物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)-無線傳感網(wǎng)-第二課-徐憲清

1、集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)The Internet of Things Technology徐憲清徐憲清集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 通常傳感器節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，人們要考慮通常傳感器節(jié)點(diǎn)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。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(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。無線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程物 理 層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng) 絡(luò) 層傳 輸 層應(yīng) 用 層能 量 分 配移 動(dòng) 管 理應(yīng) 用 優(yōu) 化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)：集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程物理

2、層一MAC層協(xié)議二路由協(xié)議三集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程物理層一MAC層二路由協(xié)議三集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程1. 1. 物理層物理層1.1 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)中物理在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中物理層考慮的是層考慮的是怎樣才能在連怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì)接各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程國際標(biāo)準(zhǔn)化組織國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for (International Organization for Standardization, IOS)Standardiz

3、ation, IOS)對(duì)開放系統(tǒng)互聯(lián)對(duì)開放系統(tǒng)互聯(lián)(Open System (Open System InterconnectionInterconnection，OSI)OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、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，提供機(jī)械維護(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，提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。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(diǎn)是負(fù)責(zé)在物理連接上傳輸二進(jìn)制從定義可以看出，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

4、物理連接所需要的機(jī)械、電氣、功比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放物理連接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程的特性。能和規(guī)程的特性。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程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。 如信道狀態(tài)評(píng)估、能量檢測等等如信道狀態(tài)評(píng)估、能量檢測等等集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程通常物理接口標(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：

5、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)

6、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。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程2 2、無線通信物理層的主要技術(shù)、無線通信物理層的主要技術(shù) 無線通信物理層的主要技術(shù)包括無線通信物理層的主要技術(shù)包括介質(zhì)的選擇介質(zhì)的選擇、頻段的選擇頻段的選擇、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)。 (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

7、一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)波長的不同，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。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程無線電按波長和頻率分無線電按波長和頻率分 長波：波長長波：波長10001000，頻率，頻率300KHz-30KHz 300KHz-30KHz 中波：波長中波：波長100M-1000M,100M-1000M,頻率頻率300KHz-3000KHz 300KHz-3000KHz 短波短波: :波長波長100M-10M

8、100M-10M，頻率，頻率3MHz3MHz30MHz 30MHz 超短波：波長超短波：波長1M-10M1M-10M，頻率，頻率30MHz-300MHz,30MHz-300MHz,亦稱甚高頻（亦稱甚高頻（VHFVHF）波、）波、米波米波 微波微波: :波長波長1M-1MM,1M-1MM,頻率頻率300MHz-300KMHz300MHz-300KMHz。 無線電按用途分：民用、商用、軍用無線電按用途分：民用、商用、軍用 民用：一般指我們聽得無線廣播，一般沒有太高的波段民用：一般指我們聽得無線廣播，一般沒有太高的波段 商用：機(jī)場、通訊運(yùn)營商使用的無線電商用：機(jī)場、通訊運(yùn)營商使用的無線電 軍用：軍事

9、用途。軍用：軍事用途。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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，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)。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 無線電波的傳播特性與頻率相關(guān)。如果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，采用較低頻率，則它能輕易地通過

10、障礙物，但電波能量隨著與信號(hào)源距離但電波能量隨著與信號(hào)源距離r r的增大而急的增大而急劇減小，大致為劇減小，大致為1/r1/r3 3。如果采用高頻傳輸，。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，且受障礙物阻擋的影則它趨于直線傳播，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)備響。無線電波易受發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾。的干擾。 另外，由于無線電波的傳輸距離較遠(yuǎn)，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，用戶之間的相互串?dāng)_也是需要關(guān)注的問題，所以每個(gè)國家和地區(qū)都有關(guān)于無線頻率管所以每個(gè)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。制方面的使用授權(quán)規(guī)定。集成電

11、路與物聯(lián)網(wǎng)工程ISM頻段集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程(2)(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) 調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。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)?；鶐盘?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)?；鶐盘?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

12、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)。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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(hào)的類型，可以將調(diào)制分為用的基帶信號(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。高頻載波隨著模擬基帶信號(hào)的變化而變化。 數(shù)字調(diào)

13、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)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)。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)。該參量可以是信號(hào)的幅度、頻率或相位該參量可以是信號(hào)的幅度、頻率或相位。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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（Amplitude Amplitude Modulation, AMMo

14、dulation, AM）、）、頻率調(diào)制頻率調(diào)制（Frequency Modulation, FMFrequency Modulation, FM）和）和相位相位調(diào)制調(diào)制（Phase Modulation, PMPhase Modulation, PM）。）。 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

15、稱為幅移鍵控控(Amplitude Shift Keying, ASK)(Amplitude Shift Keying, ASK)、頻移鍵控、頻移鍵控(Frequency Shift (Frequency Shift Keying, FSK)Keying, FSK)和相移鍵控和相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)(Phase Shift Keying, PSK)。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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、頻譜特性通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜

16、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，因而目前在無線通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制方法不夠理想，因而目前在無線通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制方法是頻率鍵控和相位鍵控。是頻率鍵控和相位鍵控。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程(3)(3)擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù) 擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，它的定義如下：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，它的定義如下：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小息傳輸方式，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)制帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)

17、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)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相的方法來實(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)所傳信息數(shù)據(jù)。關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)展頻譜，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力！擴(kuò)展頻譜，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力！集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程這一定義包含以下三方面意思：這一定義包含以下三方面意思：n信號(hào)的頻譜被展寬了信號(hào)的頻譜被展寬了 n采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號(hào)頻譜采用擴(kuò)頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號(hào)頻譜 n在接受端用相關(guān)解調(diào)（或相干解調(diào)）來解擴(kuò)在接受端用相關(guān)解調(diào)（或相干解調(diào)）來解擴(kuò)集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程傳輸任何信息都需要一定的

18、頻帶，稱為信息帶寬或基傳輸任何信息都需要一定的頻帶，稱為信息帶寬或基帶信號(hào)頻帶寬度。例如：帶信號(hào)頻帶寬度。例如：n人類語音的信息帶寬為人類語音的信息帶寬為3003003400Hz3400Hz；n電視圖像信息帶寬為電視圖像信息帶寬為6.5MHz6.5MHz。在通常通信系統(tǒng)中，為了提高頻帶利用率，通常都是在通常通信系統(tǒng)中，為了提高頻帶利用率，通常都是盡量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘?hào)來傳輸信息。而擴(kuò)頻通信的盡量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘?hào)來傳輸信息。而擴(kuò)頻通信的信號(hào)帶寬與信息帶寬之比則高達(dá)信號(hào)帶寬與信息帶寬之比則高達(dá)10010010001000，屬于寬帶通信。，屬于寬帶通信。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程通過信號(hào)理論

19、知道：通過信號(hào)理論知道：n在時(shí)間上是有限的信號(hào)，其頻譜是無限的；在時(shí)間上是有限的信號(hào)，其頻譜是無限的；n脈沖信號(hào)寬度越窄，其頻譜就越寬，近似成反比。脈沖信號(hào)寬度越窄，其頻譜就越寬，近似成反比。 因此，如很窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很因此，如很窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號(hào)。寬頻帶的信號(hào)。CDMACDMA蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)就是采用直擴(kuò)方式蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)就是采用直擴(kuò)方式獲得擴(kuò)頻信號(hào)的。這種很窄的脈沖碼序列（其碼速率很高）獲得擴(kuò)頻信號(hào)的。這種很窄的脈沖碼序列（其碼速率很高）稱為擴(kuò)頻碼序列。所采用的擴(kuò)頻碼序列與所傳的信息數(shù)據(jù)無稱為擴(kuò)頻碼序列。所采用的擴(kuò)頻碼序列與所傳的

20、信息數(shù)據(jù)無關(guān)（它與一般的正弦載波信號(hào)類似），不影響信息傳輸?shù)耐戈P(guān)（它與一般的正弦載波信號(hào)類似），不影響信息傳輸?shù)耐该餍浴U(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號(hào)頻譜的作用。明性。擴(kuò)頻碼序列僅僅起擴(kuò)展信號(hào)頻譜的作用。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程典型擴(kuò)頻通信的一般工作原理如圖2所示。 圖2 典型的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型信道由圖2可看出，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)主要由原始信息、信息調(diào)制（信源編譯碼、信道編譯碼）、載波調(diào)制與解調(diào)、擴(kuò)頻調(diào)制與解調(diào)和信道六大部分組成。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程n信源編碼的目的是減小信息的冗余度，提高信道信源編碼的目的是減小信息的冗余度，提高信道的傳輸效率。的傳輸效率。n信道編碼（差錯(cuò)控制）的目的是增加信息在信道信道編碼

21、（差錯(cuò)控制）的目的是增加信息在信道傳輸中的冗余度，使其具有檢錯(cuò)或糾錯(cuò)的能力，以傳輸中的冗余度，使其具有檢錯(cuò)或糾錯(cuò)的能力，以提高信道的傳輸質(zhì)量。提高信道的傳輸質(zhì)量。n調(diào)制部分的目的是使經(jīng)信道編碼后的符號(hào)能在適調(diào)制部分的目的是使經(jīng)信道編碼后的符號(hào)能在適當(dāng)?shù)念l段傳輸，通常使用的數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式分為當(dāng)?shù)念l段傳輸，通常使用的數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式分為振幅鍵控振幅鍵控ASKASK、頻移鍵控、頻移鍵控FSKFSK、移相鍵控、移相鍵控PSKPSK。n擴(kuò)頻調(diào)制和解調(diào)是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力而擴(kuò)頻調(diào)制和解調(diào)是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力而進(jìn)行的信號(hào)頻譜展寬和還原。進(jìn)行的信號(hào)頻譜展寬和還原。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 擴(kuò)頻技術(shù)按

22、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(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)、跳頻跳頻(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)、跳時(shí)跳時(shí)(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)寬帶線性調(diào)

23、頻擴(kuò)頻寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻(chirp Spread Spectrum, chirp-SS(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，簡稱切普，簡稱切普擴(kuò)頻擴(kuò)頻) )。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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)

24、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)和測距能精確地定時(shí)和測距; ;適合數(shù)適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù); ;安裝簡便，易于維護(hù)。安裝簡便，易于維護(hù)。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程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) 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物理層技術(shù)的特點(diǎn)。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)

25、絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是無線電波無線電波、紅外線紅外線和和光波光波三三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療療”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, ISM)Scientific and Medical, ISM)頻段。頻段。ISMISM頻段的優(yōu)點(diǎn)在頻段的優(yōu)點(diǎn)在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。ISMISM頻頻段的缺點(diǎn)主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題

26、。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)用存在相互干擾問題。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實(shí)現(xiàn)通信，譬如盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實(shí)現(xiàn)通信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當(dāng)各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用應(yīng)用。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程1.3 1.3 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、紅目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電、紅外線和光波

27、等。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。因?yàn)轭l段是一個(gè)很好的選擇。因?yàn)镮SMISM頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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，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，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)

28、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合得到應(yīng)用。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 對(duì)于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信傳輸介質(zhì)可對(duì)于一些特殊場合的應(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)，譬能有特別的要求。例如，艦船應(yīng)用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會(huì)遇到信道不可靠和嚴(yán)如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會(huì)遇到信道不可靠和嚴(yán)重干擾等問題。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)射功率方面比不另外，一些傳感器節(jié)點(diǎn)的天線

29、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)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)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。調(diào)制機(jī)制。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程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)行碼片，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，長度通常為一個(gè)字節(jié)，表示同步結(jié)束，或者符號(hào)的同步。第二個(gè)字段是幀頭，長度通常為一個(gè)字節(jié)，表示同步結(jié)束，數(shù)

30、據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。 幀長度字段通常由一個(gè)字節(jié)的低幀長度字段通常由一個(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)負(fù)載的長度，因此它的后續(xù)載的長度，因此它的后續(xù)PHYPHY負(fù)載的長度不會(huì)超過負(fù)載的長度不會(huì)超過127127個(gè)字節(jié)。個(gè)字節(jié)。 物理幀物理幀PHYPHY的負(fù)載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的負(fù)載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY Service Data (PHY Service Data Unite, PSDU)Unite, PSDU)，攜帶，攜帶PHYPHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包

31、的數(shù)據(jù)，PSDUPSDU域是物理層的載荷域是物理層的載荷 。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程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、功率等一系列的技術(shù)參數(shù)。比較常見的編碼調(diào)制技術(shù)包括幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴(kuò)頻技術(shù)。頻移鍵控、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)能具有提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少

32、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。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。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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，定義的物理層是標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個(gè)載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個(gè)頻段都三個(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

33、方式。使用了直接序列擴(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)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)的最有力競爭者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競爭者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如也相繼推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420無線通信芯片，現(xiàn)在的無線通信芯片，現(xiàn)在的SoCSoC的的CC2430CC2430、CC2530CC2530等。等。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 總的來看，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，現(xiàn)有的物理總的來看，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

34、的特點(diǎn)，現(xiàn)有的物理層設(shè)計(jì)基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要層設(shè)計(jì)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集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波波段。段。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程物理層一MAC協(xié)議二路由協(xié)議三集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程2. MAC2. MAC協(xié)議協(xié)議2.1 MAC2.1 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

35、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)介質(zhì)訪問控制導(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(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)協(xié)議。協(xié)議。 所謂所謂MACMAC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)。用共享介質(zhì)。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程(1) (1) 采用分布

36、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：集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程本課根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的本課根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MACMAC協(xié)議分為以下三種：協(xié)議分為以下三種： (1) (1) 時(shí)分復(fù)用無競爭接入方式時(shí)分復(fù)用無競爭接入方式。無線信道時(shí)分復(fù)用。無線信道時(shí)分復(fù)用(Time (

37、Time Division Multiple AccessDivision Multiple Access，TDMA)TDMA)方式給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配方式給每個(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。固定的無線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 (2) (2) 隨機(jī)競爭接入方式隨機(jī)競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機(jī)。如果采用無線信道的隨機(jī)競爭接入方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無線信競爭接入方式，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聽多路訪問(

38、Carrier Sense Multiple Access(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)CSMA)的的MACMAC協(xié)議。協(xié)議。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 (3) (3) 競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過混合。通過混合采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實(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)間無沖突的無線信道分配。的無線信道分配。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 基于競爭的隨機(jī)訪問基于競爭的隨機(jī)訪問MACMAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，它的基協(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)，通過競爭方式使用無

39、線信道，如本思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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)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。送成功或放棄發(fā)送。 典型的基于競爭的隨機(jī)訪問典型的基于競爭的隨機(jī)訪問MACMAC協(xié)議是載波偵聽多路訪問協(xié)議是載波偵聽多路訪問(CSMA)(CSMA)接入方式。在無線局域網(wǎng)接入方式。在無線局域網(wǎng)IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作協(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模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA wit

40、h (CSMA with Collision AvoidanceCollision Avoidance，CSMA/CA)CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)MACMAC協(xié)議的典型代表。協(xié)議的典型代表。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程CSMA依偵聽發(fā)送策略的分類依偵聽發(fā)送策略的分類n根據(jù)具體的偵聽發(fā)送策略，可將CSMA分為非持續(xù)CSMA（non-persistent CSMA） n當(dāng)要發(fā)送幀的設(shè)備偵聽到線路忙或發(fā)生沖突時(shí)，會(huì)隨機(jī)等待一段時(shí)間再進(jìn)行偵聽；若發(fā)現(xiàn)不忙則立即發(fā)送；此策略可以減少?zèng)_突，但會(huì)導(dǎo)致信道利用率降低，以及較長的延遲。1-持續(xù)CSMA（1-persisten

41、t CSMA） n當(dāng)要發(fā)送幀的設(shè)備偵聽到線路忙或發(fā)生沖突時(shí)，會(huì)持續(xù)偵聽；若發(fā)現(xiàn)不忙則立即發(fā)送。當(dāng)傳播延遲較長或多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)送幀的可能性較大時(shí)，此策略會(huì)導(dǎo)致較多的沖突，導(dǎo)致性能降低。p-持續(xù)CSMA（p-persistent CSMA） n當(dāng)要發(fā)送幀的設(shè)備偵聽到線路忙或發(fā)生沖突時(shí)，會(huì)持續(xù)偵聽；若發(fā)現(xiàn)不忙，則根據(jù)一個(gè)事先指定的概率p來決定是發(fā)送幀還是繼續(xù)偵聽（以p的概率發(fā)送，1-p的概率繼續(xù)偵聽）；此種策略可以達(dá)到一定的平衡，但對(duì)于參數(shù)p的配置會(huì)涉及比較復(fù)雜的考量。正確使用以上策略可以在一定程度上減少?zèng)_突的發(fā)生，但無法徹底解決沖突問題。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程CSMA/CA載波偵聽多路訪問沖突避免（

42、載波偵聽多路訪問沖突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）此種方案采用主動(dòng)避免碰撞而非被動(dòng)偵測的方式來解決沖突問題?？梢詽M足那些不易準(zhǔn)確偵測是否有沖突發(fā)生的需求，如無線局域網(wǎng)。CSMA/CA協(xié)議主要使用兩種方法來避免碰撞：設(shè)備欲發(fā)送幀，且偵聽到信道空閑時(shí)，維持一段時(shí)間后，再等待一段隨機(jī)的時(shí)間依然空閑時(shí)，才提交數(shù)據(jù)。由于各個(gè)設(shè)備的等待時(shí)間是分別隨機(jī)產(chǎn)生的，因此很大可能有所區(qū)別，由此可以減少?zèng)_突的可能性。RTS-CTS握手（handshake）：設(shè)備欲發(fā)送幀前，先發(fā)送一個(gè)很小的RTS（Request to

43、 Send）幀給目標(biāo)端，等待目標(biāo)端回應(yīng)CTS（Clear to Send）幀后，才開始傳送。此方式可以確保接下來傳送數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)發(fā)生沖突。同時(shí)由于RTS幀與CTS幀都很小，讓傳送的無效開銷變小。此方案應(yīng)用于無線局域網(wǎng)的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 在在IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，人們設(shè)計(jì)出適用于傳感器協(xié)議基礎(chǔ)上，人們設(shè)計(jì)出適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種網(wǎng)絡(luò)的多種MACMAC協(xié)議。協(xié)議。 下面首先介紹下面首先介紹IEEE 802.1l MACIEEE 802.1l MAC協(xié)議的內(nèi)容，然后介紹一種適協(xié)議的內(nèi)容，然后介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

44、的典型用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型MACMAC協(xié)議。協(xié)議。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程2.2 IEEE 802.11 MAC2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議協(xié)議 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function, DCF)(Distributed Coordination Function, DCF)和點(diǎn)協(xié)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能調(diào)功能(Point Coordination Function(Point Coordination Function，PCF)PCF)兩種訪兩種訪問控制方

45、式，其中問控制方式，其中DCFDCF方式是方式是IEEE 802.11IEEE 802.11協(xié)議的基本協(xié)議的基本訪問控制方式。訪問控制方式。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 在在DCFDCF工作方式工作方式下，載波偵聽機(jī)制下，載波偵聽機(jī)制通過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來確定無線信道的狀確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽?wèi)B(tài)。物理載波偵聽由物理層提供，虛由物理層提供，虛擬載波偵聽由擬載波偵聽由MACMAC層層提供。提供。ABCDRTS數(shù) 據(jù)CTSA CKN A VN A V集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間

46、隔協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔(InterFrame (InterFrame SpaceSpace，IFS)IFS)，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級(jí)：，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級(jí)： （1 1）SIFS SIFS (short IFS)(short IFS)：最短幀間間隔。：最短幀間間隔。 （2 2）PIFSPIFS (PCF IFS) (PCF IFS)：PCFPCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。 （3 3）DIFS DIFS (DCF IFS)(DCF IFS)：DCFDCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間問隔。方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間問隔。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 根據(jù)根據(jù)CSMA/CAC

47、SMA/CA協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)分組時(shí)，它首先偵聽信道狀協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)分組時(shí)，它首先偵聽信道狀態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個(gè)幀間間隔時(shí)間態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個(gè)幀間間隔時(shí)間DIFSDIFS后，信道仍然空后，信道仍然空閑，則站點(diǎn)立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點(diǎn)始終偵聽信道，閑，則站點(diǎn)立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點(diǎn)始終偵聽信道，直到信道的空閑時(shí)間超過直到信道的空閑時(shí)間超過DIFSDIFS。當(dāng)信道最終空閑下來的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)進(jìn)。當(dāng)信道最終空閑下來的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步使用二進(jìn)制退避算法，進(jìn)入退避狀態(tài)來避免發(fā)生碰撞。一步使用二進(jìn)制退避算法，進(jìn)入退避狀態(tài)來避免發(fā)生碰撞。當(dāng)信道空閑時(shí)間大

48、于DIF時(shí) 使用信道DIFSPIFSSIFS信道忙競爭窗口退避窗口下一幀時(shí)間槽時(shí)間DIFS推遲發(fā)送集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 隨機(jī)退避時(shí)間按下面公式進(jìn)行計(jì)算：隨機(jī)退避時(shí)間按下面公式進(jìn)行計(jì)算： 退避時(shí)間退避時(shí)間=Random()=Random()aSlottimeaSlottime 其中，其中，Random()Random()是在競爭窗口是在競爭窗口00，CWCW內(nèi)均勻分布的偽內(nèi)均勻分布的偽隨機(jī)整數(shù)；隨機(jī)整數(shù)；CWCW是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，它的數(shù)值位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，它的數(shù)值位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的aCWminaCWmin和和aCWmaxaCWmax之間；之間；aSlottimeaSlottime是一個(gè)時(shí)槽時(shí)間

49、，包括發(fā)是一個(gè)時(shí)槽時(shí)間，包括發(fā)射啟動(dòng)時(shí)間、介質(zhì)傳播時(shí)延、檢測信道的響應(yīng)時(shí)間等。射啟動(dòng)時(shí)間、介質(zhì)傳播時(shí)延、檢測信道的響應(yīng)時(shí)間等。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入退避狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入退避狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)退避計(jì)時(shí)器，時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)退避計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到退避時(shí)間后結(jié)束當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到退避時(shí)間后結(jié)束退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當(dāng)檢測到信道空閑時(shí)才只有當(dāng)檢測到信道空閑時(shí)才進(jìn)行計(jì)時(shí)。如果信道忙，退進(jìn)行計(jì)時(shí)。如果信道忙，退避計(jì)時(shí)器中止計(jì)時(shí)，直到檢避計(jì)時(shí)器中止計(jì)時(shí)，直到檢測到信道空閑時(shí)間大于測到信道空閑時(shí)間大于DIFSDIFS后才繼續(xù)計(jì)時(shí)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)后才繼續(xù)計(jì)時(shí)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)推遲且進(jìn)入隨機(jī)退

50、避時(shí)，利推遲且進(jìn)入隨機(jī)退避時(shí)，利用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時(shí)用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時(shí)間的節(jié)點(diǎn)作為競爭優(yōu)勝者。間的節(jié)點(diǎn)作為競爭優(yōu)勝者。節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)C節(jié)點(diǎn)D推遲推遲推遲競爭窗口幀幀節(jié)點(diǎn)EDIFS推遲競爭窗口幀競爭窗口幀幀競爭窗口退避時(shí)間剩余退避時(shí)間集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 802.11 MAC 802.11 MAC協(xié)議通過協(xié)議通過立即主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制立即主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制和和預(yù)留機(jī)制預(yù)留機(jī)制提高性能。在主動(dòng)確提高性能。在主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀認(rèn)機(jī)制中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀(DATA)(DATA)時(shí)，必須向源時(shí)，必須向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀(ACK

51、)(ACK)，確認(rèn)數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，確認(rèn)數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送在發(fā)送ACKACK過程中不與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用過程中不與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用SIFSSIFS幀間隔。主動(dòng)幀間隔。主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制只能用于有明確目標(biāo)地址的幀，不能用于組播和廣播報(bào)文傳輸。確認(rèn)機(jī)制只能用于有明確目標(biāo)地址的幀，不能用于組播和廣播報(bào)文傳輸。RTSDATACTSACK競 爭 窗 口下 一 幀DIFSDIFS源 站 點(diǎn)SIFS目 的 站 點(diǎn)NAV(RTS)NAV(CTS)其 他 站 點(diǎn)集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程2.3 2.3 典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC

52、協(xié)議協(xié)議 這里介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的比較典型的這里介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的比較典型的MACMAC協(xié)議，即協(xié)議，即S-S-MACMAC協(xié)議協(xié)議(Sensor MAC)(Sensor MAC)。這種協(xié)議是在。這種協(xié)議是在802.1l MAC802.1l MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)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。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)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信

53、量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。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。的通信延遲。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。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原因：種原因： 空閑監(jiān)聽空閑監(jiān)聽 數(shù)據(jù)沖突數(shù)據(jù)沖突 串?dāng)_串?dāng)_ 控制開銷控制開銷集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程（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，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽/ /睡眠階段的持續(xù)時(shí)間要根據(jù)

54、應(yīng)用情況進(jìn)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)閉無線電波，以節(jié)省能量。當(dāng)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。當(dāng)然節(jié)點(diǎn)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。然節(jié)點(diǎn)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。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 具有相同調(diào)度的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)所謂具有相同調(diào)度的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)所謂的虛擬簇，邊界節(jié)點(diǎn)記錄兩個(gè)或多個(gè)調(diào)的虛擬簇，邊界節(jié)點(diǎn)記錄兩個(gè)或多個(gè)調(diào)度。如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署范圍較廣，度。如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署范圍較廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得可能形成眾多不同的虛擬簇，使得S-S-MACMAC協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性。協(xié)議具有良

55、好的可擴(kuò)展性。 為了適應(yīng)新加入節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要為了適應(yīng)新加入節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要定期廣播自己的調(diào)度信息，使新節(jié)點(diǎn)可定期廣播自己的調(diào)度信息，使新節(jié)點(diǎn)可以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步。如以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步。如果節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到兩種不同的調(diào)度，如圖果節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到兩種不同的調(diào)度，如圖所示的處于兩個(gè)不同調(diào)度區(qū)域重合部分所示的處于兩個(gè)不同調(diào)度區(qū)域重合部分的節(jié)點(diǎn)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選擇先收到的節(jié)點(diǎn)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選擇先收到的調(diào)度，并記錄另一個(gè)調(diào)度信息。的調(diào)度，并記錄另一個(gè)調(diào)度信息。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程（2 2）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制 流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制的基本思想是在一次通信過程中，通信流

56、量自適應(yīng)偵聽機(jī)制的基本思想是在一次通信過程中，通信節(jié)點(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。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，則可以立刻接收數(shù)據(jù)，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。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(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)直到下一分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。次調(diào)度偵聽周期。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程（3 3）沖突和

57、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)協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機(jī)制，以及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)制。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)議的節(jié)協(xié)議的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程（4 4）消息傳遞機(jī)制）消息傳遞機(jī)制 S-MACS-MAC協(xié)議采用了消息傳遞機(jī)制，可以很好地支持長消息的發(fā)協(xié)議采用了消息傳遞機(jī)

58、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(cuò)與消息長度成正比，短消息傳輸成功送。由于無線信道的傳輸差錯(cuò)與消息長度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長消息。的概率要大于長消息。 消息傳遞機(jī)制根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個(gè)短消息，采消息傳遞機(jī)制根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個(gè)短消息，采用一次用一次RTS/CTSRTS/CTS交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長消息發(fā)送的時(shí)間，集中交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長消息發(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)送的成功率。高消息發(fā)送的成功率。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程S

59、-MACS-MAC與與IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協(xié)議的突發(fā)分組傳送協(xié)議的突發(fā)分組傳送RTS 21Data 19Data 17CTS 20Data1ACK 18ACK 16 ACK0S-M ACRTS3Data3Data3CTS2Data1ACK2ACK2 ACK0IEEE 802.11集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程物理層一MAC層二路由協(xié)議三集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程3.3.路由協(xié)議路由協(xié)議3.1 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)點(diǎn)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

60、少通過一個(gè)中間節(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)。 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)，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：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)。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：（1 1）能量優(yōu)先）能量優(yōu)先（2 2）基于局部拓?fù)湫畔ⅲ┗诰植客負(fù)湫畔ⅲ? 3）以數(shù)據(jù)為中心）以數(shù)據(jù)為中