無線傳感器網(wǎng)絡簡明教程第三章課件

第3章傳感器網(wǎng)絡的通信與組網(wǎng)技術(shù)第3章傳感器網(wǎng)絡的通信與組網(wǎng)技術(shù)

做到目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這一目標前進了很多，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細微就勉為其難了。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)絡技術(shù)應用的美好展望，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)絡通信技術(shù)。

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)絡的關(guān)鍵技術(shù)之一。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)3.1物理層3.1.1物理層概述1、物理層的基本概念在計算機網(wǎng)絡中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國際標準化組織(InternationalOrganizationforStandardization,IOS)對開放系統(tǒng)互聯(lián)(OpenSystemInterconnection，OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護和釋放數(shù)據(jù)鏈路實體之間的二進制比特傳輸?shù)奈锢磉B接，提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。從定義可以看出，物理層的特點是負責在物理連接上傳輸二進制比特流，并提供為建立、維護和釋放物理連接所需要的機械、電氣、功能和規(guī)程的特性。3.1物理層3.1.1物理層概述1、物理層的基本概念物理層的主要功能如下：①為數(shù)據(jù)終端設備(DataTerminalEquipment，DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。②傳輸數(shù)據(jù)。③其他管理工作。物理層的主要功能如下：①為數(shù)據(jù)終端設備(DataTe通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述：①機械特性。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)量和排列情況等。②電氣特性。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進制比特流時，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。③功能特性。它規(guī)定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。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。④規(guī)程特性。它定義了信號線進行二進制比特流傳輸線的一組操作過程，包括各信號線的工作規(guī)則和時序。通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述：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)包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴頻技術(shù)。(1)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介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)波長的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無線電波在無線網(wǎng)絡中使用最廣泛。2、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，可以穿過建筑物，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。無線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠，可以穿過建筑物，因而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r的增大而急劇減小，大致為1/r3。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)動機和其它電子設備的干擾。另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，用戶之間的相互串擾也是需要關(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。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(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常信號源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘?，因而要將基帶信號轉(zhuǎn)換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進行信道傳輸。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。(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調(diào)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。根據(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)制和數(shù)字調(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行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。

數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著數(shù)字基帶信號的變化而變化。目前通信系統(tǒng)都在由模擬制式向數(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)。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（AmplitudeModulation,AM）、頻率調(diào)制（FrequencyModulation,FM）和相位調(diào)制（PhaseModulation,PM）。當數(shù)字調(diào)制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時，由于該序列只存在“有電”和“無電”兩種狀態(tài)，因而可以采用電鍵控制，被稱為鍵控信號，所以上述數(shù)字信號的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱為幅移鍵控(AmplitudeShiftKeying,ASK)、頻移鍵控(FrequencyShiftKeying,FSK)和相移鍵控(PhaseShiftKeying,PSK)。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（Am20世紀80年代以來，人們十分重視調(diào)制技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜特性更好的數(shù)字調(diào)制方式。由于振幅鍵控信號的抗噪聲性能不夠理想，因而目前在無線通信中廣泛應用的調(diào)制方法是頻率鍵控和相位鍵控。20世紀80年代以來，人們十分重視調(diào)制技術(shù)在無線通信(3)擴頻技術(shù)擴頻又稱為擴展頻譜，它的定義如下：擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴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)；在接收端用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴和恢復所傳信息數(shù)據(jù)。(3)擴頻技術(shù)擴頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴頻(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)、跳頻(FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSS)、跳時(TimeHoppingSpreadSpectrum,THSS)和寬帶線性調(diào)頻擴頻(chirpSpreadSpectrum,chirp-SS，簡稱切普擴頻)。擴頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接擴頻通信與一般無線通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴頻調(diào)制，而在接收端增加了擴頻解調(diào)。擴頻技術(shù)的優(yōu)點包括：易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用率;抗干擾性強，誤碼率低;隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小;可以實現(xiàn)碼分多址;抗多徑干擾;能精確地定時和測距;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;安裝簡便，易于維護。擴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3、無線傳感器網(wǎng)絡物理層的特點

無線傳感器網(wǎng)絡作為無線通信網(wǎng)絡中的一種類型，因此它包含了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點。目前無線傳感器網(wǎng)絡的通信傳輸介質(zhì)主要是無線電波、紅外線和光波三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科學和醫(yī)療”(Industrial，ScientificandMedical,ISM)頻段。ISM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，實現(xiàn)起來靈活方便。ISM頻段的缺點主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應用存在相互干擾問題。3、無線傳感器網(wǎng)絡物理層的特點盡管傳感器網(wǎng)絡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，但無線電波是當前傳感器網(wǎng)絡的主流通信方式，在很多領域得到了廣泛應用。盡管傳感器網(wǎng)絡可以通過其它方式實現(xiàn)通信，譬如各種電磁3.1.2傳感器網(wǎng)絡物理層的設計1、傳輸介質(zhì)目前無線傳感器網(wǎng)絡采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電、紅外線和光波等。在無線電頻率選擇方面，ISM頻段是一個很好的選擇。因為ISM頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。3.1.2傳感器網(wǎng)絡物理層的設計1、傳輸介質(zhì)目前無

無線傳感器網(wǎng)絡節(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，并且抗干擾能力強。紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導致了紅外難以成為無線傳感器網(wǎng)絡的主流傳輸介質(zhì)，而只能在一些特殊場合得到應用。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)。紅外對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網(wǎng)絡對通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。例如，艦船應用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水面的長波。復雜地形和戰(zhàn)場應用會遇到信道不可靠和嚴重干擾等問題。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備，為了保證這些低發(fā)射功率的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點正常完成通信任務，要求所選擇的傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和調(diào)制機制。對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網(wǎng)絡對通信傳輸介質(zhì)2、物理層幀結(jié)構(gòu)物理幀的第一個字段是前導碼，字節(jié)數(shù)一般取4，用于收發(fā)器進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。幀頭與前導碼構(gòu)成了同步頭。幀長度字段通常由一個字節(jié)的低7位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHY負載的長度，因此它的后續(xù)PHY負載的長度不會超過127個字節(jié)。物理幀PHY的負載長度可變，稱為物理服務數(shù)據(jù)單元(PHYServiceDataUnite,PSDU)，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDU域是物理層的載荷

。2、物理層幀結(jié)構(gòu)物理幀的第一個字段是前導碼，字節(jié)數(shù)一3、物理層設計技術(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等問題：①編碼調(diào)制技術(shù)影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機結(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、相移鍵控和各種擴頻技術(shù)。②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)傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。3、物理層設計技術(shù)物理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率在低速無線個域網(wǎng)(LR-PAN)的802.15.4標準中，定義的物理層是在868MHz、915MHz、2.4GHz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頻方式。IEEE802.15.4標準非常適合無線傳感器網(wǎng)絡的特點，是傳感器網(wǎng)絡物理層協(xié)議標準的最有力競爭者之一。目前基于該標準的射頻芯片也相繼推出，例如Chipcon公司的CC2420無線通信芯片。在低速無線個域網(wǎng)(LR-PAN)的802.15.4標準總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡的特點，現(xiàn)有的物理層設計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要集中在433～464MHz、902～928MHz和2.4～2.5GHz的ISM波段?？偟膩砜?，針對無線傳感器網(wǎng)絡的特點，現(xiàn)有的物理層設計基3.2MAC協(xié)議3.2.1MAC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。在無線傳感器網(wǎng)絡中，可能有多個節(jié)點設備同時接入信道，導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，導致網(wǎng)絡吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設計介質(zhì)訪問控制(MediumAccessControl，MAC)協(xié)議。所謂MAC協(xié)議就是通過一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。3.2MAC協(xié)議3.2.1MAC協(xié)議概述無線頻譜(1)采用分布式控制還是集中控制；(2)使用單一共享信道還是多個信道；(3)采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。目前無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議可以按照下列條件進行分類：(1)采用分布式控制還是集中控制；目前無線傳感器網(wǎng)絡MAC本書根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議分為以下三種：

(1)時分復用無競爭接入方式。無線信道時分復用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)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。本書根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議分為以(2)隨機競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機競爭接入方式，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機使用無線信道，盡量減少節(jié)點間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)的MAC協(xié)議。(2)隨機競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機競爭(3)競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過混合采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突的無線信道分配。(3)競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過混合采用基于競爭的隨機訪問MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是當節(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訪問MAC協(xié)議是載波偵聽多路訪問(CSMA)接入方式。在無線局域網(wǎng)IEEE802.11MAC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(CSMAwithCollisionAvoidance，CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡MAC協(xié)議的典型代表?；诟偁幍碾S機訪問MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，它所謂的CSMA/CA機制是指在信號傳輸之前，發(fā)射機先偵聽介質(zhì)中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機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)絡應用的過程。在IEEE802.11MAC協(xié)議基礎上，人們設計出適用于傳感器網(wǎng)絡的多種MAC協(xié)議。下面首先介紹IEEE802.1lMAC協(xié)議的內(nèi)容，然后介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的典型MAC協(xié)議。所謂的CSMA/CA機制是指在信號傳輸之前，發(fā)射機先3.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能(DistributedCoordinationFunction,DCF)和點協(xié)調(diào)功能(PointCoordinationFunction，PCF)兩種訪問控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11協(xié)議的基本訪問控制方式。3.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議在DCF工作方式下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽和虛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提供，虛擬載波偵聽由MAC層提供。在DCF工作方式下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽和虛擬IEEE802.11MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔(InterFrameSpace，IFS)，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級：

（1）SIFS(shortIFS)：最短幀間間隔。

（2）PIFS(PCFIFS)：PCF方式下節(jié)點使用的幀間間隔。（3）DIFS(DCFIFS)：DCF方式下節(jié)點使用的幀間問隔。IEEE802.11MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間根據(jù)CSMA/CA協(xié)議，當節(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)過一個幀間間隔時間DIFS后，信道仍然空閑，則站點立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點始終偵聽信道，直到信道的空閑時間超過DIFS。當信道最終空閑下來的時候，節(jié)點進一步使用二進制退避算法，進入退避狀態(tài)來避免發(fā)生碰撞。根據(jù)CSMA/CA協(xié)議，當節(jié)點要傳輸一個分組時，它首先隨機退避時間按下面公式進行計算：

退避時間=Random()×aSlottime

其中，Random()是在競爭窗口[0，CW]內(nèi)均勻分布的偽隨機整數(shù)；CW是整數(shù)隨機數(shù)，它的數(shù)值位于標準規(guī)定的aCWmin和aCWmax之間；aSlottime是一個時槽時間，包括發(fā)射啟動時間、介質(zhì)傳播時延、檢測信道的響應時間等。隨機退避時間按下面公式進行計算：網(wǎng)絡節(jié)點在進入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計時器，當計時達到退避時間后結(jié)束退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當檢測到信道空閑時才進行計時。如果信道忙，退避計時器中止計時，直到檢測到信道空閑時間大于DIFS后才繼續(xù)計時。當多個節(jié)點推遲且進入隨機退避時，利用隨機函數(shù)選擇最小退避時間的節(jié)點作為競爭優(yōu)勝者。網(wǎng)絡節(jié)點在進入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計時器，當計時達802.11MAC協(xié)議通過立即主動確認機制和預留機制業(yè)提高性能。在主動確認機制中，當目標節(jié)點收到一個發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀(DATA)時，必須向源節(jié)點發(fā)送一個應答幀(ACK)，確認數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標節(jié)點在發(fā)送ACK過程中不與其它節(jié)點發(fā)生沖突，目標節(jié)點使用SIFS幀間隔。主動確認機制只能用于有明確目標地址的幀，不能用于組播和廣播報文傳輸。802.11MAC協(xié)議通過立即主動確認機制和預留機制3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議這里介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的比較典型的MAC協(xié)議，即S-MAC協(xié)議(SensorMAC)。這種協(xié)議是在802.1lMAC協(xié)議的基礎上，針對傳感器網(wǎng)絡的節(jié)省能量需求而提出的。S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡內(nèi)部能夠進行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡能容忍一定程度的通信延遲。它的設計目標是提供良好的擴展性，減少節(jié)點能耗。3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議這里介紹通常無線傳感器網(wǎng)絡的無效能耗主要來源于如下四種原因：①空閑監(jiān)聽②數(shù)據(jù)沖突③串擾④控制開銷通常無線傳感器網(wǎng)絡的無效能耗主要來源于如下四種原因：（1）周期性偵聽和睡眠機制

S-MAC協(xié)議將時間分為幀，幀長度由應用程序決定。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)應用情況進行調(diào)整。當節(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。當然節(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。（1）周期性偵聽和睡眠機制具有相同調(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)絡的部署范圍較廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得S-MAC協(xié)議具有良好的可擴展性。為了適應新加入節(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)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，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。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（2）流量自適應偵聽機制流量自適應偵聽機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)束后不立即進入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時間。如果節(jié)點在這段時間內(nèi)接收到RTS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)分組的傳輸延遲。如果在這段時間內(nèi)沒有接收到RTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。（2）流量自適應偵聽機制（3）沖突和串音避免機制

為了減少沖突和避免串音，S-MAC協(xié)議采用了與802.11MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機制，以及RTS/CTS握手交互機制。兩者的區(qū)別在于當鄰居節(jié)點處于通信過程時，執(zhí)行S-MAC協(xié)議的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。（3）沖突和串音避免機制（4）消息傳遞機制

S-MAC協(xié)議采用了消息傳遞機制，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。消息傳遞機制根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手機制預約這個長消息發(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。（4）消息傳遞機制S-MAC與IEEE802.11MAC協(xié)議的突發(fā)分組傳送S-MAC與IEEE802.11MAC協(xié)議的突發(fā)分組傳送3.3路由協(xié)議3.3.1路由協(xié)議概述

路由選擇(routing)是指選擇互連網(wǎng)絡從源節(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中間節(jié)點。路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它包括兩個功能：

①尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑；

②將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。3.3路由協(xié)議3.3.1路由協(xié)議概述路由選擇(與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議具有以下特點：（1）能量優(yōu)先（2）基于局部拓撲信息（3）以數(shù)據(jù)為中心（4）應用相關(guān)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議具在根據(jù)具體應用設計路由協(xié)議時，必須滿足如下要求：（1）能量高效（2）可擴展性（3）穩(wěn)健性（4）快速收斂性在根據(jù)具體應用設計路由協(xié)議時，必須滿足如下要求：（1）我們從各種應用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類：（1）能量感知路由協(xié)議高效利用網(wǎng)絡能量是傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議的一個顯著特征。為了強調(diào)高效利用能量的重要性，這里將它們劃分為能量感知路由協(xié)議。能量感知的路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，討論最少能量消耗和最長網(wǎng)絡生存期等問題。我們從各種應用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類：（1）能量感知（2）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）發(fā)出任務查詢命令，傳感器網(wǎng)絡的終端探測節(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)議的設計相結(jié)合。（2）基于查詢的路由協(xié)議在諸如環(huán)境檢測、戰(zhàn)場評估等應用（3）地理位置路由協(xié)議在諸如目標跟蹤的應用問題中，往往需要喚醒距離被跟蹤目標最近的傳感器節(jié)點，以便得到關(guān)于目標的更精確位置等相關(guān)信息。在這類與坐標位置有關(guān)的應用問題中，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擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點的路由選擇功能，還可以降低系統(tǒng)專門維護路由協(xié)議的能耗。（3）地理位置路由協(xié)議在諸如目標跟蹤的應用問題中，往（4）可靠的路由協(xié)議傳感器網(wǎng)絡的某些應用對通信的服務質(zhì)量有較高要求，可能在可靠性和實時性等方面有特別要求。例如，采用視頻傳感器進行戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測時，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)絡拓撲變化頻繁，要滿足用戶的某些方面的服務質(zhì)量指標，需要考慮可靠的路由協(xié)議設計技術(shù)。（4）可靠的路由協(xié)議傳感器網(wǎng)絡的某些應用對通信的服務3.3.2典型路由協(xié)議：定向擴散路由定向擴散（DirectedDiffusion，DD）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機制。擴散節(jié)點通過興趣信息發(fā)出查詢?nèi)蝿?，采用洪泛方式傳播興趣信息到整個區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點。興趣信息用來表示查詢的任務，表達了網(wǎng)絡用戶對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感興趣的具體內(nèi)容，例如監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和光照等數(shù)據(jù)。在興趣信息的傳播過程中，協(xié)議將逐跳地在每個傳感器節(jié)點上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸梯度，傳感器探測節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方向傳送給匯聚節(jié)點。3.3.2典型路由協(xié)議：定向擴散路由定向擴散（Di定向擴散路由機制可以分為周期性的興趣擴散、梯度建立和路徑加強三個階段:

定向擴散路由機制可以分為周期性的興趣擴散、梯度建立和路（1）興趣擴散階段在路由協(xié)議的興趣擴散階段，匯聚節(jié)點周期性地向鄰居節(jié)點廣播興趣消息。興趣消息中含有任務類型、目標區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時間戳等參數(shù)。每個節(jié)點在本地保存一個興趣列表，對于每一個興趣內(nèi)容，列表中都有一個表項記錄發(fā)來該興趣消息的鄰居節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時間戳等任務相關(guān)信息，以建立該節(jié)點向匯聚節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。每個興趣可能對應多個鄰居節(jié)點，每個鄰居節(jié)點對應一個梯度信息。（1）興趣擴散階段在路由協(xié)議的興趣擴散階段，匯聚節(jié)點（2）數(shù)據(jù)傳播階段當傳感器探測節(jié)點采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的鄰居節(jié)點，并按照梯度上的數(shù)據(jù)傳輸速率，設定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率。由于可能從多個鄰居節(jié)點收到興趣消息，節(jié)點向多個鄰居發(fā)送數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點可能收到經(jīng)過多個路徑的相同數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)傳播階段當傳感器探測節(jié)點采集到與興趣匹配的（3）路徑加強階段定向擴散路由機制通過正向加強機制來建立優(yōu)化路徑，并根據(jù)網(wǎng)絡拓撲的變化來修改數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的梯度關(guān)系。興趣擴散階段是為了建立源節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸路徑，數(shù)據(jù)源節(jié)點以較低速率來采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，我們稱這個階段建立的梯度為探測梯度。（3）路徑加強階段定向擴散路由機制通過正向加強機制來定向擴散路由在路由建立時需要一個興趣擴散的洪泛傳播，在能量和時間方面開銷較大，尤其是當?shù)讓覯AC協(xié)議采用休眠機制時，有時可能造成興趣建立的不一致，因而在網(wǎng)絡設計時需要注意避免這些問題。定向擴散路由在路由建立時需要一個興趣擴散的洪泛傳播，第3章傳感器網(wǎng)絡的通信與組網(wǎng)技術(shù)第3章傳感器網(wǎng)絡的通信與組網(wǎng)技術(shù)

做到目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這一目標前進了很多，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細微就勉為其難了。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)絡技術(shù)應用的美好展望，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)絡通信技術(shù)。

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)絡的關(guān)鍵技術(shù)之一。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)3.1物理層3.1.1物理層概述1、物理層的基本概念在計算機網(wǎng)絡中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國際標準化組織(InternationalOrganizationforStandardization,IOS)對開放系統(tǒng)互聯(lián)(OpenSystemInterconnection，OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護和釋放數(shù)據(jù)鏈路實體之間的二進制比特傳輸?shù)奈锢磉B接，提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。從定義可以看出，物理層的特點是負責在物理連接上傳輸二進制比特流，并提供為建立、維護和釋放物理連接所需要的機械、電氣、功能和規(guī)程的特性。3.1物理層3.1.1物理層概述1、物理層的基本概念物理層的主要功能如下：①為數(shù)據(jù)終端設備(DataTerminalEquipment，DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。②傳輸數(shù)據(jù)。③其他管理工作。物理層的主要功能如下：①為數(shù)據(jù)終端設備(DataTe通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述：①機械特性。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)量和排列情況等。②電氣特性。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進制比特流時，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。③功能特性。它規(guī)定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。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。④規(guī)程特性。它定義了信號線進行二進制比特流傳輸線的一組操作過程，包括各信號線的工作規(guī)則和時序。通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述：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)包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴頻技術(shù)。(1)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介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)波長的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無線電波在無線網(wǎng)絡中使用最廣泛。2、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，可以穿過建筑物，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。無線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠，可以穿過建筑物，因而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r的增大而急劇減小，大致為1/r3。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)動機和其它電子設備的干擾。另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，用戶之間的相互串擾也是需要關(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。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(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常信號源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘?，因而要將基帶信號轉(zhuǎn)換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進行信道傳輸。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。(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調(diào)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。根據(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)制和數(shù)字調(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行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。

數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著數(shù)字基帶信號的變化而變化。目前通信系統(tǒng)都在由模擬制式向數(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)。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（AmplitudeModulation,AM）、頻率調(diào)制（FrequencyModulation,FM）和相位調(diào)制（PhaseModulation,PM）。當數(shù)字調(diào)制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時，由于該序列只存在“有電”和“無電”兩種狀態(tài)，因而可以采用電鍵控制，被稱為鍵控信號，所以上述數(shù)字信號的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱為幅移鍵控(AmplitudeShiftKeying,ASK)、頻移鍵控(FrequencyShiftKeying,FSK)和相移鍵控(PhaseShiftKeying,PSK)。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（Am20世紀80年代以來，人們十分重視調(diào)制技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜特性更好的數(shù)字調(diào)制方式。由于振幅鍵控信號的抗噪聲性能不夠理想，因而目前在無線通信中廣泛應用的調(diào)制方法是頻率鍵控和相位鍵控。20世紀80年代以來，人們十分重視調(diào)制技術(shù)在無線通信(3)擴頻技術(shù)擴頻又稱為擴展頻譜，它的定義如下：擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴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)；在接收端用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴和恢復所傳信息數(shù)據(jù)。(3)擴頻技術(shù)擴頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴頻(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)、跳頻(FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSS)、跳時(TimeHoppingSpreadSpectrum,THSS)和寬帶線性調(diào)頻擴頻(chirpSpreadSpectrum,chirp-SS，簡稱切普擴頻)。擴頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接擴頻通信與一般無線通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴頻調(diào)制，而在接收端增加了擴頻解調(diào)。擴頻技術(shù)的優(yōu)點包括：易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用率;抗干擾性強，誤碼率低;隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小;可以實現(xiàn)碼分多址;抗多徑干擾;能精確地定時和測距;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;安裝簡便，易于維護。擴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3、無線傳感器網(wǎng)絡物理層的特點

無線傳感器網(wǎng)絡作為無線通信網(wǎng)絡中的一種類型，因此它包含了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點。目前無線傳感器網(wǎng)絡的通信傳輸介質(zhì)主要是無線電波、紅外線和光波三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科學和醫(yī)療”(Industrial，ScientificandMedical,ISM)頻段。ISM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，實現(xiàn)起來靈活方便。ISM頻段的缺點主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應用存在相互干擾問題。3、無線傳感器網(wǎng)絡物理層的特點盡管傳感器網(wǎng)絡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，但無線電波是當前傳感器網(wǎng)絡的主流通信方式，在很多領域得到了廣泛應用。盡管傳感器網(wǎng)絡可以通過其它方式實現(xiàn)通信，譬如各種電磁3.1.2傳感器網(wǎng)絡物理層的設計1、傳輸介質(zhì)目前無線傳感器網(wǎng)絡采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電、紅外線和光波等。在無線電頻率選擇方面，ISM頻段是一個很好的選擇。因為ISM頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。3.1.2傳感器網(wǎng)絡物理層的設計1、傳輸介質(zhì)目前無

無線傳感器網(wǎng)絡節(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，并且抗干擾能力強。紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導致了紅外難以成為無線傳感器網(wǎng)絡的主流傳輸介質(zhì)，而只能在一些特殊場合得到應用。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)。紅外對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網(wǎng)絡對通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。例如，艦船應用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水面的長波。復雜地形和戰(zhàn)場應用會遇到信道不可靠和嚴重干擾等問題。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備，為了保證這些低發(fā)射功率的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點正常完成通信任務，要求所選擇的傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和調(diào)制機制。對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網(wǎng)絡對通信傳輸介質(zhì)2、物理層幀結(jié)構(gòu)物理幀的第一個字段是前導碼，字節(jié)數(shù)一般取4，用于收發(fā)器進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。幀頭與前導碼構(gòu)成了同步頭。幀長度字段通常由一個字節(jié)的低7位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHY負載的長度，因此它的后續(xù)PHY負載的長度不會超過127個字節(jié)。物理幀PHY的負載長度可變，稱為物理服務數(shù)據(jù)單元(PHYServiceDataUnite,PSDU)，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDU域是物理層的載荷

。2、物理層幀結(jié)構(gòu)物理幀的第一個字段是前導碼，字節(jié)數(shù)一3、物理層設計技術(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等問題：①編碼調(diào)制技術(shù)影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機結(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、相移鍵控和各種擴頻技術(shù)。②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)傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。3、物理層設計技術(shù)物理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率在低速無線個域網(wǎng)(LR-PAN)的802.15.4標準中，定義的物理層是在868MHz、915MHz、2.4GHz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頻方式。IEEE802.15.4標準非常適合無線傳感器網(wǎng)絡的特點，是傳感器網(wǎng)絡物理層協(xié)議標準的最有力競爭者之一。目前基于該標準的射頻芯片也相繼推出，例如Chipcon公司的CC2420無線通信芯片。在低速無線個域網(wǎng)(LR-PAN)的802.15.4標準總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡的特點，現(xiàn)有的物理層設計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要集中在433～464MHz、902～928MHz和2.4～2.5GHz的ISM波段。總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡的特點，現(xiàn)有的物理層設計基3.2MAC協(xié)議3.2.1MAC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。在無線傳感器網(wǎng)絡中，可能有多個節(jié)點設備同時接入信道，導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，導致網(wǎng)絡吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設計介質(zhì)訪問控制(MediumAccessControl，MAC)協(xié)議。所謂MAC協(xié)議就是通過一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。3.2MAC協(xié)議3.2.1MAC協(xié)議概述無線頻譜(1)采用分布式控制還是集中控制；(2)使用單一共享信道還是多個信道；(3)采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。目前無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議可以按照下列條件進行分類：(1)采用分布式控制還是集中控制；目前無線傳感器網(wǎng)絡MAC本書根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議分為以下三種：

(1)時分復用無競爭接入方式。無線信道時分復用(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)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。本書根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議分為以(2)隨機競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機競爭接入方式，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機使用無線信道，盡量減少節(jié)點間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問(CarrierSenseMultipleAccess，CSMA)的MAC協(xié)議。(2)隨機競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機競爭(3)競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過混合采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突的無線信道分配。(3)競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過混合采用基于競爭的隨機訪問MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是當節(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訪問MAC協(xié)議是載波偵聽多路訪問(CSMA)接入方式。在無線局域網(wǎng)IEEE802.11MAC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(CSMAwithCollisionAvoidance，CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡MAC協(xié)議的典型代表?；诟偁幍碾S機訪問MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，它所謂的CSMA/CA機制是指在信號傳輸之前，發(fā)射機先偵聽介質(zhì)中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機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)絡應用的過程。在IEEE802.11MAC協(xié)議基礎上，人們設計出適用于傳感器網(wǎng)絡的多種MAC協(xié)議。下面首先介紹IEEE802.1lMAC協(xié)議的內(nèi)容，然后介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的典型MAC協(xié)議。所謂的CSMA/CA機制是指在信號傳輸之前，發(fā)射機先3.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能(DistributedCoordinationFunction,DCF)和點協(xié)調(diào)功能(PointCoordinationFunction，PCF)兩種訪問控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11協(xié)議的基本訪問控制方式。3.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議在DCF工作方式下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽和虛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提供，虛擬載波偵聽由MAC層提供。在DCF工作方式下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽和虛擬IEEE802.11MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔(InterFrameSpace，IFS)，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級：

（1）SIFS(shortIFS)：最短幀間間隔。

（2）PIFS(PCFIFS)：PCF方式下節(jié)點使用的幀間間隔。（3）DIFS(DCFIFS)：DCF方式下節(jié)點使用的幀間問隔。IEEE802.11MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間根據(jù)CSMA/CA協(xié)議，當節(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)過一個幀間間隔時間DIFS后，信道仍然空閑，則站點立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點始終偵聽信道，直到信道的空閑時間超過DIFS。當信道最終空閑下來的時候，節(jié)點進一步使用二進制退避算法，進入退避狀態(tài)來避免發(fā)生碰撞。根據(jù)CSMA/CA協(xié)議，當節(jié)點要傳輸一個分組時，它首先隨機退避時間按下面公式進行計算：

退避時間=Random()×aSlottime

其中，Random()是在競爭窗口[0，CW]內(nèi)均勻分布的偽隨機整數(shù)；CW是整數(shù)隨機數(shù)，它的數(shù)值位于標準規(guī)定的aCWmin和aCWmax之間；aSlottime是一個時槽時間，包括發(fā)射啟動時間、介質(zhì)傳播時延、檢測信道的響應時間等。隨機退避時間按下面公式進行計算：網(wǎng)絡節(jié)點在進入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計時器，當計時達到退避時間后結(jié)束退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當檢測到信道空閑時才進行計時。如果信道忙，退避計時器中止計時，直到檢測到信道空閑時間大于DIFS后才繼續(xù)計時。當多個節(jié)點推遲且進入隨機退避時，利用隨機函數(shù)選擇最小退避時間的節(jié)點作為競爭優(yōu)勝者。網(wǎng)絡節(jié)點在進入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計時器，當計時達802.11MAC協(xié)議通過立即主動確認機制和預留機制業(yè)提高性能。在主動確認機制中，當目標節(jié)點收到一個發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀(DATA)時，必須向源節(jié)點發(fā)送一個應答幀(ACK)，確認數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標節(jié)點在發(fā)送ACK過程中不與其它節(jié)點發(fā)生沖突，目標節(jié)點使用SIFS幀間隔。主動確認機制只能用于有明確目標地址的幀，不能用于組播和廣播報文傳輸。802.11MAC協(xié)議通過立即主動確認機制和預留機制3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議這里介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的比較典型的MAC協(xié)議，即S-MAC協(xié)議(SensorMAC)。這種協(xié)議是在802.1lMAC協(xié)議的基礎上，針對傳感器網(wǎng)絡的節(jié)省能量需求而提出的。S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡內(nèi)部能夠進行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡能容忍一定程度的通信延遲。它的設計目標是提供良好的擴展性，減少節(jié)點能耗。3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議這里介紹通常無線傳感器網(wǎng)絡的無效能耗主要來源于如下四種原因：①空閑監(jiān)聽②數(shù)據(jù)沖突③串擾④控制開銷通常無線傳感器網(wǎng)絡的無效能耗主要來源于如下四種原因：（1）周期性偵聽和睡眠機制

S-MAC協(xié)議將時間分為幀，幀長度由應用程序決定。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)應用情況進行調(diào)整。當節(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。當然節(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。（1）周期性偵聽和睡眠機制具有相同調(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)絡的部署范圍較廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得S-MAC協(xié)議具有良好的可擴展性。為了適應新加入節(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)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，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。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（2）流量自適應偵聽機制流量自適應偵聽機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)束后不立即進入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時間。如果節(jié)點在這段時間內(nèi)接收到RTS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)分組的傳輸延遲。如果在這段時間內(nèi)沒有接收到RTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。（2）流量自適應偵聽機制（3）沖突和串音避免機制

為了減少沖突和避免串音，S-MAC協(xié)議采用了與802.11MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機制，以及RTS/CTS握手交互機制。兩者的區(qū)別在于當鄰居節(jié)點處于通信過程時，執(zhí)行S-MAC協(xié)議的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。（3）沖突和串音避免機制（4）消息傳遞機制

S-MAC協(xié)議采用了消息傳遞機制，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。消息傳遞機制根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手機制預約這個長消息發(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。（4）消息傳遞機制S-MAC與IEEE802.11MAC協(xié)議的突發(fā)分組傳送S-MAC與IEEE802.11MAC協(xié)議的突發(fā)分