無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)第三章 第一節(jié)

1、計(jì)算機(jī)工程學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)第三章傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)功能功能OSI7層體系結(jié)構(gòu)層體系結(jié)構(gòu)TCP/IP協(xié)議協(xié)議五層結(jié)構(gòu)五層結(jié)構(gòu)提供應(yīng)用程序間通信應(yīng)用層應(yīng)用層處理數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)加密等表示層建立、維護(hù)和管理會(huì)話(huà)會(huì)話(huà)層建立主機(jī)端到端連接傳輸層傳輸層尋址和路由選擇網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層提供介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)、鏈路管理等數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層比特流傳輸物理層物理層傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)OSI OSI 七層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)物 理 層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng) 絡(luò) 層傳 輸 層應(yīng) 用 層傳感器網(wǎng)絡(luò)五層架構(gòu)3.1物理層技術(shù)物理層技術(shù)3.2數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)3.3網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)3.4傳輸層技術(shù)傳輸層技術(shù)目錄物理層物理

2、層：位于最低層，向下直接與物理傳輸介質(zhì)相連接，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送與接收，是決定WSN的節(jié)點(diǎn)體積、成本以及能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主要功能主要功能：為數(shù)據(jù)終端設(shè)備提供傳送數(shù)據(jù)的通路；傳輸數(shù)據(jù)；其他管理工作，如信道狀態(tài)評(píng)估、能量檢測(cè)等。節(jié)點(diǎn)各單元的功能對(duì)比如圖所示：大部分能量消耗在收發(fā)上大部分能量消耗在收發(fā)上無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層概述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層概述傳輸介質(zhì)物理層的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)主要包括無(wú)線(xiàn)電波、紅外線(xiàn)和光波等。目前WSN的主流傳輸方式主流傳輸方式是無(wú)線(xiàn)電波。易于產(chǎn)生，傳播距離遠(yuǎn)，且容易穿透建筑物，在通信方面沒(méi)有特殊的限制。例如紅外線(xiàn)。紅外線(xiàn)：紅外線(xiàn)：不受無(wú)線(xiàn)電波干擾，且

3、紅外線(xiàn)的使用不受?chē)?guó)家無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)的限制；但是紅外線(xiàn)的缺點(diǎn)是對(duì)非透明物體的透過(guò)性極差，只能在一些特殊的WSN應(yīng)用中使用。光波傳輸光波傳輸：不需要復(fù)雜的調(diào)制/解調(diào)機(jī)制，接收器的電路簡(jiǎn)單，單位數(shù)據(jù)傳輸功耗較小。光波與紅外線(xiàn)相似，通信雙方可能被非透明物體阻擋，因此只能在一些特殊的WSN應(yīng)用中使用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層概述頻譜分配無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層概述頻率選擇在頻率選擇方面，目前一般選用工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段。選用ISM頻段的主要優(yōu)點(diǎn)是ISM頻段是無(wú)須注冊(cè)的公用頻段、具有大范圍的可選頻段、沒(méi)有特定的標(biāo)準(zhǔn)，可以靈活使用。面對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)小型化、低成本、低

4、功耗的特點(diǎn)，在歐洲使用433 MHz的ISM頻段，在美國(guó)使用915 MHz的ISM頻段。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)：頻譜效率、誤碼率、環(huán)境適應(yīng)性，以及實(shí)現(xiàn)的難度和成本。而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)要解決：節(jié)能節(jié)能和成本成本。常用調(diào)制方式： 模擬調(diào)制 數(shù)字調(diào)制 擴(kuò)頻通信 UWB通信技術(shù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層模擬調(diào)制 基于正弦波的調(diào)制技術(shù)主要是對(duì)其參數(shù)幅度A(t)、頻率f(t), 相位(t)的調(diào)整。分別對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式為幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制(FM)、相位調(diào)制(PM)。 由于模擬調(diào)制自身的功耗較大且抗干擾能力及靈活性差，所以正逐步被數(shù)字式調(diào)制技術(shù)替代。但當(dāng)前，模擬調(diào)

5、制技術(shù)仍在上（下）變頻處理中起著無(wú)可替代的作用。 )()(2sin()()(ttftAts無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)模擬調(diào)制01002003004005006007008009001000-1.5-1-0.500.511.5（a）(b)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)(c)數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制技術(shù)是把基帶信號(hào)以一定方式調(diào)制到載波上進(jìn)行傳輸。從對(duì)載波參數(shù)的改變方式上可把調(diào)制方式分成三種類(lèi)型：ASK、FSK和PSK。 每種類(lèi)型又有多種不同的具體形式。如正交載波調(diào)制技術(shù)、單邊帶技術(shù)、殘留邊帶技術(shù)和部分響應(yīng)技術(shù)等都是基于ASK的變型。FSK中又分連續(xù)相位（C

6、PFSK）與不連續(xù)相位調(diào)制，以及多相PSK調(diào)制等，或混合調(diào)制如M-QAM，在這些調(diào)制技術(shù)中常用的是多相相移鍵控技術(shù)、正交幅度鍵控技術(shù)和連續(xù)相位的頻率鍵控技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)B-ary數(shù)字調(diào)制lASK （Amplitude Shift Keying），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)帶寬的要求小，缺點(diǎn)是抗干擾能力差lFSK （Frequency Shift Keying )相比于ASK需要更大的帶寬lPSK (Phase Shift Keying) 更復(fù)雜，但是具有較好的抗干擾能力無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)M-ary調(diào)制調(diào)制：即多進(jìn)制調(diào)制，與二

7、進(jìn)制數(shù)字調(diào)制不同的是：多進(jìn)制調(diào)制利用多進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制載波信號(hào)的振幅、頻率或相位，由此相應(yīng)地有多進(jìn)制振幅調(diào)制、多進(jìn)制頻率調(diào)制和多進(jìn)制相位調(diào)制三種基本方式。多進(jìn)制振幅調(diào)制多進(jìn)制振幅調(diào)制：在相同碼元傳輸速率的條件下，多進(jìn)制振幅調(diào)制與二進(jìn)制調(diào)制具有相同的帶寬，并且有更高的信息傳輸速率。多進(jìn)制頻率調(diào)制多進(jìn)制頻率調(diào)制：原理基本上可以看成二進(jìn)制頻率鍵控方式的推廣。多進(jìn)制相位調(diào)制多進(jìn)制相位調(diào)制：利用載波的多種不同相位（或相位差）來(lái)表示數(shù)字信息?？梢苑殖山^對(duì)移相和相對(duì)（差分）移相兩種方式。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)與二進(jìn)制相比，多進(jìn)制調(diào)制在性能上有以下特點(diǎn)。（1）在相同的碼元傳輸

8、速率條件下，M-ary調(diào)制系統(tǒng)的信息傳輸速率是二進(jìn)制調(diào)制系統(tǒng)的log2M倍，即與二進(jìn)制調(diào)制相比，M-ary調(diào)制能夠通過(guò)單個(gè)符號(hào)發(fā)送多位數(shù)據(jù)來(lái)減少發(fā)射時(shí)間。（2）M-ary調(diào)制需要在輸入端增加2-M轉(zhuǎn)換器，相應(yīng)地，在接收端需要增加M-2轉(zhuǎn)換器，因此與二進(jìn)制調(diào)制相比，M-ary調(diào)制的電路更為復(fù)雜。（3）M-ary調(diào)制需要更高的發(fā)射功率來(lái)發(fā)送多元信號(hào)。（4）在啟動(dòng)能量消耗較大的系統(tǒng)中，二進(jìn)制調(diào)制機(jī)制更加有效，多進(jìn)制調(diào)制機(jī)制僅僅對(duì)啟動(dòng)能量消耗較低的系統(tǒng)適用。（5）M-ary調(diào)制的誤碼率通常大于二進(jìn)制的誤碼率。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)M-ary調(diào)制機(jī)制調(diào)制機(jī)制：滿(mǎn)足WSN最小

9、化符號(hào)率和最大化數(shù)據(jù)傳輸率的指標(biāo)，但簡(jiǎn)單的多相位M-ary信號(hào)將降低檢測(cè)的敏感度，需要增加發(fā)射功率，導(dǎo)致能量浪費(fèi)。偏移四相移鍵控（偏移四相移鍵控（O-QPSK）：采用四位二進(jìn)制符號(hào)，有效解決上述問(wèn)題，并且仿真實(shí)驗(yàn)表明該方案的節(jié)能性比較好。正交振幅調(diào)制（正交振幅調(diào)制（QAM）：同時(shí)以載波信號(hào)的幅度和相位來(lái)代表不同的數(shù)字比特編碼，把多進(jìn)制與正交載波技術(shù)結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步提高頻帶利用率 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)擴(kuò)頻通信（擴(kuò)頻通信（Spread Spectrum Communication，擴(kuò)展頻譜通信），擴(kuò)展頻譜通信） ：將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列：Sprea

10、d Sequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。用來(lái)傳輸信息的射頻帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬。擴(kuò)頻通信有如下的優(yōu)點(diǎn)： l 抗干擾 l 抗噪音 l 抗多徑衰落 l 具有保密性 l 功率譜密度低，具有隱蔽性和低的截獲概率 l 可多址復(fù)用和任意選址 l 高精度測(cè)量無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為：直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum：DSSS)工作方式，簡(jiǎn)稱(chēng)直擴(kuò)(DS)方式；跳變頻率跳變頻率(Frequency Hoppi

11、ng)工作方式，簡(jiǎn)稱(chēng)跳頻(FH)方式；跳變時(shí)間跳變時(shí)間(Time Hopping)工作方式，簡(jiǎn)稱(chēng)跳時(shí)(TH)方式；寬帶線(xiàn)性調(diào)頻寬帶線(xiàn)性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式，簡(jiǎn)稱(chēng)Chirp方式；混合方式混合方式，即在幾種基本的擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上組合起來(lái)，構(gòu)成各種混合方式，如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。 直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻是當(dāng)前使用最廣的兩種方式，例如IEEE802.15.4定義的物理層中采用的就是直接序列擴(kuò)頻，藍(lán)牙物理層協(xié)議中使用的則是跳頻擴(kuò)頻，下面主要介紹這兩種擴(kuò)頻方式。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)n直接序列擴(kuò)頻DSSS 如圖所示為如圖所示為PS

12、K直接序列擴(kuò)頻器的結(jié)構(gòu)。直接序列擴(kuò)頻器的結(jié)構(gòu)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)nFHSS 如圖所示為跳頻擴(kuò)頻及解擴(kuò)電路結(jié)構(gòu)圖。如圖所示為跳頻擴(kuò)頻及解擴(kuò)電路結(jié)構(gòu)圖。數(shù) 據(jù)調(diào) 制NRZ) t (d) tcos(P20) t (sd頻綜碼產(chǎn) 生碼鐘) t (hT) t (st(a) FH發(fā)送端框圖頻率合成器偽隨機(jī)碼產(chǎn)生(a) FH發(fā)送原理框圖(d) FH 接收端框 圖數(shù) 據(jù)調(diào) 制) t (d頻 綜碼產(chǎn) 生碼 鐘) t (hR) t ( r) t ( y寬帶窄帶頻 率 合 成器 偽隨機(jī)碼產(chǎn)生(b) FH接收機(jī)原理框圖數(shù)據(jù)解調(diào)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)差分脈

13、沖位置調(diào)制機(jī)制差分脈沖位置調(diào)制機(jī)制：采用兩個(gè)32-chip PN碼，I、Q通道各一個(gè)，并采用OQPSK調(diào)制，每個(gè)32-chip采用半正弦脈沖波形。調(diào)制結(jié)果波形具有恒定包絡(luò)，從而適合低廉的非線(xiàn)性功率放大器。PN碼使用最大長(zhǎng)度序列（m-序列），I通道采用的PN碼的特征多項(xiàng)式為45（八進(jìn)制），Q通道采用的PN碼的特征多項(xiàng)式為75（八進(jìn)制），符號(hào)速率為31.25 kSymbols/s。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)自適應(yīng)編碼位置自適應(yīng)編碼位置調(diào)制機(jī)制調(diào)制機(jī)制： 每個(gè)節(jié)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)信道，一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)，另一個(gè)傳輸信令。發(fā)送方的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CPM調(diào)制后，由AWGN信道傳輸給接收方；在接收方

14、，數(shù)據(jù)按相反的順序處理。接收方計(jì)算數(shù)據(jù)的誤碼率，將其通過(guò)信令信道回送給發(fā)送方，并根據(jù)BER估計(jì)噪聲功率密度以及調(diào)整發(fā)射功率。分組調(diào)度層和物理層通過(guò)協(xié)作來(lái)保證針對(duì)動(dòng)態(tài)的端到端的發(fā)送QoS需求和時(shí)變的本地環(huán)境的自適應(yīng)性。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)UWB通信技術(shù)通信技術(shù) （Ultra Wide Band：UWB超寬帶）是近年來(lái)發(fā)展較快的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)之一特點(diǎn)：特點(diǎn)：高傳輸速率；非常高的時(shí)間和空間分辨率；低功耗、保密性好；低成本；易于集成。依據(jù)FCC對(duì)UWB的定義，UWB信號(hào)帶寬大于500MHz或相對(duì)帶寬大于 0.2。相對(duì)帶寬定義為： fH和fL為系統(tǒng)最高頻率和最低頻率。

15、 LfHfLf-Hfcf 2無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)UWB通信技術(shù)通信技術(shù)與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)相比，UWB 的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。UWB 系統(tǒng)直接通過(guò)脈沖調(diào)制發(fā)送信號(hào)而無(wú)傳統(tǒng)的中頻處理單元，可采用軟件無(wú)線(xiàn)電的全數(shù)字硬件接收結(jié)構(gòu)UWB收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)圖無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)窄帶調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和UWB的比較：分類(lèi)窄帶UWB擴(kuò)頻成本343功耗254低傳輸范圍和低速率354抗干擾能力154抗背景噪聲能力252同步難易度322頻譜利用率245多播能力134無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層調(diào)制解調(diào)技術(shù)無(wú)線(xiàn)通信信道的傳播特性無(wú)線(xiàn)通信信道的

16、傳播特性自由空間信道自由空間信道多徑信道多徑信道加性噪聲信道加性噪聲信道無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層信道特性 無(wú)線(xiàn)傳播環(huán)境是影響無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的基本因素。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的無(wú)線(xiàn)傳播路徑非常復(fù)雜，從簡(jiǎn)單的視距傳播，到遭遇各種復(fù)雜的物體（如建筑物、山脈和樹(shù)葉等）所引起的反射、繞射和散射傳播等。無(wú)線(xiàn)信道不像有線(xiàn)信道那樣固定并可預(yù)見(jiàn)，它具有極大的隨機(jī)性。而且，無(wú)線(xiàn)臺(tái)相對(duì)于發(fā)射臺(tái)無(wú)線(xiàn)的方向和速度，甚至收發(fā)雙方附近的無(wú)線(xiàn)物體也對(duì)接收信號(hào)有很大的影響。因此，可以認(rèn)為無(wú)線(xiàn)的傳播環(huán)境是一種隨時(shí)間、環(huán)境和其他外部因素而變化的傳播環(huán)境。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層信道特性傳播根據(jù)弗利斯（Fr

17、iis）傳輸公式，它表明了接收天線(xiàn)的接收功率和發(fā)射天線(xiàn)的發(fā)射功率之間的關(guān)系。其中，Lfs稱(chēng)為自由空間傳播損耗。考慮到電磁波在空間傳播時(shí)，空間并不是理想的（如氣候因素），假設(shè)由氣候影響帶來(lái)的損耗為L(zhǎng)s，則接收天線(xiàn)接收功率可表示為：fsstrLLGGPP21接收天線(xiàn)接收功率：損耗：tsfsr12PL LL=PG G無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層信道特性自由空間 在超短波、微波波段，電波在傳播過(guò)程中還會(huì)遇到障礙物，如樓房、高大建筑物或山丘等，它們會(huì)使電波產(chǎn)生反射、折射或衍射等。因此，到達(dá)接收天線(xiàn)的信號(hào)可能存在多種反射波（廣義地說(shuō)，地面反射波也應(yīng)包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象稱(chēng)為多徑傳播。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)

18、絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層信道特性多徑傳輸對(duì)于噪聲通信信道，最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型是加性噪聲信道，如圖所示。圖中，傳輸信號(hào)s(t)被一個(gè)附加的隨機(jī)噪聲n(t)所污染。加性噪聲可能來(lái)自電子元件和系統(tǒng)接收端的放大器，或傳輸中受到的干擾，無(wú)線(xiàn)傳輸主要采用這種模型。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層信道特性噪聲 如果噪聲主要是由電子元件和接收放大器引入的，則稱(chēng)為熱噪聲，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上表征為高斯噪聲。因此，該數(shù)學(xué)模型稱(chēng)為加性高斯白噪聲信道（Additive White Gaussian Noise Channel，AWGN）模型。由于該模型可以廣泛地應(yīng)用于許多通信信道，又由于它在數(shù)學(xué)上易處理，所以這是目前

19、通信系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用信道模型。信道衰減很容易結(jié)合進(jìn)這個(gè)模型，當(dāng)信號(hào)遇到衰減吋，則接收到的信號(hào)為( )( ) + ( )r tas tn t無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層信道特性噪聲物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。為了確保網(wǎng)絡(luò)的平滑性能，該層一般需與介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）子層進(jìn)行密切地交互。 物理層設(shè)計(jì)所需要考慮的要點(diǎn)有：節(jié)點(diǎn)的成本要求節(jié)點(diǎn)的功耗要求通信速率的要求通信頻段的選擇編碼調(diào)制方式的選擇物理幀結(jié)構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn)低成本是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本要求，只有低成本，才能將節(jié)點(diǎn)大量地布置在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)出無(wú)線(xiàn)傳感器

20、網(wǎng)絡(luò)的各種優(yōu)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)最大限度的集成化設(shè)計(jì)，減少分立元件是降低成本的主要手段。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模的節(jié)點(diǎn)布置以及時(shí)間同步的要求，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理層頻率穩(wěn)定度的要求非常高，所以晶體振蕩器是物理層設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)部件。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn)成本無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般都需要幾個(gè)月的使用壽命，在有的應(yīng)用中壽命需要達(dá)到27年，這就要求節(jié)點(diǎn)的平均功耗在幾個(gè)W。降低收發(fā)機(jī)電路自身的功耗。物理層調(diào)制解調(diào)方式的選擇。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn)功耗頻段的選擇是由很多的因素決定的，但是對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，則必須根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇。頻率的選擇直接決定

21、了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的天線(xiàn)尺寸、電感的集成度以及節(jié)點(diǎn)的功耗等。（1）從節(jié)點(diǎn)功耗的角度考慮自身能耗、傳播損耗與工作頻率的關(guān)系。（2）從節(jié)點(diǎn)物理層集成化程度、成本的角度來(lái)考慮。 當(dāng)前頻段的選擇大都集中在433-464MHz 、902-928MHz以及2.4-2.5GHz ISM波段。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn)頻率選擇M-ary調(diào)制方式：調(diào)制方式：相同的碼元速率的情況下，M-ary調(diào)制方式傳輸?shù)男畔⒘渴嵌M(jìn)制調(diào)制方式的log2M倍，因此更節(jié)省了傳輸時(shí)間，但是其同時(shí)指出M-ary調(diào)制相對(duì)于二進(jìn)制調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)上更復(fù)雜而且抗干擾能力較差，尤其對(duì)于功率受限的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，M越大誤

22、碼性能就會(huì)越嚴(yán)重。擴(kuò)頻通信調(diào)制方式擴(kuò)頻通信調(diào)制方式：可以提供較高的速率，提高信道容量，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要存儲(chǔ)通信的PN碼，會(huì)對(duì)有限的存儲(chǔ)資源帶來(lái)一定壓力。 超寬帶（超寬帶（UWB）技術(shù)）技術(shù)：是無(wú)需載波的調(diào)制技術(shù)，其超低的功耗和易于集成的特點(diǎn)非常適于WSN短距離通信。但是UWB信號(hào)接收需要較長(zhǎng)的捕獲時(shí)間，即需要較長(zhǎng)的前導(dǎo)碼，這將降低信號(hào)的隱蔽性，需要MAC層更好的協(xié)作。協(xié)同發(fā)射的虛擬協(xié)同發(fā)射的虛擬MIMO調(diào)制方式調(diào)制方式：節(jié)點(diǎn)之間可以協(xié)同傳輸以達(dá)到遠(yuǎn)距離基站，可以減少或避免多跳損耗，但是這種方式需要精確的同步。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn)調(diào)制方式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn)幀

23、結(jié)構(gòu)典型物理層幀結(jié)構(gòu)（典型物理層幀結(jié)構(gòu)（802.15.4）：物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼，其字節(jié)數(shù)一般取4，收發(fā)器在接收前導(dǎo)碼期間會(huì)根據(jù)前導(dǎo)碼序列的特征完成片同步和符號(hào)同步，當(dāng)然字節(jié)數(shù)越多同步可靠性越好，但需要更多的能量消耗。接下來(lái)的是幀頭（start-of-frame delimiter, SFD字段，標(biāo)示一個(gè)物理幀的開(kāi)始。幀長(zhǎng)度（frame length）一般由一個(gè)字節(jié)的低7位表示，其值就是物理幀負(fù)載的長(zhǎng)度，因此物理幀負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)127個(gè)字節(jié)。物理幀的負(fù)載長(zhǎng)度可變，稱(chēng)之為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PHY service data unite,PSDU），一般承載MAC幀。 4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)可

24、變長(zhǎng)度前導(dǎo)碼SFD幀長(zhǎng)度（7位）保留位PSDU同步頭幀的長(zhǎng)度，最大為128字節(jié)PHY負(fù)載無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層目前，WSN 物理層協(xié)議的研究還處于初級(jí)階段， 在硬件和軟件方面都還需要做進(jìn)一步的研究。硬件方面：目前的WSN節(jié)點(diǎn)在體積、成本和功耗上與其廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的差距，缺乏小型化、低成本、低功耗的片上系統(tǒng)（system on chip：SOC）實(shí)現(xiàn)；軟件方面：WSN 物理層迫切需要符合其特點(diǎn)和要求的簡(jiǎn)單的協(xié)議、算法設(shè)計(jì)，特別是低功耗高效的調(diào)制解調(diào)技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn)小結(jié)3.1物理層技術(shù)物理層技術(shù)3.2數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)3.3網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層技

25、術(shù)3.4傳輸層技術(shù)傳輸層技術(shù)目錄數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層：就是利用物理層提供的數(shù)據(jù)傳輸功能，將物理層的物理連接鏈路轉(zhuǎn)換成邏輯連接鏈路，從而形成一條沒(méi)有差錯(cuò)的鏈路，保證鏈路的可靠性。數(shù)據(jù)鏈路層也向它的上層網(wǎng)絡(luò)層提供透明的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀監(jiān)測(cè)、媒體介入和差錯(cuò)控制，保證無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)以及點(diǎn)到多點(diǎn)的連接。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層研究的主要內(nèi)容就是MAC和差錯(cuò)控制。怎樣實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線(xiàn)信道的共享，即介質(zhì)控制協(xié)議（MAC）的實(shí)現(xiàn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層研究的一個(gè)重點(diǎn)，MAC協(xié)議的好壞直接影響網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)劣。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層概述1網(wǎng)

26、絡(luò)性能的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化 在MAC協(xié)議中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)不是獨(dú)立存在的，而是互相影響的，在提高一種性能的同時(shí)可能會(huì)降低其他性能?，F(xiàn)在所提出來(lái)的MAC協(xié)議往往只考慮一種或兩種性能指標(biāo)，沒(méi)有綜合各種指標(biāo)使之達(dá)到更好的性能。2跨層優(yōu)化跨層優(yōu)化 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)最重要的就是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)各層之間能夠?qū)崿F(xiàn)合作和信息共享。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用了跨層設(shè)計(jì)，各層之間能夠通過(guò)共享一些信息來(lái)共同調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的性能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層關(guān)鍵問(wèn)題3能量效率問(wèn)題能量效率問(wèn)題u在無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)中，能量消耗主要用于無(wú)線(xiàn)信號(hào)的收發(fā)。u無(wú)線(xiàn)通信模塊一般有4個(gè)狀態(tài)，即發(fā)

27、送、接收、空閑和休眠，在這4個(gè)狀態(tài)中，能量消耗逐級(jí)遞減。協(xié)議必須合理選擇節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)和休眠的時(shí)間比例。u還需考慮休眠期間節(jié)點(diǎn)的接收問(wèn)題和喚醒期間節(jié)點(diǎn)收發(fā)的最大利用率問(wèn)題，以最大限度地節(jié)省能量。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層關(guān)鍵問(wèn)題在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路層上，MAC協(xié)議的多余能量開(kāi)耗多余能量開(kāi)耗主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：碰撞碰撞：在無(wú)線(xiàn)信道上，如果有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么這兩個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)都將發(fā)射不成功，這會(huì)造成能量的大量浪費(fèi)。持續(xù)偵聽(tīng)持續(xù)偵聽(tīng)：在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的接收節(jié)點(diǎn)無(wú)法預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)何時(shí)到達(dá)，另外每個(gè)節(jié)點(diǎn)還需要偵聽(tīng)各節(jié)點(diǎn)的擁塞狀況，因此節(jié)點(diǎn)必須始終保持偵聽(tīng)狀態(tài)，以防特殊情況的發(fā)生，

28、但這里包含了許多沒(méi)必要的偵聽(tīng)，從而浪費(fèi)了許多能量。控制開(kāi)銷(xiāo)控制開(kāi)銷(xiāo)：為了保證無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性，MAC層協(xié)議需要使用一些控制分組來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，但這些控制分組中不存在有用的數(shù)據(jù)，因此也要消耗一部分的能量。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層關(guān)鍵問(wèn)題3公平性公平性 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相同的權(quán)利來(lái)訪(fǎng)問(wèn)信道； 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗保持大概的平衡，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。5可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)域與其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比，具有規(guī)模大、分布密集等特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)會(huì)動(dòng)態(tài)性地變化，因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議必須具備可擴(kuò)展性。4信道共享問(wèn)題信道共享問(wèn)題 一般來(lái)說(shuō)，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在三種信

29、道共享方式，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的就是多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)共享方式，更準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是以一種多跳共享方式，也可以說(shuō)這是一種信道的空間復(fù)用方式。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層關(guān)鍵問(wèn)題信道共享容易造成兩個(gè)問(wèn)題：數(shù)據(jù)的沖突數(shù)據(jù)的沖突：當(dāng)同一信道上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若它們相互干擾則將導(dǎo)致數(shù)據(jù)包發(fā)送不成功，這會(huì)使數(shù)據(jù)的時(shí)延增加，也將消耗一些不必要的能量，因此避免信道的上沖突是信道共享所必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。串?dāng)_串?dāng)_：在一個(gè)共享的無(wú)線(xiàn)信道中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠接收到在信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但是有許多數(shù)據(jù)是自己不需要的，接收之后再將其拋棄，在這個(gè)過(guò)程中也將造成能量的大量浪費(fèi)

30、。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層關(guān)鍵問(wèn)題無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類(lèi)1按節(jié)點(diǎn)接入方式劃分按節(jié)點(diǎn)接入方式劃分發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包的通知方式通?？煞譃閭陕?tīng)、喚醒和調(diào)度三種MAC協(xié)議；偵聽(tīng)偵聽(tīng)MAC協(xié)議協(xié)議：主要采用間斷偵聽(tīng)的方式；喚醒喚醒MAC協(xié)議協(xié)議：主要采用基于低功耗的喚醒接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也有集合偵聽(tīng)和喚醒兩種方式的MAC協(xié)議，如低功耗前導(dǎo)載波偵聽(tīng)MAC協(xié)議；調(diào)度調(diào)度MAC協(xié)議協(xié)議：主要使用廣播中，廣播的數(shù)據(jù)信息包含了接收節(jié)點(diǎn)何時(shí)接入信道與何時(shí)控制接收節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟接收模塊。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層2按信道占用數(shù)劃分按信道占用數(shù)劃分 在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，

31、按物理層所采用的信道劃分方法，可以分為單信道、雙信道和多信道三種方式，目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用的主要是單信道MAC協(xié)議。3按分配信道方式劃分按分配信道方式劃分 在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，競(jìng)爭(zhēng)性是區(qū)分MAC協(xié)議最重要的一個(gè)依據(jù)，競(jìng)爭(zhēng)是指節(jié)點(diǎn)在接入信道的過(guò)程中采用的是隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式還是有計(jì)劃的競(jìng)爭(zhēng)方式，因此MAC協(xié)議可以分為固定接入和隨機(jī)接入兩種。競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議基本上都屬于隨機(jī)接入?yún)f(xié)議，其實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，能靈活地解決無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的問(wèn)題，能量波動(dòng)非常小。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類(lèi)基于競(jìng)爭(zhēng)的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議協(xié)議基于分配的基于分配的MAC協(xié)議協(xié)議混合型混合型MAC協(xié)議協(xié)議跨層跨層MA

32、C協(xié)議協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類(lèi) 根據(jù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量小、針對(duì)節(jié)點(diǎn)間的公平性及通信延時(shí)要求不高等特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)的，其主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供大規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)所需的可擴(kuò)展性，并同時(shí)降低能耗。 S-MAC協(xié)議協(xié)議做出如下假設(shè)： 大多數(shù)節(jié)點(diǎn)之間是進(jìn)行多跳短矩離通信； 節(jié)點(diǎn)在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中處于平等作用，即一般情況下沒(méi)有基站； 為了減少通信量，采用網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理； 運(yùn)用信號(hào)的協(xié)作處理，改善感知信息的質(zhì)量； 節(jié)點(diǎn)具有較長(zhǎng)的空閑時(shí)間而且可以容忍一定的延時(shí)； 網(wǎng)絡(luò)壽命是首要考慮的問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MACS-MAC協(xié)議協(xié)議采用的機(jī)制有以下幾

33、種：將節(jié)點(diǎn)的工作模式分為偵聽(tīng)和睡眠兩個(gè)狀態(tài)，并讓節(jié)點(diǎn)盡可能長(zhǎng)時(shí)間睡眠以達(dá)到節(jié)能的目的；通過(guò)協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機(jī)制讓相鄰節(jié)點(diǎn)在相同時(shí)間活動(dòng)、相同時(shí)間睡眠，從而形成虛擬簇；通過(guò)突發(fā)傳遞和消息分割機(jī)制來(lái)減少消息的傳輸延時(shí)和控制消息的開(kāi)銷(xiāo)；通過(guò)流量自適應(yīng)的偵聽(tīng)機(jī)制，減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)在傳輸過(guò)程中的累加效應(yīng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC1）周期性地偵聽(tīng)和睡眠）周期性地偵聽(tīng)和睡眠睡眠偵聽(tīng)機(jī)制S-MAC協(xié)議基本的節(jié)能手段是依靠傳感器節(jié)點(diǎn)定期進(jìn)入睡眠狀態(tài)從而減少節(jié)點(diǎn)空閑偵聽(tīng)的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。S-MAC協(xié)議把時(shí)間分割成許多時(shí)隙，在每個(gè)時(shí)隙中又劃分為偵聽(tīng)偵聽(tīng)和睡眠睡眠兩個(gè)狀態(tài)，在偵聽(tīng)

34、狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)可以和其通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)自由地進(jìn)行通信；在睡眠狀態(tài)，為了減少節(jié)點(diǎn)功耗，不參與任何的數(shù)據(jù)傳遞活動(dòng)，只是設(shè)定計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，這樣在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后自己就能自動(dòng)醒來(lái)，醒來(lái)后則立刻查看是否有消息傳遞給自己。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC S-MAC協(xié)議將節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)狀態(tài)分為兩個(gè)部分以保證節(jié)點(diǎn)能接收到數(shù)據(jù)包和同步包，第一個(gè)部分用于發(fā)送和接收同步包，第二部分用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，每個(gè)部分都設(shè)有載波幀聽(tīng)時(shí)間。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC 理論上，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都需要遵守相同的調(diào)度時(shí)間，不能有絲毫的誤差。但是由于傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間

35、表本身就是隨時(shí)變化的，而且無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)還是多跳地傳遞數(shù)據(jù)，所以只有在局部節(jié)點(diǎn)之間才有可能形成同步。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC2）沖突避免）沖突避免 如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的鄰居節(jié)點(diǎn)想同時(shí)與一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，那么它們都會(huì)試圖在該節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)時(shí)段發(fā)送消息，在這種情況下必然發(fā)生沖突和碰撞，于是它們就需要開(kāi)始爭(zhēng)奪對(duì)信道的使用權(quán)。 如下所示的多跳網(wǎng)絡(luò)，它由節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E、F構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能和其一跳以?xún)?nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。假設(shè)此時(shí)節(jié)點(diǎn)A正向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)，那么顯然節(jié)點(diǎn)D應(yīng)該睡眠，因?yàn)樗膫鬏敻蓴_了B正確接收A發(fā)出的數(shù)據(jù)。而節(jié)點(diǎn)E和F不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)，所以

36、它們不需要睡眠。C和B之間的距離有兩跳遠(yuǎn)，即使它傳輸數(shù)據(jù)也不會(huì)干擾到B接收，所以它可以自由地向其他節(jié)點(diǎn)（如E）發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，C卻無(wú)法接收E的應(yīng)答（CTS或其他數(shù)據(jù)等），這是因?yàn)镋和A同時(shí)傳輸會(huì)在節(jié)點(diǎn)C處產(chǎn)生沖突，所以即使C傳輸，也是浪費(fèi)能量。總而言之，不管是發(fā)送者還是接收者，它們之間相鄰的節(jié)點(diǎn)在聽(tīng)到CTS或RTS包后都需要睡眠，一直要等到傳輸結(jié)束才可以醒來(lái)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC3）自適應(yīng)偵聽(tīng)）自適應(yīng)偵聽(tīng)S-MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)周期性地進(jìn)入睡眠狀態(tài)會(huì)增加延時(shí)，這種延時(shí)并不會(huì)自動(dòng)消除，反而會(huì)在每跳中累積，所以S-MAC采用自適應(yīng)偵聽(tīng)策略來(lái)減少這種累加的效

37、應(yīng)。它的基本思想是當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)在其通信范圍內(nèi)得知相鄰的節(jié)點(diǎn)要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)就睡眠并記錄其傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間，只有當(dāng)其相鄰的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束后才能醒來(lái)一個(gè)短暫的時(shí)間，這時(shí)它可以通過(guò)偵聽(tīng)信道查看信道的狀態(tài)（忙或空閑），判斷是否有數(shù)據(jù)需要傳輸。在這種方式下，如果此時(shí)正好有一個(gè)消息需要傳遞給該節(jié)點(diǎn)，那么它就可以立刻接收，而不用等到該節(jié)點(diǎn)的睡眠結(jié)束后再進(jìn)行傳遞；假如沒(méi)有任何消息需要傳遞給該節(jié)點(diǎn)，那么它就繼續(xù)睡眠。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC4）消息傳遞）消息傳遞S-MAC傳輸大量數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MACT-MAC協(xié)議協(xié)議1）基本思想）

38、基本思想相對(duì)于S-MAC協(xié)議來(lái)說(shuō)，保持了S-MAC的周期，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的流量自適應(yīng)地調(diào)整激活的時(shí)間。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MACT-MAC協(xié)議規(guī)定，當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)還沒(méi)有結(jié)束通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)入到睡眠狀態(tài)，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)很有可能就是下一個(gè)數(shù)據(jù)的目的節(jié)點(diǎn)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到串?dāng)_以后能夠觸發(fā)一個(gè)空閑間隔TA，TA必須要足夠大，以保證節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測(cè)到串?dāng)_的CTS， T-MAC協(xié)議規(guī)定TA取值約束為 TAC+R+T式中，C為競(jìng)爭(zhēng)信道的時(shí)間，R為發(fā)送RTS的時(shí)間，T為RTS分組發(fā)送結(jié)束到開(kāi)始發(fā)出CTS的時(shí)間。節(jié)點(diǎn)發(fā)送完RTS分組之后，如果未收到對(duì)應(yīng)的CTS分組，那么就有三種情況：l由

39、于無(wú)線(xiàn)信道發(fā)生碰撞，目的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有接收到RTS分組；l目的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到串?dāng)_的分組；l目的節(jié)點(diǎn)正處于睡眠狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC 如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)在TA時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有收到CTS分組，它就會(huì)進(jìn)入睡眠。但是從上面的前兩種情況可以看出節(jié)點(diǎn)還沒(méi)有收到CTS分組，直接進(jìn)入睡眠會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)性降低，接收節(jié)點(diǎn)一直都處于空閑監(jiān)聽(tīng)，浪費(fèi)大量的能量，因此TMAC協(xié)議規(guī)定，節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS分組之后沒(méi)有收到CTS分組，則重新發(fā)送一次RTS分組，還沒(méi)有收到則進(jìn)入睡眠狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC2）需要解決的主要問(wèn)題早睡問(wèn)題無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層

40、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送：采用提前通知需要接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)早睡的避免：如上頁(yè)中的a所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)C接收到CTS后，除了觸發(fā)自己保持監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)之外，還發(fā)送一個(gè)FRTS分組給節(jié)點(diǎn)D，F(xiàn)RTS分組中含有節(jié)點(diǎn)D需要等待的時(shí)間，在此空閑狀態(tài)中，節(jié)點(diǎn)D必須要保持偵聽(tīng)狀態(tài)。在節(jié)點(diǎn)C發(fā)送FRTS時(shí)看哪個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)干擾節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此節(jié)點(diǎn)A需要延遲原數(shù)據(jù)的發(fā)送響應(yīng)的時(shí)間，但是又必須保持對(duì)信道的占用，因此節(jié)點(diǎn)A在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)送一個(gè)與FRTS一樣長(zhǎng)度的分組，該分組不包含任何有用的數(shù)據(jù)，然后才接著發(fā)送有用數(shù)據(jù)信息。從而數(shù)據(jù)傳到節(jié)點(diǎn)C之后節(jié)點(diǎn)D還是處于喚醒狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)的

41、實(shí)時(shí)傳輸。由于采用了未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送機(jī)制，協(xié)議需要增加一個(gè)FRTS分組傳輸?shù)臅r(shí)間，該方法提高了系統(tǒng)吞吐量和實(shí)時(shí)性，但是多了一些控制消息，相應(yīng)地要消耗能量。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC滿(mǎn)緩沖區(qū)優(yōu)先滿(mǎn)緩沖區(qū)優(yōu)先：當(dāng)節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)快滿(mǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的RTS分組不回復(fù)CTS，而是立即向緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS，建立連接之后發(fā)送數(shù)據(jù)，以減輕緩沖區(qū)負(fù)載。如前頁(yè)中的b所示，節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送RTS，而節(jié)點(diǎn)C因?yàn)榫彌_區(qū)滿(mǎn)不回復(fù)一個(gè)CTS分組，而是向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送RTS以求數(shù)據(jù)傳輸。這種方法在一定程度上減少了早睡問(wèn)題的發(fā)生概率，并可控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量，但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)大時(shí)更容易發(fā)生

42、沖突。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MACSift協(xié)議協(xié)議對(duì)CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行修改，競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小是原本就設(shè)定好的，采用非均勻概率來(lái)決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于空間的競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于空間的競(jìng)爭(zhēng)。一般來(lái)說(shuō)，許多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)都在某一區(qū)域放置了多個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用多個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到同一事件來(lái)保證數(shù)據(jù)的可靠性。這種冗余數(shù)據(jù)的發(fā)生將導(dǎo)致鄰居節(jié)點(diǎn)間相互搶占信道，從而造成基于空間的競(jìng)爭(zhēng)。（2）基于事件的報(bào)告方式基于事件的報(bào)告方式。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，并非所有的節(jié)點(diǎn)都需要報(bào)告事件，匯聚節(jié)點(diǎn)只需接收到所發(fā)生事件的相關(guān)信息即可。（3）感知事件的節(jié)

43、點(diǎn)密度的自適應(yīng)調(diào)整感知事件的節(jié)點(diǎn)密度的自適應(yīng)調(diào)整。大量的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到同一事件后，隨著目標(biāo)的移動(dòng)或者時(shí)間的推移，傳感器網(wǎng)絡(luò)感知到事件的節(jié)點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，從而能夠更好地觀(guān)測(cè)目標(biāo)事件。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于競(jìng)爭(zhēng)的MACSMACS協(xié)議協(xié)議1）基本思想）基本思想 SMACS協(xié)議假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠在多個(gè)載波頻點(diǎn)上進(jìn)行切換，該協(xié)議將每個(gè)雙向信道定義為兩個(gè)時(shí)間段，這類(lèi)似于TDMA機(jī)制中分配的時(shí)隙。 SMACS協(xié)議是一種分布式協(xié)議，允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)集發(fā)現(xiàn)鄰居并進(jìn)行信道分配。 由于鄰近節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙有可能產(chǎn)生沖

44、突，為了減少?zèng)_突的可能性，每個(gè)鏈路都分配一個(gè)隨機(jī)選擇的頻點(diǎn)，相鄰的鏈路都有不同的工作頻點(diǎn)。 當(dāng)鏈路建立后，節(jié)點(diǎn)在分配的時(shí)隙中打開(kāi)射頻部分，與鄰居進(jìn)行通信，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)收發(fā)，則關(guān)閉射頻部分進(jìn)行睡眠，在其余時(shí)隙節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻部分，降低能量損耗。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于分配的MAC 2）關(guān)鍵技術(shù)：）關(guān)鍵技術(shù)：節(jié)點(diǎn)在上電后先進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，每發(fā)現(xiàn)一個(gè)鄰居，這一對(duì)節(jié)點(diǎn)就形成一個(gè)雙向信道，即一個(gè)通信鏈路。在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的超幀中為該鏈路分配一對(duì)時(shí)隙用于雙向通信。隨著鄰居的增加，超幀慢慢地被填滿(mǎn)。每對(duì)時(shí)隙都會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)的頻點(diǎn)，減少鄰近鏈路沖突的可能。這樣全網(wǎng)很快就能在初始化建立鏈路，這種

45、不同步的時(shí)隙分配稱(chēng)為異步分配通信SMACS協(xié)議協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于分配的MAC 如圖所示，假設(shè)節(jié)點(diǎn)B、C、G進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)。這些節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)的時(shí)間段內(nèi)打開(kāi)射頻模塊，在一個(gè)固定的頻點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)一個(gè)隨機(jī)長(zhǎng)度的時(shí)間。如果在此監(jiān)聽(tīng)時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的邀請(qǐng)消息，那么隨后節(jié)點(diǎn)將發(fā)送一個(gè)邀請(qǐng)消息。 圖中 ，節(jié)點(diǎn)C就是在監(jiān)聽(tīng)結(jié)束后廣播的一個(gè)邀請(qǐng)消息Type1。節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)G接收到節(jié)點(diǎn)C發(fā)出的Type1消息后，等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間，然后各自廣播一個(gè)應(yīng)答消息Type2。如果兩個(gè)應(yīng)答消息不沖突，節(jié)點(diǎn)C將接收到節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)G發(fā)來(lái)的邀請(qǐng)應(yīng)答。 節(jié)點(diǎn)C在這里進(jìn)行一個(gè)選擇，可以選擇最早

46、到達(dá)的應(yīng)答者，也可以選擇接收信號(hào)強(qiáng)度最大的應(yīng)答者。在選擇了應(yīng)答者后，節(jié)點(diǎn)C將立即發(fā)送一個(gè)Type3消息通知哪個(gè)節(jié)點(diǎn)被選擇。此處選擇最早到達(dá)的節(jié)點(diǎn)B作為應(yīng)答者，節(jié)點(diǎn)G將關(guān)閉射頻部分進(jìn)入睡眠，并在一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間后重新進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)。SMACS協(xié)議協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于分配的MAC 如果節(jié)點(diǎn)C已經(jīng)選擇了鄰居，將在消息Type3中攜帶分配信息，該信息包含節(jié)點(diǎn)C的下一個(gè)超幀的起始時(shí)間。在收到該分配消息后，節(jié)點(diǎn)B將和本地的超幀起始時(shí)間進(jìn)行比較，得到一個(gè)時(shí)間偏移，并找出兩個(gè)共同的空閑時(shí)間段作為時(shí)隙對(duì)，分配給節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C之間的鏈路。在確定了時(shí)隙對(duì)后，節(jié)點(diǎn)B選擇一個(gè)隨機(jī)的頻點(diǎn)，

47、將時(shí)隙對(duì)在超幀中的位置信息以及選擇的頻點(diǎn)通過(guò)消息Type4發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C。經(jīng)過(guò)這些測(cè)試信息的成功交換后，節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C之間就完成了時(shí)隙分配和頻率選擇。 在SMACS形成的網(wǎng)絡(luò)中，與超幀同步的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)子網(wǎng)，如圖3.10所示，節(jié)點(diǎn)A、節(jié)點(diǎn)D和節(jié)點(diǎn)B、節(jié)點(diǎn)C分別組成子網(wǎng)。隨著鄰居的增加，子網(wǎng)的規(guī)模會(huì)變大，并且會(huì)和其他子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)建立鏈路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接。兩個(gè)不同子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)在建立通信鏈路時(shí)，如果超幀有重疊的空閑時(shí)段，可以為新鏈路分配時(shí)隙，則可以成功建立鏈路；否則，節(jié)點(diǎn)只能放棄并尋找其他節(jié)點(diǎn)來(lái)建立鏈路。SMACS協(xié)議協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于分配的MAC3）移動(dòng)性管

48、理）移動(dòng)性管理-EAR算法算法EAR算法定義了一種新的信令機(jī)制，主要使用4種消息，建立移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和靜止節(jié)點(diǎn)之間通信鏈路的機(jī)制主要有以下步驟：（1）靜止節(jié)點(diǎn)會(huì)每間隔固定個(gè)超幀發(fā)送一次BI消息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在接收到靜止節(jié)點(diǎn)的BI消息后將開(kāi)始連接過(guò)程。（2）靜止節(jié)點(diǎn)在接收到MI消息后需要檢查連接是否可以建立。（3）連接建立后，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)接收到新的鄰近靜止節(jié)點(diǎn)發(fā)送的BI消息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)信道質(zhì)量選擇淘汰鄰居節(jié)點(diǎn)記錄中連接質(zhì)量較差的鄰居節(jié)點(diǎn)。SMACS協(xié)議協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于分配的MACTRAMA協(xié)議協(xié)議：在NAMA協(xié)議的基礎(chǔ)上引入了睡眠機(jī)制，該協(xié)議的信道分配

49、機(jī)制不僅能夠保證能量效率，而且對(duì)于帶寬利用率、延遲和公平性也有很好的支持。1）基本思想 TRAMA協(xié)議采用了流量自適應(yīng)的分布式選舉算法，節(jié)點(diǎn)交換兩跳內(nèi)的鄰居信息，傳輸分配時(shí)指明在時(shí)間順序上哪些節(jié)點(diǎn)是目的節(jié)點(diǎn)，然后選擇在每個(gè)時(shí)隙上的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)。TRAMA協(xié)議由三個(gè)部分組成，近鄰近鄰協(xié)議（協(xié)議（NP）和分配交換協(xié)議（分配交換協(xié)議（SEP）允許節(jié)點(diǎn)交換兩跳內(nèi)的鄰居信息和分配信息；自適應(yīng)選舉算法（自適應(yīng)選舉算法（AEA）利用鄰居和分配信息選擇當(dāng)前時(shí)隙的發(fā)送者和接收者，讓其他與此次通信無(wú)關(guān)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于分配的MAC TRAMA協(xié)

50、議協(xié)議將一個(gè)物理信道分成多個(gè)時(shí)隙，通過(guò)對(duì)這些時(shí)隙的復(fù)用為數(shù)據(jù)和控制信息提供信道。每個(gè)時(shí)間幀分為隨機(jī)接入和分配接入兩部分無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于分配的MACTRAMA協(xié)議協(xié)議2）關(guān)鍵技術(shù)）關(guān)鍵技術(shù)（1）NP協(xié)議。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)失效或者新節(jié)點(diǎn)加入等現(xiàn)象存在，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓趧?dòng)態(tài)地變化，TRAMA協(xié)議需要適應(yīng)這種變化。（2）分配交換協(xié)議（SEP）。分配交換協(xié)議用于建立和維護(hù)發(fā)送者和接收者選擇時(shí)隙要分配的信息。首先每個(gè)節(jié)點(diǎn)生成分配信息，然后通過(guò)廣播實(shí)現(xiàn)分配信息交換和維護(hù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于分配的MAC 為了提高能量效率，TRAMA盡

51、可能地讓節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，通過(guò)重用已經(jīng)分配但未使用的時(shí)隙來(lái)提高帶寬利用率。在分配接入周期任一給定的時(shí)隙t中，任一節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)是由該節(jié)點(diǎn)的兩跳鄰居信息和該節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居發(fā)布的分配信息來(lái)確定的，有發(fā)送、接收、睡眠三種中的一個(gè)狀態(tài)。TRAMA協(xié)議協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議基于分配的MAC競(jìng)爭(zhēng)型競(jìng)爭(zhēng)型MAC協(xié)議協(xié)議能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的變化，可以更靈活地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，無(wú)須精確的時(shí)鐘同步機(jī)制，較易實(shí)現(xiàn)；但存在能量效率不高的缺點(diǎn)，如沖突重傳、空閑監(jiān)聽(tīng)、串?dāng)_、控制開(kāi)銷(xiāo)引起的能量消耗分配型分配型MAC協(xié)議協(xié)議將信道資源按時(shí)隙、頻段或碼型分為多個(gè)子信道，各個(gè)子信道

52、之間無(wú)沖突，互不干擾。數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中不存在沖突重傳，所以能量效率較高。此外，在分配型MAC（如TDMA）中，節(jié)點(diǎn)只在分配給自己的時(shí)隙中打開(kāi)射頻部分，其他時(shí)隙關(guān)閉射頻部分，可避免冗余接收，進(jìn)一步降低能量損耗。但是分配型MAC協(xié)議通常需要在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)形成簇，不能靈活地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化混合型混合型MAC協(xié)議協(xié)議根據(jù)通信情況自適應(yīng)的采取競(jìng)爭(zhēng)方式或分配方式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議混合型MAC1）基本思想 ZMAC協(xié)議是一種混合型MAC協(xié)議，采用CSMA機(jī)制作為基本方法，在競(jìng)爭(zhēng)加劇時(shí)使用TDMA機(jī)制來(lái)解決信道沖突問(wèn)題。 ZMAC引入了時(shí)間幀的概念，每個(gè)時(shí)間幀又分為若干個(gè)

53、時(shí)隙。 在ZMAC中，網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行一個(gè)時(shí)隙分配的DRAND算法。在時(shí)隙分配完成后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)在時(shí)間幀中擁有一個(gè)時(shí)隙。 分配了時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)成為該時(shí)隙的所有者，所有者在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙中發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)最高。ZMAC協(xié)議協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議混合型MAC2）關(guān)鍵技術(shù) 在網(wǎng)絡(luò)部署階段，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)以后ZMAC協(xié)議將順序執(zhí)行以下步驟：鄰居發(fā)現(xiàn)時(shí)隙分配本地時(shí)間幀交換全局時(shí)間同步。在網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過(guò)程中，除非網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，否則節(jié)點(diǎn)不會(huì)重復(fù)上述步驟，避免浪費(fèi)能量。（1）鄰居發(fā)現(xiàn)和時(shí)隙分配。（2）本地時(shí)間幀交換。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在分配了時(shí)隙后需要定位時(shí)間幀，常規(guī)的方法就是所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都保持同步，并且所有的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間幀都相同，也就是具有同樣的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻。ZMAC協(xié)議協(xié)議無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議混合型MAC3）傳輸控制 在網(wǎng)絡(luò)的初始化階段完成之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都同步到了一個(gè)全局的時(shí)鐘，并且都擁有了自己的時(shí)間幀和時(shí)隙，可以對(duì)外提供服務(wù)。在ZMAC協(xié)