無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 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)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)中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸在計(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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(IOS)(IOS)對(duì)開放系統(tǒng)互聯(lián)對(duì)開放系統(tǒng)互聯(lián)(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

2、，提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程之間的二進(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。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。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 Equipment(Data Terminal Equipment，DTE)DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。提供

3、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。1 1、物理層的基本概念、物理層的基本概念通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(duì)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(hào)。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(hào)電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與

4、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(hào)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(hào)線的功能分配和確切定義。物理接口信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)線的工作規(guī)則和時(shí)序。包括各信號(hào)線的工作規(guī)則和時(shí)序。1 1、物理層的基本概念、物理層的基本概念 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)

5、。 (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(zhǎng)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(zhǎng)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。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)，可以穿過建筑物，

6、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(hào)的，它能向任意方向發(fā)送無線信號(hào)，所以發(fā)方向傳播信號(hào)的，它能向任意方向發(fā)送無線信號(hào)，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(duì)準(zhǔn)。射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對(duì)準(zhǔn)。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(hào)源距離易地通過障礙物，但電波能量隨著與信號(hào)源距離r r的增大而急劇減小，的增大而急劇減小，大致為

7、大致為1/r1/r3 3。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，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(guó)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(guó)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、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) (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

8、信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常信號(hào)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(hào)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(hào)。基帶信號(hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因而要將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相信號(hào)。基帶信號(hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因而要將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)，以便于進(jìn)行信道傳輸。通常對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)，以便于進(jìn)行信道傳輸。通常將帶通信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。將帶通信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。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

9、技術(shù) 調(diào)制對(duì)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)制調(diào)制對(duì)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。根據(jù)調(diào)制中采用的基帶和解調(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(hào)的類型，可以將調(diào)制分為信號(hào)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(hào)對(duì)高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使高頻是用模擬基帶信號(hào)對(duì)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(hào)的變化而變化。載波隨著模擬基帶信號(hào)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(hào)對(duì)高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使

10、高頻是用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)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(hào)的變化而變化。目前通信系統(tǒng)都在由模擬制式向數(shù)載波隨著數(shù)字基帶信號(hào)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)成為了主流的調(diào)制技術(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)。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) (2)(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) 根據(jù)原始信號(hào)所控制參量的不同，調(diào)制分為根據(jù)原始信號(hào)所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制幅度調(diào)制（AMAM）、）、頻頻率調(diào)制率調(diào)制（FMFM）和）和相位調(diào)制相位調(diào)制（PMPM）。）。 當(dāng)數(shù)字調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制矩形全占空脈沖序列時(shí)，由

11、于該序列只存當(dāng)數(shù)字調(diào)制信號(hào)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(hào)，所以上述數(shù)字信號(hào)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱為幅移鍵控信號(hào)，所以上述數(shù)字信號(hào)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱為幅移鍵控控(ASK)(ASK)、頻移鍵控、頻移鍵控(FSK)(FSK)和相移鍵控和相移鍵控(PSK)(PSK)。(2)(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)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) 幅移鍵控幅移鍵控頻移鍵控頻移鍵控 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) (兩個(gè)狀態(tài)兩個(gè)狀態(tài))相移鍵控相移鍵控載波信號(hào)載波信號(hào)

12、(高頻正弦波高頻正弦波)(2)(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)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) 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)在無線通信年代以來，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、頻譜特性更好的數(shù)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(hào)的抗噪聲性能不夠理想，因字調(diào)制方式。由于振幅鍵控信號(hào)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。鍵控。(2)(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)2 2、無線通信物理層的主要技

13、術(shù)、無線通信物理層的主要技術(shù) 擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需輸方式，其信號(hào)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)制的方法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；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)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所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)。傳信息數(shù)據(jù)。(3)(3)擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)2 2、無線通信物理層的主要技術(shù)、無線通信

14、物理層的主要技術(shù) 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：直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻(DSSS)(DSSS)、跳頻跳頻(FHSS)(FHSS)、跳時(shí)跳時(shí)(THSS)(THSS)和和寬帶線寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻性調(diào)頻擴(kuò)頻(SS(SS，簡(jiǎn)稱切普擴(kuò)頻，簡(jiǎn)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

15、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(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾隱蔽性好，對(duì)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(cè)距能精確地定時(shí)和測(cè)距; ; 適合適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù)數(shù)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(jiǎn)便，易于維安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù)。護(hù)。(3)(3)擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)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

16、物理層技術(shù)的特點(diǎn)。包含了上述介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、紅紅外線外線和和光波光波三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇擇“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療”(Industrial(Industrial，Scientific and Scientific and Medical, ISM)Medical, ISM)頻段。頻段。ISMISM頻段的優(yōu)點(diǎn)在于它是自由頻段，無須頻段的優(yōu)點(diǎn)在于它是自由頻段，無須注冊(cè)，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。注冊(cè)，

17、可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。ISMISM頻段的缺點(diǎn)主頻段的缺點(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。題。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)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、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。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(gè)很好的選擇。頻段是一個(gè)很好的選擇。因?yàn)橐驗(yàn)镮SMISM頻段在

18、大多數(shù)國(guó)家屬于無須注冊(cè)的公用頻段。頻段在大多數(shù)國(guó)家屬于無須注冊(cè)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(cè)，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(cè)，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(chǎng)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(chǎng)合得到應(yīng)用。3.1.2 3.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理

19、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) 對(duì)于一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信傳輸介質(zhì)可能有對(duì)于一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)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)，譬如能穿透特別的要求。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(zhǎng)波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用會(huì)遇到信道不可靠和嚴(yán)重干擾等問題。水面的長(zhǎng)波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用會(huì)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)點(diǎn)的天線可能在高度和發(fā)射功率方面比不上周另外，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)點(diǎn)

20、正常完圍的其它無線設(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調(diào)制機(jī)制。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。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)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，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號(hào)的同步。第二個(gè)字段是幀頭，長(zhǎng)度通常為一個(gè)字節(jié)，表示同步片或者符號(hào)的同步。第二個(gè)字段是幀頭，長(zhǎng)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)

21、碼構(gòu)成了同步頭。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(zhǎng)度字段通常由一個(gè)字節(jié)的低幀長(zhǎng)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)載的長(zhǎng)度，因此它的后續(xù)負(fù)載的長(zhǎng)度，因此它的后續(xù)PHYPHY負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)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(zhǎng)度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的負(fù)載長(zhǎng)度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY Service (PHY Service Data Unite, PSDU)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)，PSDUP

22、SDU域是物理層的載荷域是物理層的載荷 。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)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)機(jī)結(jié)構(gòu)和功率編碼調(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、頻移鍵等一系列的技術(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)?？?、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(duì)于節(jié)

23、能具有意義，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(duì)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(duì)誤碼的影響。一般用單個(gè)比特的收發(fā)能但需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對(duì)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(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。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) 在低速無線個(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，定義的物理層是在標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個(gè)載波頻段

24、收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個(gè)頻段都使用三個(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。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)絡(luò)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(jìng)爭(zhēng)者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如繼推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420無線通信芯片。無線通信芯片。3 3、物理層設(shè)計(jì)技術(shù)、物理層設(shè)計(jì)技術(shù)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)

25、計(jì) 總的來看，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，現(xiàn)有的物理層總的來看，針對(duì)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(jiǎn)單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要集中設(shè)計(jì)基本采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要集中在在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波段。波段。3 3、物理層設(shè)計(jì)技術(shù)、物理層設(shè)計(jì)技術(shù)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)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)屬于稀缺資源。在

26、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)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)議就是通過一組規(guī)則和

27、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：3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述 根據(jù)固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式，將傳感器根據(jù)固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)

28、的MACMAC協(xié)議分為以下三種：協(xié)議分為以下三種： (1) (1) 時(shí)分復(fù)用無競(jìng)爭(zhēng)接入方式時(shí)分復(fù)用無競(jìng)爭(zhēng)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。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。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述 (2) (2) 隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式。如果采用無線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。如果采用無線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式，節(jié)

29、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。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問減少節(jié)點(diǎn)間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)CSMA)的的MACMAC協(xié)議。協(xié)議。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述 (3) (3) 競(jìng)爭(zhēng)與固定分配相結(jié)合的接入方式競(jìng)爭(zhēng)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)

30、間無沖突的無線信道分配。的無線信道分配。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述 基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問MACMAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，它的基本協(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(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競(jìng)爭(zhēng)方式使用無線信道，如果發(fā)思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競(jìng)爭(zhēng)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。或放棄發(fā)送。 典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問典型的基于競(jìng)爭(zhēng)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)(C

31、SMA)接接入方式。在無線局域網(wǎng)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)工作模式中，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就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA with Collision (CSMA with Collision AvoidanceAvoidance，CSMA/CACSMA/CA) )協(xié)議，它是基于競(jìng)爭(zhēng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它是基于競(jìng)爭(zhēng)的無線網(wǎng)絡(luò)MACMAC協(xié)議的典型協(xié)議的典型代表。代表。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述 所謂的所謂的CSMA/CACSMA/CA機(jī)制機(jī)制是

32、指在信號(hào)傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽介質(zhì)中是否是指在信號(hào)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)據(jù)傳輸狀態(tài)；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(cè)信道。這種介質(zhì)訪問控若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道。這種介質(zhì)訪問控制層的方案簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程。制層的方案簡(jiǎn)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?cè)O(shè)計(jì)出適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多協(xié)議基礎(chǔ)上，人們?cè)O(shè)計(jì)出適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種種MACMAC協(xié)議。協(xié)議。 下

33、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，然后介紹一種適用于無協(xié)議的內(nèi)容，然后介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型MACMAC協(xié)議。協(xié)議。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議協(xié)議 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協(xié)議分為協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)(DCF)和和點(diǎn)協(xié)點(diǎn)協(xié)調(diào)功能調(diào)功能(PCF)(PCF)兩種訪問控制方式，其中兩種訪問控制方式，其中DCFDCF方式是方式是IEEE

34、IEEE 802.11802.11協(xié)議的基本訪問控制方式。協(xié)議的基本訪問控制方式。 PCF PCF 通過訪問接入點(diǎn)來協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過設(shè)置通過訪問接入點(diǎn)來協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過設(shè)置好的一定間隔時(shí)間查詢當(dāng)前哪些節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送的請(qǐng)求。好的一定間隔時(shí)間查詢當(dāng)前哪些節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送的請(qǐng)求。 PCF PCF 是基于優(yōu)先級(jí)的無競(jìng)爭(zhēng)訪問。是基于優(yōu)先級(jí)的無競(jìng)爭(zhēng)訪問。 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虛擬載波偵聽擬載波偵聽來確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層來確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層提供，虛擬載波偵聽由提供，虛擬載

35、波偵聽由MACMAC層提供。層提供。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議協(xié)議 當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)握手完成后，便開始進(jìn)行當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)握手完成后，便開始進(jìn)行datadata數(shù)據(jù)的發(fā)送。目數(shù)據(jù)的發(fā)送。目的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)的節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)ACKACK應(yīng)答幀。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到應(yīng)答幀。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到ACKACK后，繼續(xù)發(fā)送后，繼續(xù)發(fā)送datadata分組，目的節(jié)點(diǎn)收到后回復(fù)分組，目的節(jié)點(diǎn)收到后回復(fù)ACKACK。直到所有數(shù)據(jù)分。直到所有數(shù)據(jù)分組發(fā)送完畢，源節(jié)點(diǎn)釋放信道占有權(quán)供其他節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)。同理，在組發(fā)送完畢，源節(jié)點(diǎn)

36、釋放信道占有權(quán)供其他節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)。同理，在datadata數(shù)數(shù)據(jù)幀和據(jù)幀和ACKACK應(yīng)答幀里仍然攜帶的數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時(shí)間應(yīng)答幀里仍然攜帶的數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時(shí)間，其他的節(jié)點(diǎn)可根據(jù)，其他的節(jié)點(diǎn)可根據(jù)此此數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸持續(xù)時(shí)間值設(shè)定休眠定時(shí)器，在傳輸結(jié)束后立即醒來監(jiān)聽信值設(shè)定休眠定時(shí)器，在傳輸結(jié)束后立即醒來監(jiān)聽信道，如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送就競(jìng)爭(zhēng)信道。道，如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送就競(jìng)爭(zhēng)信道。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議協(xié)議 源節(jié)點(diǎn)在發(fā)出源節(jié)點(diǎn)在發(fā)出RTSRTS幀幀或或datadata幀后的一段時(shí)間內(nèi)沒有收到幀后的一段時(shí)間內(nèi)沒有收到CTSCTS應(yīng)答，則說明

37、發(fā)送失敗，節(jié)點(diǎn)立即重傳未收到應(yīng)答的應(yīng)答，則說明發(fā)送失敗，節(jié)點(diǎn)立即重傳未收到應(yīng)答的RTSRTS幀或幀或datadata幀幀。 如果如果3 3次發(fā)送仍未收到應(yīng)答，節(jié)點(diǎn)放棄發(fā)送，轉(zhuǎn)入睡眠次發(fā)送仍未收到應(yīng)答，節(jié)點(diǎn)放棄發(fā)送，轉(zhuǎn)入睡眠，在下一個(gè)偵聽周期醒來重新競(jìng)爭(zhēng)信道。，在下一個(gè)偵聽周期醒來重新競(jìng)爭(zhēng)信道。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議協(xié)議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 S-MAC S-MAC協(xié)議協(xié)議(Sensor MAC)(Sensor MAC)是在是在802.1l MAC802.1l MAC協(xié)

38、議的基礎(chǔ)協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的。上，針對(duì)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)傳輸量不大數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的忍一定程度的通信延遲通信延遲。 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。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種原通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原因：因： 空閑監(jiān)聽空閑監(jiān)聽 ：節(jié)點(diǎn)等待接收：節(jié)點(diǎn)等待接

39、收 數(shù)據(jù)沖突數(shù)據(jù)沖突 ：相鄰節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)：相鄰節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù) 串?dāng)_串?dāng)_ ：接收和處理無關(guān)數(shù)據(jù)：接收和處理無關(guān)數(shù)據(jù) 控制開銷控制開銷 ：RTSRTS，CTSCTS，ACKACK3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC協(xié)議協(xié)議 （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-MACS-MAC協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長(zhǎng)度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長(zhǎng)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(shí)間要睡眠階段的持續(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)閉無線根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)

40、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。電波，以節(jié)省能量。 相鄰節(jié)點(diǎn)之間盡量保持各自的監(jiān)聽相鄰節(jié)點(diǎn)之間盡量保持各自的監(jiān)聽/ /睡眠時(shí)間表一致（睡眠時(shí)間表一致（時(shí)時(shí)間同步間同步）。）。 具有相同時(shí)間表的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)具有相同時(shí)間表的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)虛擬簇虛擬簇。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)議通過廣播通過廣播SYNC包保持同步包保持同步某些節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)屬于兩個(gè)或多個(gè)虛擬簇某些節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)屬于兩個(gè)或多個(gè)虛擬簇 （2 2）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制 其基本思想是在一次通信過程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居在通信其基本思想是在一次通信過程中

41、，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)，而是保持偵聽一段時(shí)間。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。 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)據(jù)分組數(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。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)分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。直到下一次調(diào)度偵聽周期。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 （3 3

42、）沖突和串音避免機(jī)制）沖突和串音避免機(jī)制 為了減少?zèng)_突和避免串音，為了減少?zèng)_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)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機(jī)制，以及協(xié)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)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S-MACS-MAC協(xié)協(xié)議的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。議的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。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（4 4）消息傳遞機(jī)制）消息傳遞機(jī)制 由于無線信道的傳

43、輸差錯(cuò)與消息長(zhǎng)度成正比，短消息傳輸由于無線信道的傳輸差錯(cuò)與消息長(zhǎng)度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長(zhǎng)消息。成功的概率要大于長(zhǎng)消息。 將長(zhǎng)消息分為若干個(gè)短消息，采用一次將長(zhǎng)消息分為若干個(gè)短消息，采用一次RTS/CTSRTS/CTS交互的握交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長(zhǎng)消息發(fā)送的時(shí)間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長(zhǎng)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，又可以提高消息發(fā)送的成功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。率。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3.3 3.3 路由協(xié)議路由協(xié)議3.3.1

44、 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(diǎn)向目的節(jié)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)。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：節(jié)點(diǎn)，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)的路由協(xié)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

45、相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：議具有以下特點(diǎn)：（1 1）能量?jī)?yōu)先）能量?jī)?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)3.3.1 3.3.1 路由協(xié)議概述路由協(xié)議概述 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：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：（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3.3.1 3.3.1 路由協(xié)議概述路由協(xié)議概述從各種應(yīng)用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類：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

46、感知路由協(xié)議）能量感知路由協(xié)議l高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個(gè)顯高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個(gè)顯著特征。著特征。l將強(qiáng)調(diào)高效利用能量的一類路由協(xié)議劃歸為能量感知路將強(qiáng)調(diào)高效利用能量的一類路由協(xié)議劃歸為能量感知路由協(xié)議。由協(xié)議。l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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。最少能量消耗和最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。3.3.1 3.3.1 路由協(xié)議概述路由協(xié)議概述（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(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估等應(yīng)用中，需要不斷查詢傳感在諸如環(huán)境檢測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估

47、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)的終端探測(cè)節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心報(bào)告采集的數(shù)命令，傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測(cè)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(cè)的應(yīng)用問題中，通信流量主要是查詢據(jù)。在這類監(jiān)控和檢測(cè)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(cè)節(jié)點(diǎn)之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)和傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)的采集信息通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過減少通信流探測(cè)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。量

48、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。3.3.1 3.3.1 路由協(xié)議概述路由協(xié)議概述（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(diǎn)，以便得到關(guān)于目標(biāo)的更精確位置蹤目標(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(diǎn)的精確或者大致地理位置。把節(jié)點(diǎn)的位置信要知道目的節(jié)點(diǎn)的精確或者大致地理位置。把節(jié)點(diǎn)的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點(diǎn)的路由選擇

49、功能，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，還可以降低系統(tǒng)專門維護(hù)路由協(xié)議的能耗。還可以降低系統(tǒng)專門維護(hù)路由協(xié)議的能耗。3.3.1 3.3.1 路由協(xié)議概述路由協(xié)議概述（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(duì)通信的服務(wù)質(zhì)量有較高要求，可傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些應(yīng)用對(duì)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)行戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，希望傳輸?shù)囊曨l圖像能夠盡可能的流器進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，希望傳輸?shù)囊曨l圖像能夠盡可能的流暢些。但傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線鏈路穩(wěn)定性一般難以保證，通信信暢些

50、。但傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線鏈路穩(wěn)定性一般難以保證，通信信道質(zhì)量比較低，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，要滿足用戶的某些方面的道質(zhì)量比較低，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，要滿足用戶的某些方面的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，需要考慮可靠的路由協(xié)議設(shè)計(jì)技術(shù)。服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)，需要考慮可靠的路由協(xié)議設(shè)計(jì)技術(shù)。3.3.1 3.3.1 路由協(xié)議概述路由協(xié)議概述3.3.2 3.3.2 典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由 定向擴(kuò)散（定向擴(kuò)散（Directed DiffusionDirected Diffusion，DDDD）路由協(xié)議是一種基）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機(jī)制。于查詢的路由機(jī)制。 擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)通過興趣信息發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式傳播擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)通過興趣信息發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式傳播興趣信息到