò)頻方式。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)標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力的特點，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)的射頻芯片也相繼競爭者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420無線通信芯片。無線通信

29、芯片。2021年11月21日星期日35IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)信道分配和調(diào)制方式頻段頻段 (MHz)擴(kuò)頻參數(shù)擴(kuò)頻參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)片速率片速率 (kchip/s)調(diào)制方式調(diào)制方式比特速率比特速率 (kb/s)符號速率符號速率 (ksymbol/s)符號符號868868.6300BPSK2020二進(jìn)制902928600BPSK4040二進(jìn)制868868.6*400ASK25012.520-bitSPSS902928*1600ASK250505-bitSPSS868868.6*400O-QPSK1002516-ary正交902928*1000O-QPSK25062.516-ary正交240

30、02483.52000O-QPSK25062.516-ary正交注：*項為可選項目，系802.15.4-2006新增內(nèi)容 總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，現(xiàn)有的物理層設(shè)計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)現(xiàn)有的物理層設(shè)計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要集中在制方式，在頻段選擇上主要集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波段。波段。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)屬于

31、稀缺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，可能有多個節(jié)點設(shè)備同時接資源。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可能有多個節(jié)點設(shè)備同時接入信道，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)，從而浪費了信道資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。收到的數(shù)據(jù)，從而浪費了信道資源，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)計介質(zhì)訪問控制為了解決這些問題，就需要設(shè)計介質(zhì)訪問控制(Medium (Medium Access ControlAccess Control，MAC)MAC)協(xié)議。所謂協(xié)議。所謂MACMAC協(xié)議就是通過一組協(xié)議就是通過

32、一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。規(guī)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信道；使用單一共享信道還是多個信道；(3) (3) 采用固定分配信道方式還是隨機(jī)采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式。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)議可以按照協(xié)議可以按照下列條件進(jìn)行分類：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) (1)

33、 時分復(fù)用無競爭接入方式時分復(fù)用無競爭接入方式。無線信道。無線信道時分復(fù)用時分復(fù)用(Time Division Multiple Access(Time Division Multiple Access，TDMA)TDMA)方式給每個傳感器節(jié)點分配固定的無線方式給每個傳感器節(jié)點分配固定的無線信道使用時段，避免節(jié)點之間相互干擾。信道使用時段，避免節(jié)點之間相互干擾。 (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)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機(jī)使用無線信競爭接入方式，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機(jī)使用無線信道，盡量減少節(jié)點間的干擾。典型的方法是采用

34、載波偵道，盡量減少節(jié)點間的干擾。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，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實現(xiàn)節(jié)點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協(xié)議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送

35、數(shù)據(jù)時，通過競爭式，它的基本思想是當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，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)送成功或放棄發(fā)送。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。 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)議是載波偵聽多路協(xié)議是載波偵聽多路訪問訪問(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)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

36、訪問波偵聽多路訪問(CSMA with Collision Avoidance(CSMA with Collision 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)議的典型協(xié)議的典型代表。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)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨空閑，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)退避一段時間后重新檢測信道。

37、這種介質(zhì)訪問控制層機(jī)退避一段時間后重新檢測信道。這種介質(zhì)訪問控制層的方案簡化了實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程。的方案簡化了實現(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)計出適用于協(xié)議基礎(chǔ)上，人們設(shè)計出適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種傳感器網(wǎng)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)的典型紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型MACMAC協(xié)議。協(xié)議。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802

38、.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)和點協(xié)和點協(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。訪問控制方

39、式。 在在DCFDCF工作方式下，載波偵聽機(jī)制通過工作方式下，載波偵聽機(jī)制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確定無線來確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層提供，信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層提供，虛擬載波偵聽由虛擬載波偵聽由MACMAC層提供。層提供。ABCDR TS數(shù) 據(jù)C TSA C KN 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協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔隔(InterFrame Space(InterFrame Space，IFS)IFS)，用來提供訪問無，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級：線信道的

40、優(yōu)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)點使用的方式下節(jié)點使用的幀間間隔。幀間間隔。 （3 3）DIFS DIFS (DCF IFS)(DCF IFS)：DCFDCF方式下節(jié)點使用的方式下節(jié)點使用的幀間問隔。幀間問隔。 根據(jù)根據(jù)CSMA/CACSMA/CA協(xié)議，當(dāng)節(jié)點要傳輸一個分組時，協(xié)議，當(dāng)節(jié)點要傳輸一個分組時，它首先偵聽信道狀態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過它首先偵聽信道狀態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個幀間間隔時間一個幀間間隔時間D

41、IFSDIFS后，信道仍然空閑，則站后，信道仍然空閑，則站點立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點始終點立即開始發(fā)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偵聽信道，直到信道的空閑時間超過DIFSDIFS。當(dāng)信。當(dāng)信道最終空閑下來的時候，節(jié)點進(jìn)一步使用二進(jìn)制道最終空閑下來的時候，節(jié)點進(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。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(fā)送 隨機(jī)退避時間按下面公式進(jìn)行計算：隨機(jī)退避時間按下面公式進(jìn)行計算： 退避時間退避時間=Ran

42、dom()=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是一個時槽時間，包括發(fā)是一個時槽時間，包括發(fā)射啟動時間、介質(zhì)傳播時延、檢測信道的響應(yīng)時間等。射啟動時間、介質(zhì)傳播時延、檢測信道的響應(yīng)時間等。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在進(jìn)入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計時網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在進(jìn)入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計

43、時器，當(dāng)計時達(dá)到退避時間后結(jié)束退避狀態(tài)。在退避狀器，當(dāng)計時達(dá)到退避時間后結(jié)束退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當(dāng)檢測到信道空閑時才進(jìn)行計時。如果信態(tài)下，只有當(dāng)檢測到信道空閑時才進(jìn)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道忙，退避計時器中止計時，直到檢測到信道空閑時間大于間大于DIFSDIFS后才繼續(xù)計時。當(dāng)多個節(jié)點推遲且進(jìn)入隨后才繼續(xù)計時。當(dāng)多個節(jié)點推遲且進(jìn)入隨機(jī)退避時，利用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時間的節(jié)點作機(jī)退避時，利用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時間的節(jié)點作為競爭優(yōu)勝者。為競爭優(yōu)勝者。節(jié)點A節(jié)點B節(jié)點C節(jié)點D推遲推遲推遲競爭窗口幀幀節(jié)點EDIFS推遲競爭窗口幀競爭窗口幀幀競爭窗口退避時

44、間剩余退避時間 802.11 MAC 802.11 MAC協(xié)議通過協(xié)議通過立即主動確認(rèn)機(jī)制立即主動確認(rèn)機(jī)制和和預(yù)預(yù)留機(jī)制業(yè)留機(jī)制業(yè)提高性能。在主動確認(rèn)機(jī)制中，當(dāng)目標(biāo)提高性能。在主動確認(rèn)機(jī)制中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點收到一個發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀節(jié)點收到一個發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀(DATA)(DATA)時，時，必須向源節(jié)點發(fā)送一個應(yīng)答幀必須向源節(jié)點發(fā)送一個應(yīng)答幀(ACK)(ACK)，確認(rèn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標(biāo)節(jié)點在發(fā)送已被正確接收到。為了保證目標(biāo)節(jié)點在發(fā)送ACKACK過程中不與其它節(jié)點發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點使用過程中不與其它節(jié)點發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點使用SIFSSIFS幀間隔。主動確認(rèn)機(jī)制只能用于有

45、明確目標(biāo)幀間隔。主動確認(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文傳輸。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(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-MACS-MAC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 802.1l

46、MACMAC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。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，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)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)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計目標(biāo)是提供良網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點能耗。好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點能耗。 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

47、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S-MAC采用機(jī)制 周期性偵聽/睡眠的低占空比工作方式 協(xié)商一致的睡眠調(diào)度機(jī)制 流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制 采用帶內(nèi)信令機(jī)制 消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制58（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)議將時間分為幀，幀長度由應(yīng)用程協(xié)議將時間分為幀，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)聽序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽/ /睡眠階段的持續(xù)時間要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。睡眠階段的持續(xù)時間要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省當(dāng)節(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。

48、當(dāng)然節(jié)點需要緩存這期間收到的數(shù)據(jù)，以能量。當(dāng)然節(jié)點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。便工作階段集中發(fā)送。 具有相同調(diào)度的節(jié)點形成一個所謂的虛擬簇，具有相同調(diào)度的節(jié)點形成一個所謂的虛擬簇，邊界節(jié)點記錄兩個或多個調(diào)度。如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊界節(jié)點記錄兩個或多個調(diào)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，使得部署范圍較廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得S-MACS-MAC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，每個節(jié)點要定期廣播自為了適應(yīng)新加入節(jié)點，每個節(jié)點要定期廣播自己的調(diào)度信息，使新節(jié)點可以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)己的調(diào)度信息，使新節(jié)點可以與已

49、經(jīng)存在的相鄰節(jié)點保持同步。如果節(jié)點同時收到兩種不同的調(diào)度，點保持同步。如果節(jié)點同時收到兩種不同的調(diào)度，如圖所示的處于兩個不同調(diào)度區(qū)域重合部分的節(jié)點，如圖所示的處于兩個不同調(diào)度區(qū)域重合部分的節(jié)點，那么這個節(jié)點可以選擇先收到的調(diào)度，并記錄另一那么這個節(jié)點可以選擇先收到的調(diào)度，并記錄另一個調(diào)度信息。個調(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)點的鄰居在通信結(jié)束后不通信過程中，通信節(jié)點的鄰居在通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時間。立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時間。 如果節(jié)點在

50、這段時間內(nèi)接收到如果節(jié)點在這段時間內(nèi)接收到RTSRTS分組，則分組，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)據(jù)分組的傳輸延遲。如果周期，從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。如果在這段時間內(nèi)沒有接收到在這段時間內(nèi)沒有接收到RTSRTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。狀態(tài)直到下一次調(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)議采用了協(xié)議采用了與與802.11 MAC802.11 MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽協(xié)議類似的虛擬和

51、物理載波監(jiān)聽機(jī)制，以及機(jī)制，以及RTS/CTSRTS/CTS握手交互機(jī)制。兩者的區(qū)別握手交互機(jī)制。兩者的區(qū)別在于當(dāng)鄰居節(jié)點處于通信過程時，執(zhí)行在于當(dāng)鄰居節(jié)點處于通信過程時，執(zhí)行S-MACS-MAC協(xié)協(xié)議的節(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)。議的節(jié)點進(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與消息長持長消息的發(fā)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。度成正比，短消息傳輸成功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

52、消息傳遞機(jī)制根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個短消息，采用一次個短消息，采用一次RTS/CTSRTS/CTS交互的握手機(jī)制預(yù)約這交互的握手機(jī)制預(yù)約這個長消息發(fā)送的時間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這個長消息發(fā)送的時間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既可以減少控制報文的開銷，又可以提高消息發(fā)送樣既可以減少控制報文的開銷，又可以提高消息發(fā)送的成功率。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 ACRTS3Data3Da

53、ta3CTS2Data1ACK2ACK2 ACK0IEEE 802.11IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的MAC子層功能 采用CSMA-CA機(jī)制來訪問物理信道； 協(xié)調(diào)器對網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)； 支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（association）與取消關(guān)聯(lián)（disassociation）； 協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步； 間接傳輸?shù)膶崿F(xiàn)(Transaction handling)； 在兩個MAC實體之間提供數(shù)據(jù)可靠傳輸； 可選的GTS支持； 支持安全機(jī)制；IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中間協(xié)調(diào)器接收和發(fā)送信標(biāo)幀IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)MAC層幀結(jié)構(gòu)

54、目標(biāo)：用最低復(fù)雜度實現(xiàn)多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸幀組成地址格式：16位短地址和64位擴(kuò)展地址幀控制字段的內(nèi)容指示地址類型幀的類型：信標(biāo)幀，數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)幀，MAC命令幀IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)幀格式超幀字段：持續(xù)時間；活躍部分持續(xù)時間；競爭訪問時斷持續(xù)時間GTS分配釋放信息：將無競爭時斷劃分為若干個GTS，并把每個GTS具體分配給某個設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址：列出了與協(xié)調(diào)者保存的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的設(shè)備地址信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)：為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式傳輸上層發(fā)送到MAC子層的數(shù)據(jù)MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元：數(shù)據(jù)負(fù)載傳送至MAC子層MAC幀： MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元

55、+MHR頭信息+MFR尾信息IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)幀格式 如果設(shè)備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀，并且?guī)拇_認(rèn)請求位設(shè)置為1，設(shè)備需要回應(yīng)一個確認(rèn)幀。 確認(rèn)幀的序列號應(yīng)該與被確認(rèn)幀的序列號相同，并且負(fù)載長度為0。 確認(rèn)幀緊接著被確認(rèn)幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機(jī)制競爭信道。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)命令幀格式 命令幀用于組建PAN，傳輸同步數(shù)據(jù)等。 命令幀有9種類型。 命令幀的功能：把設(shè)備關(guān)聯(lián)到PAN；與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)；分配GTS。 命令幀的具體功能由幀的負(fù)載數(shù)據(jù)表示。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn) MAC子層功能實現(xiàn) PAN的建立與維護(hù) 關(guān)聯(lián)請求與取消 與信標(biāo)

56、幀的同步 數(shù)據(jù)的間接傳輸方式 數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收與重傳 GTS的分配與管理 MAC子層PIB的維護(hù) MAC子層的安全策略3.3 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)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)點是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點向目的節(jié)點傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個向目的節(jié)點傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個中間節(jié)點。中間節(jié)點。 路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它包括兩個功能：到目的節(jié)點，它包括兩個功能： 尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑；尋找源節(jié)點

57、和目的節(jié)點間的優(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)議具有以下特點：的路由協(xié)議具有以下特點：（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)計路由協(xié)議時，必須滿足在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計路由協(xié)議時，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)

58、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)高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個顯著特征。為了強(qiáng)調(diào)高效利用能議的一個顯著特征。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量感知量的重要性，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某霭l(fā)，討論最少能量消耗和輸?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。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，需要不斷在諸

59、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)點采集的數(shù)據(jù)。在匯聚節(jié)點（查詢節(jié)點）查詢傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。在匯聚節(jié)點（查詢節(jié)點）發(fā)出任務(wù)查詢命令，傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測節(jié)點向監(jiān)發(fā)出任務(wù)查詢命令，傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測節(jié)點向監(jiān)控中心報告采集的數(shù)據(jù)。在這類監(jiān)控和檢測的應(yīng)用問控中心報告采集的數(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)點和傳感器探測節(jié)點之題中，通信流量主要是查詢節(jié)點和傳感器探測節(jié)點之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時傳感器探測節(jié)點的采集信間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時傳感器探測節(jié)點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

60、數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計相結(jié)合。量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計相結(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目標(biāo)最近的傳感器節(jié)點，以便得到關(guān)于距離被跟蹤目標(biāo)最近的傳感器節(jié)點，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，通常需要知道目的節(jié)點的精確有關(guān)的應(yīng)用問題中，通常需要知道目的節(jié)點的精確或者大致地理位置。把節(jié)點的位置信息作為路由選或者大致地理位置。把節(jié)點的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點的路由選擇功能，還