物理層及信道接入技術(shù)學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1物理層及信道物理層及信道(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù)第一頁，共53頁。2.2.1 1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xinggun)技術(shù)技術(shù)前言前言(qin (qin yn)yn) 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，物理層是數(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，物理層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹讓?，向下直接與傳輸介據(jù)傳輸?shù)淖畹讓樱蛳轮苯优c傳輸介質(zhì)相連質(zhì)相連(xin lin)(xin lin)，物理層協(xié)議是各種，物理層協(xié)議是各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)時(shí)必須遵循的底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)時(shí)必須遵循的底層協(xié)議。協(xié)議。 物理層的設(shè)計(jì)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)物理層的設(shè)計(jì)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能的決定因素。議性能的決定因素。 第1頁/共53頁

2、第二頁，共53頁。2.12.1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xinggun)技術(shù)技術(shù)頻率頻率(pnl)(pnl)分配分配物理層設(shè)計(jì)物理層設(shè)計(jì)(shj)(shj)2.1.12.1.12.1.22.1.2第2頁/共53頁第三頁，共53頁。2.2.1 1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xinggun)技術(shù)技術(shù)頻率頻率(pnl)(pnl)分配分配導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的改變會(huì)產(chǎn)生無導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的改變會(huì)產(chǎn)生無線電波。利用這一現(xiàn)象，通過調(diào)線電波。利用這一現(xiàn)象，通過調(diào)制可以將信息加載到無線電波之制可以將信息加載到無線電波之上。當(dāng)電波通過空間傳播到達(dá)收上。當(dāng)電波通過空間傳播到達(dá)收信端，電波引起的電

3、磁場(chǎng)變化又信端，電波引起的電磁場(chǎng)變化又會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，通過調(diào)制會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，通過調(diào)制將信息從電流變化中提取將信息從電流變化中提取(tq)出來，就達(dá)到信息傳遞的目的。出來，就達(dá)到信息傳遞的目的。2.1.12.1.1無線電波的定義無線電波的定義無線電波是指在自由空間無線電波是指在自由空間全方位傳播的射頻頻段的全方位傳播的射頻頻段的電磁波，可以很容易產(chǎn)生電磁波，可以很容易產(chǎn)生，也可以穿透建筑物體，也可以穿透建筑物體，因此被廣泛應(yīng)用于無線通因此被廣泛應(yīng)用于無線通信中。信中。無線電波無線電波的的原理原理第3頁/共53頁第四頁，共53頁。2.12.1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xin

4、ggun)技術(shù)技術(shù)頻率頻率(pnl)(pnl)分配分配ISMISM（Industrial- Scientific-MedicalIndustrial- Scientific-Medical）頻段是指特別為工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段是指特別為工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)(yxu)(yxu)應(yīng)用而保留的頻率范圍。應(yīng)用而保留的頻率范圍。ISMISM頻段是對(duì)所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，發(fā)射功率要求在頻段是對(duì)所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，發(fā)射功率要求在1W1W以下，無需任何許可證。以下，無需任何許可證。 ISM ISM頻段頻段頻 率說 明13.55315.567MHz26.95727.283MHz40.6640.70MH

5、z433464MHz歐洲標(biāo)準(zhǔn)902928MHz美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)2.42.5GHz全球WPAN/WLAN5.7255.875GHz全球WPAN/WLAN2424.25GHzISMISM波段一些頻率及說明波段一些頻率及說明2.1.12.1.1第4頁/共53頁第五頁，共53頁。2.2.1 1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xinggun)技術(shù)技術(shù)頻率頻率(pnl)(pnl)分配分配2.1.12.1.1頻段頻段(pn dun)(pn dun)的選擇的選擇頻率的選擇頻率的選擇直接決定直接決定無線傳感器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線尺寸、電感的集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線尺寸、電感的集成度以及節(jié)點(diǎn)功耗，對(duì)于無線傳成度以及節(jié)

6、點(diǎn)功耗，對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)感器網(wǎng)絡(luò)來說，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合來決定。用場(chǎng)合來決定。第5頁/共53頁第六頁，共53頁。2.12.1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xinggun)技術(shù)技術(shù)頻率頻率(pnl)(pnl)分配分配物理層設(shè)計(jì)物理層設(shè)計(jì)(shj)(shj)2.1.12.1.12.1.22.1.2第6頁/共53頁第七頁，共53頁。2.12.1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xinggun)技術(shù)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)物理層設(shè)計(jì)(shj)(shj)2.1.22.1.2物理層的設(shè)計(jì)物理層的設(shè)計(jì)(shj)目標(biāo)目標(biāo)以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量以盡可能少的能量消耗獲

7、得較大的鏈路容量物理層需要考慮的問題物理層需要考慮的問題編碼調(diào)制技術(shù)編碼調(diào)制技術(shù)通信速率通信速率通信頻段通信頻段第7頁/共53頁第八頁，共53頁。2.2.1 1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xinggun)技術(shù)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)物理層設(shè)計(jì)(shj)(shj)分 類 窄 帶擴(kuò) 頻UWB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編碼編碼(bin m)調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)1 13 3種編碼調(diào)制技術(shù)性能比較種編碼調(diào)制技術(shù)性能比較常見的編碼調(diào)制技常見的編碼調(diào)制技術(shù)術(shù)窄帶調(diào)制技術(shù)窄帶調(diào)制技術(shù)擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)超

8、寬帶超寬帶UWBUWB調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)2.1.22.1.2第8頁/共53頁第九頁，共53頁。2.12.1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xinggun)技術(shù)技術(shù) 物理層設(shè)計(jì)物理層設(shè)計(jì)(shj)(shj)提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間，對(duì)于節(jié)能發(fā)時(shí)間，對(duì)于節(jié)能(ji nn)(ji nn)有一定有一定的好處，但需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)的好處，但需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對(duì)誤碼的影響。速度對(duì)誤碼的影響。通信速率通信速率2 22.1.22.1.2第9頁/共53頁第十頁，共53頁。2.12.1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xinggun)技術(shù)技術(shù) 物理層設(shè)

9、計(jì)物理層設(shè)計(jì)(shj)(shj)通信頻率通信頻率(pnl)的的選擇選擇3 32.1.22.1.2ISMISM波段是首要的選擇波段是首要的選擇ISMISM波段在高頻和特高頻的波段在高頻和特高頻的頻率范圍上都有分布，但頻率范圍上都有分布，但信號(hào)在不同的頻度上信號(hào)在不同的頻度上傳播傳播特性特性、功率消耗功率消耗以及對(duì)以及對(duì)器件器件性能性能和和天線天線要求卻是有很要求卻是有很大區(qū)別。大區(qū)別。 頻率的選擇是影響無頻率的選擇是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能、線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能、成本的一個(gè)重要參數(shù)成本的一個(gè)重要參數(shù). .第10頁/共53頁第十一頁，共53頁。2.2.1 1物理層相關(guān)物理層相關(guān)(xinggun)(xin

10、ggun)技術(shù)技術(shù) 物理層設(shè)計(jì)物理層設(shè)計(jì)(shj)(shj)2.1.22.1.2從天線長(zhǎng)度從天線長(zhǎng)度(chngd)(chngd)的角度的角度從功耗的角度從功耗的角度從節(jié)點(diǎn)物理層集成化的角度從節(jié)點(diǎn)物理層集成化的角度在在ISM 13.5MHzISM 13.5MHz，如果采用對(duì)偶天線，如果采用對(duì)偶天線，天線長(zhǎng)度為，天線長(zhǎng)度為5.6m5.6m，顯然要求這么長(zhǎng)，顯然要求這么長(zhǎng)的天線很不適合小體積的無線傳感器的天線很不適合小體積的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；對(duì)于ISM 2.4GHzISM 2.4GHz，其采用，其采用對(duì)偶天線，天線長(zhǎng)度為對(duì)偶天線，天線長(zhǎng)度為3.1cm3.1cm，這么高，這么高的頻率就

11、可以將節(jié)點(diǎn)做的很小，也有利于的頻率就可以將節(jié)點(diǎn)做的很小，也有利于天線的天線的MEMSMEMS集成。集成。 在傳輸相同的有效距離時(shí)，載波頻率越在傳輸相同的有效距離時(shí)，載波頻率越高消耗能量越多高消耗能量越多;并且根據(jù)自由空間無線并且根據(jù)自由空間無線傳輸損耗理論可以知道，波長(zhǎng)越短其傳輸傳輸損耗理論可以知道，波長(zhǎng)越短其傳輸損耗越大，也就意味著高頻率需要更大的損耗越大，也就意味著高頻率需要更大的發(fā)射功率來保證一定的傳輸距離。發(fā)射功率來保證一定的傳輸距離。 從節(jié)點(diǎn)的物理層集成化的角度：雖從節(jié)點(diǎn)的物理層集成化的角度：雖然當(dāng)前的然當(dāng)前的CMOSCMOS工藝已經(jīng)成為主流，工藝已經(jīng)成為主流，但是對(duì)大電感的集成化還

12、是一個(gè)非常大但是對(duì)大電感的集成化還是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，隨著深亞微米工藝的進(jìn)展，更的挑戰(zhàn)，隨著深亞微米工藝的進(jìn)展，更高的頻率更易于電感的集成化設(shè)計(jì)，這高的頻率更易于電感的集成化設(shè)計(jì)，這對(duì)于未來節(jié)點(diǎn)的完全對(duì)于未來節(jié)點(diǎn)的完全SOCSOC設(shè)計(jì)是有利設(shè)計(jì)是有利的，所以頻段的選擇是一個(gè)非常慎重的，所以頻段的選擇是一個(gè)非常慎重的問題。的問題。 第11頁/共53頁第十二頁，共53頁。2.2.1 12.2.2 2 信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)2.2.3 32.2.4 4 ZigBee ZigBee標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)第12頁/共53頁第

13、十三頁，共53頁。2.2.2 2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)概述接入技術(shù)概述基于競(jìng)爭(zhēng)基于競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)(jngzhng)的信道接入技的信道接入技術(shù)術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)2.2.12.2.12.2.22.2.22.2.32.2.32.2.42.2.42.2.52.2.5第13頁/共53頁第十四頁，共53頁。2.2.2 2信道信道(xn do)(x

14、n do)接入技術(shù)接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)(jsh)(jsh)概述概述目前，對(duì)大多數(shù)傳感器硬件平臺(tái)而言，無線通信目前，對(duì)大多數(shù)傳感器硬件平臺(tái)而言，無線通信模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)能量的主要消耗者，而模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)能量的主要消耗者，而MACMAC子層直接與物理層連接，所以子層直接與物理層連接，所以MACMAC協(xié)議節(jié)能協(xié)議節(jié)能(ji (ji nn)nn)效率的好壞將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期。效率的好壞將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MACMAC協(xié)議時(shí)，需要著協(xié)議時(shí)，需要著重考慮以下幾個(gè)方面：重考慮以下幾個(gè)方面：能源的有效性能源的有

15、效性可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性可靠性可靠性分布式算法分布式算法性能的綜合測(cè)評(píng)性能的綜合測(cè)評(píng)2.2.12.2.1第14頁/共53頁第十五頁，共53頁。2.2.2 2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)(wnglu)信道接入技術(shù)概述信道接入技術(shù)概述小小結(jié)結(jié)( (xi xi o oji ji) )無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入的研究，其無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入的研究，其關(guān)關(guān)鍵鍵就是設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的就是設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的MACMAC協(xié)議。本書針對(duì)用協(xié)議。本書針對(duì)用戶不同的應(yīng)用需求將傳感器網(wǎng)絡(luò)的戶不同的應(yīng)用需求將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MACMAC協(xié)議協(xié)議分為分為3 3個(gè)個(gè)大類。大類。

16、2.2.12.2.1第15頁/共53頁第十六頁，共53頁。2.2.2 2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)(jsh)(jsh)概述概述1 12.2.12.2.1基于競(jìng)爭(zhēng)的基于競(jìng)爭(zhēng)的MACMAC協(xié)議協(xié)議即節(jié)點(diǎn)即節(jié)點(diǎn)(ji din)(ji din)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用某種機(jī)制隨機(jī)的使用無線信道，這就某種機(jī)制隨機(jī)的使用無線信道，這就要求在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要考慮到如果要求在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要考慮到如果發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，采用何種沖突發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，采用何種沖突避免策略來重發(fā)，直到所有重要的數(shù)避免策略來重發(fā)，直到

17、所有重要的數(shù)據(jù)都能成功發(fā)送出去。據(jù)都能成功發(fā)送出去。第16頁/共53頁第十七頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)概述接入技術(shù)概述2 22.2.12.2.1基于固定分配的基于固定分配的MACMAC協(xié)議協(xié)議即節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間即節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間是按照是按照(nzho)(nzho)協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，這樣以來就避免了沖突，不需行，這樣以來就避免了沖突，不需要擔(dān)心數(shù)據(jù)在信道中發(fā)生碰撞所造要擔(dān)心數(shù)據(jù)在信道中發(fā)生碰撞所造成的丟包問題。目前比較成熟的機(jī)

18、成的丟包問題。目前比較成熟的機(jī)制是時(shí)分復(fù)用（制是時(shí)分復(fù)用（TDMATDMA）。）。 第17頁/共53頁第十八頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)概述接入技術(shù)概述3 32.2.12.2.1基于按需分配基于按需分配(n x fn pi)(n x fn pi)的的MACMAC協(xié)議協(xié)議即根據(jù)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所承擔(dān)數(shù)據(jù)量即根據(jù)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所承擔(dān)數(shù)據(jù)量的大小來決定其占用信道的時(shí)間，的大小來決定其占用信道的時(shí)間，目前主要有點(diǎn)協(xié)調(diào)和無線令牌環(huán)控目前主要有點(diǎn)協(xié)調(diào)和無線令牌環(huán)控制協(xié)議兩種方式。制協(xié)議兩種

19、方式。 第18頁/共53頁第十九頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)(wnglu)信道接入技術(shù)概述信道接入技術(shù)概述基于競(jìng)爭(zhēng)的信道基于競(jìng)爭(zhēng)的信道(xn do)(xn do)接入技接入技術(shù)術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)2.2.12.2.12.2.22.2.22.2.32.2.32.2.42.2.42.2.52.2.5第19頁/共53頁第二十頁，共53頁。2.2.2 2信道信道

20、(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于競(jìng)爭(zhēng)的信道基于競(jìng)爭(zhēng)的信道(xn do)(xn do)接入接入技術(shù)技術(shù)IEEE 802.11 MAC協(xié)議協(xié)議(xiy) 1 1 IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協(xié)議有協(xié)議有 分布式協(xié)調(diào)分布式協(xié)調(diào)（DCFDCF）和和點(diǎn)協(xié)調(diào)點(diǎn)協(xié)調(diào)（PCFPCF）兩種訪問控制方式。兩種訪問控制方式。適用范圍：適用范圍：PCFPCF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，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， PCFPCF是一種基于優(yōu)

21、先級(jí)的無競(jìng)爭(zhēng)訪問，顯然是一種基于優(yōu)先級(jí)的無競(jìng)爭(zhēng)訪問，顯然CSMA/CACSMA/CA協(xié)議不會(huì)采用此種控制方式；協(xié)議不會(huì)采用此種控制方式；DCFDCF是通過是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信道的狀態(tài)，其中物理載波偵聽由物理層提供，而虛擬載波偵聽由來確定無線信道的狀態(tài)，其中物理載波偵聽由物理層提供，而虛擬載波偵聽由MACMAC層提供。層提供。2.2.22.2.2第20頁/共53頁第二十一頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于競(jìng)爭(zhēng)基于競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)(jngzhng)的信道接入技術(shù)的信道接入技術(shù)IEEE 802.

22、11 MAC協(xié)議協(xié)議(xiy) 1 1圖2-1 CSMA/CA中的虛擬載波偵聽2.2.22.2.2第21頁/共53頁第二十二頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù)基于基于(jy)(jy)競(jìng)爭(zhēng)的信道接入技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的信道接入技術(shù)S-MAC協(xié)議協(xié)議(xiy) 2 2S-MACS-MAC協(xié)議采用以下協(xié)議采用以下機(jī)制機(jī)制: : S-MAC S-MAC協(xié)議引入了周期性偵聽協(xié)議引入了周期性偵聽/ /睡眠的低占空比機(jī)制，通過控制節(jié)點(diǎn)的睡眠降低能量消耗。睡眠的低占空比機(jī)制，通過控制節(jié)點(diǎn)的睡眠降低能量消耗。 S-MAC S-MAC協(xié)議沿用協(xié)議沿用IEEE802.11IEEE8

23、02.11的的RTS/CTSRTS/CTS機(jī)制降低碰撞幾率。機(jī)制降低碰撞幾率。 通過網(wǎng)絡(luò)分配矢量避免串音現(xiàn)象。通過網(wǎng)絡(luò)分配矢量避免串音現(xiàn)象。 將長(zhǎng)消息分割為若干段消息并集中突發(fā)傳送，減少協(xié)議控制消息的開銷。將長(zhǎng)消息分割為若干段消息并集中突發(fā)傳送，減少協(xié)議控制消息的開銷。 S-MACS-MAC協(xié)議將時(shí)間分為若干幀，每幀包括同步階段、活動(dòng)階段和睡眠階段。協(xié)議將時(shí)間分為若干幀，每幀包括同步階段、活動(dòng)階段和睡眠階段。2.2.22.2.2第22頁/共53頁第二十三頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù)基于競(jìng)爭(zhēng)的信道基于競(jìng)爭(zhēng)的信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)

24、接入技術(shù)S-MAC協(xié)議協(xié)議(xiy) 2 2圖圖2-2 S-MAC2-2 S-MAC協(xié)議的基本機(jī)制協(xié)議的基本機(jī)制2.2.22.2.2第23頁/共53頁第二十四頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于基于(jy)(jy)競(jìng)爭(zhēng)的信道接入技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的信道接入技術(shù)S-MAC協(xié)議協(xié)議(xiy) 2 2優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) : : 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，減少了空閑監(jiān)聽時(shí)間，避免了傳輸碰撞和串音現(xiàn)象，減少了協(xié)議控制開銷，節(jié)省了能量開銷實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，減少了空閑監(jiān)聽時(shí)間，避免了傳輸碰撞和串音現(xiàn)象，減少了協(xié)議控制開銷，節(jié)省了能量開銷 。缺點(diǎn)：由于周期性睡眠的原因，缺點(diǎn)：由于周期性睡眠的原因，S-MA

25、C協(xié)議數(shù)據(jù)的延遲較大，在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，尤其是負(fù)載波動(dòng)劇烈的情況下算法的效率將降低。協(xié)議數(shù)據(jù)的延遲較大，在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，尤其是負(fù)載波動(dòng)劇烈的情況下算法的效率將降低。2.2.22.2.2第24頁/共53頁第二十五頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于競(jìng)爭(zhēng)的信道基于競(jìng)爭(zhēng)的信道(xn do)(xn do)接入接入技術(shù)技術(shù)S-MAC協(xié)議協(xié)議(xiy) 2 2S-MACS-MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)如下協(xié)議實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)如下 ：（1 1）數(shù)據(jù)包的嵌套結(jié)構(gòu)）數(shù)據(jù)包的嵌套結(jié)構(gòu) （2 2）堆棧結(jié)構(gòu)和功能）堆棧結(jié)構(gòu)和功能（3 3）選擇和維護(hù)調(diào)度表）選擇和維護(hù)調(diào)度

26、表（4 4）時(shí)間同步）時(shí)間同步（5 5）帶沖突避免的載波偵聽多路訪問）帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（6 6）網(wǎng)絡(luò)分配矢量）網(wǎng)絡(luò)分配矢量2.2.22.2.2第25頁/共53頁第二十六頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于競(jìng)爭(zhēng)的信道基于競(jìng)爭(zhēng)的信道(xn do)(xn do)接入接入技術(shù)技術(shù)T-MAC協(xié)議協(xié)議(xiy) 3 3圖2-3 T-MAC協(xié)議的基本機(jī)制2.2.22.2.2第26頁/共53頁第二十七頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于競(jìng)爭(zhēng)基于競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)(jngzhng)的信道接入技的信道接

27、入技術(shù)術(shù)T-MAC協(xié)議協(xié)議(xiy) 3 3圖2-4 T-MAC中基本的數(shù)據(jù)交換2.2.22.2.2第27頁/共53頁第二十八頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于競(jìng)爭(zhēng)基于競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)(jngzhng)的信道接的信道接入技術(shù)入技術(shù)T-MAC協(xié)議協(xié)議(xiy) 3 3T-MAC協(xié)議提出了兩種方法解決早睡問題。第一種稱為未來請(qǐng)求發(fā)送（FRTS）,還有一種解決早睡問題的方法稱作滿緩沖區(qū)優(yōu)先（Full Buffer Priority）。圖2-5 T-MAC中早睡問題的兩種解決方案2.2.22.2.2第28頁/共53頁第二十九頁，共53頁。2.22

28、.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于競(jìng)爭(zhēng)的信道基于競(jìng)爭(zhēng)的信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù)SiftSift協(xié)議協(xié)議(xiy) (xiy) 4 4設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)于檢測(cè)到事件的對(duì)于檢測(cè)到事件的N N個(gè)節(jié)點(diǎn)，使其中個(gè)節(jié)點(diǎn)，使其中R R個(gè)節(jié)個(gè)節(jié)點(diǎn)能在最短的時(shí)間內(nèi)無沖突成功發(fā)送出事點(diǎn)能在最短的時(shí)間內(nèi)無沖突成功發(fā)送出事件監(jiān)測(cè)消息，而抑制剩余件監(jiān)測(cè)消息，而抑制剩余N-RN-R個(gè)節(jié)點(diǎn)的消個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息發(fā)送。息發(fā)送。2.2.22.2.2第29頁/共53頁第三十頁，共53頁。2.2.2 2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于基于(jy)(jy)競(jìng)爭(zhēng)的信道接入

29、技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的信道接入技術(shù)SiftSift協(xié)議協(xié)議(xiy) (xiy) 4 4工作原理SiftSift協(xié)議使用了協(xié)議使用了CWCW（競(jìng)爭(zhēng)窗口長(zhǎng)度）值固定（競(jìng)爭(zhēng)窗口長(zhǎng)度）值固定的窗口，選的窗口，選擇合適的擇合適的發(fā)送概率分布發(fā)送概率分布，為不同的時(shí)隙在整個(gè)競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)集，為不同的時(shí)隙在整個(gè)競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)集中篩選出一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)。中篩選出一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)選擇在第節(jié)點(diǎn)選擇在第r r個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)的概率個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)的概率P Pr r為：為： r=1,CW r=1,CW 2.2.22.2.2第30頁/共53頁第三十一頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于競(jìng)爭(zhēng)基于競(jìng)爭(zhēng)(

30、jngzhng)(jngzhng)的信道接入技術(shù)的信道接入技術(shù)2.2.22.2.2基于競(jìng)爭(zhēng)的基于競(jìng)爭(zhēng)的MACMAC協(xié)議協(xié)議(xiy)(xiy)的顯著優(yōu)點(diǎn)是：的顯著優(yōu)點(diǎn)是：協(xié)議協(xié)議(xiy)(xiy)的簡(jiǎn)明性和可擴(kuò)展性。的簡(jiǎn)明性和可擴(kuò)展性。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：由于沒有像基于預(yù)約的：由于沒有像基于預(yù)約的MACMAC協(xié)議協(xié)議那樣使用某種機(jī)制對(duì)信道利用情況進(jìn)行那樣使用某種機(jī)制對(duì)信道利用情況進(jìn)行均衡，所以均衡，所以公平性公平性就成為它的一個(gè)問題就成為它的一個(gè)問題。第31頁/共53頁第三十二頁，共53頁。2.2.2 2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接

31、入技術(shù)(jsh)(jsh)概述概述基于競(jìng)爭(zhēng)基于競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)(jngzhng)的信道接入技術(shù)的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)2.2.12.2.12.2.22.2.22.2.32.2.32.2.42.2.42.2.52.2.5第32頁/共53頁第三十三頁，共53頁。2.2.2 2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于基于(jy)固定分配的信道接入技術(shù)固定分配的信道接入技術(shù)TDMATDMA技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)CD

32、MACDMA技術(shù)技術(shù)FDMAFDMA技術(shù)技術(shù)SDMASDMA技術(shù)技術(shù)相比隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制，時(shí)分復(fù)用相比隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入機(jī)制，時(shí)分復(fù)用方式的優(yōu)點(diǎn)：更能節(jié)省能量，因?yàn)榉绞降膬?yōu)點(diǎn)：更能節(jié)省能量，因?yàn)槭∪チ烁?jìng)爭(zhēng)機(jī)制的碰撞重傳問題；省去了競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的碰撞重傳問題；缺點(diǎn)：它需要嚴(yán)格的時(shí)間同步，并缺點(diǎn)：它需要嚴(yán)格的時(shí)間同步，并且通常用在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的網(wǎng)絡(luò)，且通常用在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的網(wǎng)絡(luò)，它不能很好地處理傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)它不能很好地處理傳感器節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和節(jié)點(diǎn)失效的情況，因此在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)和節(jié)點(diǎn)失效的情況，因此在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性方面存在嚴(yán)重不足。展性方面存在嚴(yán)重不足。2.2.32.2.3第33頁/共53頁第三十四頁，共53頁。2.2.

33、2 2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于基于(jy)固定分配的信道接入技術(shù)固定分配的信道接入技術(shù)基于TDMA的傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)MAC協(xié)議:2.2.32.2.3（1 1）DEANADEANA協(xié)議協(xié)議（2 2）TRAMATRAMA協(xié)議協(xié)議（3 3）DMACDMAC協(xié)議協(xié)議第34頁/共53頁第三十五頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于固定分配基于固定分配(fnpi)的信道接入技術(shù)的信道接入技術(shù) CDMA CDMA技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)圖圖2-9 2-9 向一個(gè)睡眠節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的信號(hào)時(shí)序過程向一個(gè)睡眠節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的信

34、號(hào)時(shí)序過程2.2.32.2.3第35頁/共53頁第三十六頁，共53頁。2.2.2 2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于固定基于固定(gdng)分配的信道接入技術(shù)分配的信道接入技術(shù) FDMA FDMA技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)為了充分利用信道的帶寬，從而提出了信道的頻分復(fù)用的概念。頻分復(fù)用系統(tǒng)的為了充分利用信道的帶寬，從而提出了信道的頻分復(fù)用的概念。頻分復(fù)用系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)最大優(yōu)點(diǎn)是信道復(fù)用率高，容許復(fù)用的路數(shù)多，分路也很方便。是信道復(fù)用率高，容許復(fù)用的路數(shù)多，分路也很方便。 頻分復(fù)用系統(tǒng)的頻分復(fù)用系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn)是設(shè)備生產(chǎn)比較復(fù)雜，會(huì)因?yàn)V波器件特性不夠理想和信道內(nèi)

35、存在非線性而產(chǎn)生路間干擾。是設(shè)備生產(chǎn)比較復(fù)雜，會(huì)因?yàn)V波器件特性不夠理想和信道內(nèi)存在非線性而產(chǎn)生路間干擾。2.2.32.2.3第36頁/共53頁第三十七頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 基于基于(jy)固定分配的信道接入技術(shù)固定分配的信道接入技術(shù) SDMA SDMA技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)SDMASDMA是一種信道增容的方式，可以實(shí)現(xiàn)頻率的是一種信道增容的方式，可以實(shí)現(xiàn)頻率的重復(fù)使用，充分利用頻率資源?？辗侄嘀愤€可以重復(fù)使用，充分利用頻率資源。空分多址還可以和其他多址方式相互兼容，從而實(shí)現(xiàn)組合的多址和其他多址方式相互兼容，從而實(shí)現(xiàn)組合的多址技術(shù)。

36、技術(shù)。在由中國(guó)提出的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)在由中國(guó)提出的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)TD-TD-SCDMASCDMA中就應(yīng)用了中就應(yīng)用了SDMASDMA技術(shù)；此外在衛(wèi)星通信技術(shù)；此外在衛(wèi)星通信中也有人提出應(yīng)用中也有人提出應(yīng)用SDMASDMA。2.2.32.2.3第37頁/共53頁第三十八頁，共53頁。2.2.2 2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)(wnglu)信道接入技術(shù)概述信道接入技術(shù)概述基于競(jìng)爭(zhēng)基于競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)(jngzhng)的信道接入技術(shù)的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)按需

37、分配的信道接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)2.2.12.2.12.2.22.2.22.2.32.2.32.2.42.2.42.2.52.2.5第38頁/共53頁第三十九頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) 按需分配的信道按需分配的信道(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù)1 1PCFPCF方式方式(fngsh)(fngsh)2 2WTRPWTRP方式方式圖圖2-10 IEEE 802.11 MAC2-10 IEEE 802.11 MAC層協(xié)議結(jié)構(gòu)層協(xié)議結(jié)構(gòu)2.2.42.2.4第39頁/共53頁第四十頁，共53頁

38、。2.2.2 2信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wnglu)(wnglu)信道接入技術(shù)概信道接入技術(shù)概述述基于競(jìng)爭(zhēng)基于競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)(jngzhng)的信道接的信道接入技術(shù)入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)2.2.12.2.12.2.22.2.22.2.32.2.32.2.42.2.42.2.52.2.5第40頁/共53頁第四十一頁，共53頁。2.22.2信道信道(xn do)(xn do)接入技

39、術(shù)接入技術(shù) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道(xn do)接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn) 能量有效性和網(wǎng)絡(luò)性能能量有效性和網(wǎng)絡(luò)性能(xngnng)(xngnng)有效性的平衡有效性的平衡 優(yōu)化的跨層設(shè)計(jì)優(yōu)化的跨層設(shè)計(jì) 提供提供QoSQoS（Quality of ServiceQuality of Service）支持）支持 安全性安全性 實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性2.2.52.2.5第41頁/共53頁第四十二頁，共53頁。2.2.1 12.2.2 2 信道信道(xn do)(xn do)接入技術(shù)接入技術(shù) IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)2.2.3 32.42.4 ZigBee ZigBee標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)第42頁/共53頁第四十三頁，共53頁。2.2.3 3IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)(biozhn)IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)(biozhn)體體系結(jié)構(gòu)系結(jié)構(gòu)物理層幀結(jié)構(gòu)物理層幀結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)物理層幀