傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)

1、1物聯(lián)接入層物聯(lián)接入層傳感器網(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)2 目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，現(xiàn)代衛(wèi)星目視千里、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)使人們離這一目標前進了很多，但衛(wèi)星高高技術(shù)的出現(xiàn)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。在上，洞察全局在行，明察細微就勉為其難了。 將大量傳感器節(jié)點遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線電將大量傳感器節(jié)點遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線電傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)信息盡收觀察者的眼中。傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)信息盡收觀察者的眼中。 這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的目標，其實現(xiàn)依賴這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用

2、的目標，其實現(xiàn)依賴于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳輸方法，需要新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳輸方法，需要新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。3 通常傳感器節(jié)點的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾通常傳感器節(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。成探測數(shù)據(jù)的傳輸。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的、傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理

3、網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中需感知的對象信息，并發(fā)給觀察者。網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中需感知的對象信息，并發(fā)給觀察者。所以無線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。所以無線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。4通信與組網(wǎng)技術(shù)通信與組網(wǎng)技術(shù)n通信處于傳感器網(wǎng)絡(luò)的最底層，包括通信處于傳感器網(wǎng)絡(luò)的最底層，包括物理層物理層及及MAC層；層；n主要解決實現(xiàn)數(shù)據(jù)的主要解決實現(xiàn)數(shù)據(jù)的點到點點到點或則或則點到多點點到多點的傳的傳輸問題，為上層組網(wǎng)提供通信服務(wù)；輸問題，為上層組網(wǎng)提供通信服務(wù)；n同時滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)同時滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模大規(guī)模、低成本低成本、低功耗低功耗及及魯棒性魯棒性等要求。等要求。5通信與組網(wǎng)技術(shù)通信與組網(wǎng)技術(shù)n組網(wǎng)技術(shù)以底層

4、通信技術(shù)為基礎(chǔ)，建立一個組網(wǎng)技術(shù)以底層通信技術(shù)為基礎(chǔ)，建立一個可可靠且具有嚴格功耗預(yù)算靠且具有嚴格功耗預(yù)算的通信網(wǎng)絡(luò)，向用戶提的通信網(wǎng)絡(luò)，向用戶提供服務(wù)支持；供服務(wù)支持；n網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)路由轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸層負責(zé)實現(xiàn)，傳輸層負責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量保障服務(wù)質(zhì)量保障；n在資源消耗與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能之間平衡在資源消耗與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能之間平衡。6 物理層物理層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 在計算機網(wǎng)絡(luò)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)上在計算機網(wǎng)絡(luò)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。

5、國際標準化組織對開放系統(tǒng)互聯(lián)傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國際標準化組織對開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)(OSI)參考模型中物理層的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)亩x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，提供物理連接，提供機械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的機械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。特性。 從定義可以看出，物理層的特點是負責(zé)在從定義可以看出，物理層的特點是負責(zé)在物理連接上傳輸二進制比特流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。并提供為建立、維護和釋放物理連接

6、所需要的機械、電氣、功能和規(guī)程的特性。7n網(wǎng)絡(luò)中物理設(shè)備與傳輸介質(zhì)的種類很多，通信網(wǎng)絡(luò)中物理設(shè)備與傳輸介質(zhì)的種類很多，通信也有不同的方式；也有不同的方式；n物理層要盡可能屏蔽掉這些差異，使數(shù)據(jù)鏈路物理層要盡可能屏蔽掉這些差異，使數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這種差異層感覺不到這種差異；n確保數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何完成本層的協(xié)確保數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何完成本層的協(xié)議和服務(wù)，而不必考慮網(wǎng)絡(luò)具體的傳輸介質(zhì)。議和服務(wù)，而不必考慮網(wǎng)絡(luò)具體的傳輸介質(zhì)。8n物理層處于最底層，是整個開放系統(tǒng)的基礎(chǔ)，向下直物理層處于最底層，是整個開放系統(tǒng)的基礎(chǔ)，向下直接與物理傳輸介質(zhì)相連接接與物理傳輸介質(zhì)相連接; ;n物理層協(xié)議是各網(wǎng)

7、絡(luò)設(shè)備互聯(lián)時遵守的底層協(xié)議物理層協(xié)議是各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)時遵守的底層協(xié)議; ;實現(xiàn)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備之間的二進制比特流的透明傳輸網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備之間的二進制比特流的透明傳輸; ;n負責(zé)主機間傳輸數(shù)據(jù)位，為物理介質(zhì)上傳輸?shù)谋忍亓髫撠?zé)主機間傳輸數(shù)據(jù)位，為物理介質(zhì)上傳輸?shù)谋忍亓鹘⒁?guī)則，及需何種傳送技術(shù)在傳輸介質(zhì)上發(fā)送數(shù)據(jù)建立規(guī)則，及需何種傳送技術(shù)在傳輸介質(zhì)上發(fā)送數(shù)據(jù); ;n對數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽物理傳輸介質(zhì)的特性，以便對高層對數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽物理傳輸介質(zhì)的特性，以便對高層協(xié)議有最大的透明性，但定義了數(shù)據(jù)鏈路層所使用的協(xié)議有最大的透明性，但定義了數(shù)據(jù)鏈路層所使用的訪問方法訪問方法 9物理層的主要功能如下：物理層的主要

8、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。 數(shù)據(jù)通路可以是一個物理介質(zhì)，也可由多個物理介質(zhì)數(shù)據(jù)通路可以是一個物理介質(zhì)，也可由多個物理介質(zhì)連接而成的。連接而成的。 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸包括激活物理連接、傳送數(shù)據(jù)和一次完整的數(shù)據(jù)傳輸包括激活物理連接、傳送數(shù)據(jù)和終止物理鏈接。終止物理鏈接。 所謂所謂“激活物理鏈接激活物理鏈接”就是不管有多少物理介質(zhì)參與，就是不管有多少物理介質(zhì)參與，都需將通信的兩個數(shù)據(jù)終端設(shè)備連接起來，形成一通路。都需將通信的兩個數(shù)據(jù)終

9、端設(shè)備連接起來，形成一通路。10物理層的主要功能如下：物理層的主要功能如下：傳輸數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)。 物理層要形成適合傳輸需要的實體，為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，物理層要形成適合傳輸需要的實體，為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，保證數(shù)據(jù)能在物理層正確通過，并提供保證數(shù)據(jù)能在物理層正確通過，并提供足夠的帶寬足夠的帶寬，以，以減減少信道的擁塞少信道的擁塞。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞侥軡M足點到點、一點到多點、串行或數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞侥軡M足點到點、一點到多點、串行或并行、半雙工或全雙工、同步或異步傳輸?shù)男枰?。并行、半雙工或全雙工、同步或異步傳輸?shù)男枰?11物理層的主要功能如下：物理層的主要功能如下：其他管理工作其他管理工作 如如信道狀態(tài)評估信道狀

10、態(tài)評估、能量檢測能量檢測等等 12n具體的物理層協(xié)議比較復(fù)雜具體的物理層協(xié)議比較復(fù)雜 物理鏈接的方式很多物理鏈接的方式很多：可以是點到點的，也：可以是點到點的，也可以是多點連接或廣播連接?？梢允嵌帱c連接或廣播連接。 傳輸介質(zhì)種類非常多傳輸介質(zhì)種類非常多：如架空明線、平衡電：如架空明線、平衡電纜、同軸電纜、光纖、雙絞線和無線信道等。纜、同軸電纜、光纖、雙絞線和無線信道等。 13n通信所用的互連設(shè)備是指通信所用的互連設(shè)備是指數(shù)據(jù)終端設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備和和數(shù)據(jù)電路終數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備間的互連設(shè)備端設(shè)備間的互連設(shè)備。n具有一定數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備具有一定數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的

11、設(shè)備稱為稱為“數(shù)據(jù)終端設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備”，也稱為，也稱為“物理設(shè)備物理設(shè)備”，如，如計計算機算機、I IO O設(shè)備設(shè)備終端等；終端等；n介于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和傳輸介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)通信設(shè)備或介于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和傳輸介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)通信設(shè)備或電路連接設(shè)備，稱為電路連接設(shè)備，稱為“數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備”，如，如調(diào)制調(diào)制解調(diào)器解調(diào)器等。等。 14n物理層通信過程中，物理層通信過程中，數(shù)據(jù)終端設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備和和數(shù)據(jù)電路終端設(shè)數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備備之間應(yīng)該既有之間應(yīng)該既有數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)信息傳輸，也有傳輸，也有控制信息控制信息傳輸；傳輸；n制定相互之間的接口標準來協(xié)調(diào)工作。這些標準就是制定相互之間的接口標準來

12、協(xié)調(diào)工作。這些標準就是物理接口標準。物理接口標準。15通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述：通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述： 機械特性。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，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。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制比特流時，線路上信號它規(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。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

13、號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。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。 規(guī)程特性。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，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。包括各信號線的工作規(guī)則和時序。162 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、頻段的頻段的選擇選擇、調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)和和擴頻技術(shù)擴頻技術(shù)。 (1)(1)介質(zhì)和頻段選擇介質(zhì)

14、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，其中米波和光波等，其中無線電波無線電波在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。17 無線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠，可以穿過建筑無線電波是容易產(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。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

15、方向傳播信號的，它能向任意方向發(fā)送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很精確的對準。18192021 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源距離易地通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距離r r的增大而急劇減小，的增大而急劇減小，大致為大致為1/r1/r3 3。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，且受障礙物阻，且受障礙物阻擋的影響。

16、無線電波易受發(fā)動機和其它電子設(shè)備的干擾。擋的影響。無線電波易受發(fā)動機和其它電子設(shè)備的干擾。 另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，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，用戶之間的相互串?dāng)_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。使用授權(quán)規(guī)定。22(2)(2)調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) 調(diào)制和解調(diào)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

17、號。的頻率分量，稱為基帶信號。 基帶信號往往不能作為傳輸信號，因而要將基帶信號基帶信號往往不能作為傳輸信號，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。號稱為調(diào)制信號。23n調(diào)制技術(shù)通過改變高頻載波的調(diào)制技術(shù)通過改變高頻載波的幅度幅度、相位相位或或頻頻率率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化。，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化。n解調(diào)是將基帶信號從載波中提取出來以便預(yù)定解調(diào)是將基帶信號從載波中提取出來以便預(yù)定的

18、接收者的接收者(信宿信宿)處理和理解的過程。處理和理解的過程。24 調(diào)制對通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影調(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。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。分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。 25 模擬調(diào)制是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參模擬調(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量進行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。

19、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，變化。目前通信系統(tǒng)都在由模擬制式向數(shù)字制式過渡，因此因此數(shù)字調(diào)制已經(jīng)成為了主流的調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制已經(jīng)成為了主流的調(diào)制技術(shù)。26 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（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（Amplitude Amplitude Modulation, AMModulation, AM）、頻率調(diào)制（）、頻率調(diào)制（Frequency

20、Modulation, FMFrequency Modulation, FM）和相位）和相位調(diào)制（調(diào)制（Phase Modulation, PMPhase Modulation, PM）。）。 當(dāng)數(shù)字調(diào)制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時，由于該序列只存當(dāng)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，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控(Amplitude Shift Keying, (A

21、mplitude Shift Keying, ASKASK) )、頻移鍵控、頻移鍵控(Frequency Shift (Frequency Shift Keying, Keying, FSKFSK) )和相移鍵控和相移鍵控(Phase Shift Keying, (Phase Shift Keying, PSKPSK) )。27 20 20世紀世紀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、頻譜特性更好的數(shù)字調(diào)制方式。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

22、理想，因而目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(yīng)用的調(diào)制方法是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頻率鍵控和相位鍵控。鍵控。2829303132333435(3)(3)擴頻技術(shù)擴頻技術(shù)擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其擴頻通信技術(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)碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的

23、碼進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復(fù)所傳樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)。36(3)(3)擴頻技術(shù)擴頻技術(shù)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信號的頻譜被展寬了信號的頻譜被展寬了 n采用擴頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信采用擴頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜號頻譜 n在接受端用相關(guān)解調(diào)（或相干解調(diào)）在接受端用相關(guān)解調(diào)（或相干解調(diào)）來解擴來解擴37傳輸任何信息都需要一定的頻帶，稱為信息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頻帶寬度。例如：帶寬或基帶信號頻帶寬度。例如：n人類語音的信息帶寬為人類語音的信息帶寬為3003400Hz；n電視圖像信息帶寬為電

24、視圖像信息帶寬為6.5MHz。在通常通信系統(tǒng)中，為了提高頻帶利用率，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挼男盘杹韨鬏斝磐ǔ６际潜M量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘杹韨鬏斝畔ⅰ６鴶U頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達息。而擴頻通信的信號帶寬與信息帶寬之比則高達1001000，屬于寬帶通信。，屬于寬帶通信。38通過信號理論知道：通過信號理論知道：n在時間上是有限的信號，其頻譜是無限的；在時間上是有限的信號，其頻譜是無限的；n脈沖信號寬度越窄，其頻譜就越寬，近似成反比。脈沖信號寬度越窄，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，則因此，如很窄的脈沖序列被

25、所傳信息調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號?？僧a(chǎn)生很寬頻帶的信號。CDMA蜂窩網(wǎng)移動通信系蜂窩網(wǎng)移動通信系統(tǒng)就是采用直擴方式獲得擴頻信號的。這種很窄的統(tǒng)就是采用直擴方式獲得擴頻信號的。這種很窄的脈沖碼序列（其碼速率很高）稱為擴頻碼序列。所脈沖碼序列（其碼速率很高）稱為擴頻碼序列。所采用的擴頻碼序列與所傳的信息數(shù)據(jù)無關(guān)（它與一采用的擴頻碼序列與所傳的信息數(shù)據(jù)無關(guān)（它與一般的正弦載波信號類似），不影響信息傳輸?shù)耐该靼愕恼逸d波信號類似），不影響信息傳輸?shù)耐该餍?。擴頻碼序列僅僅起擴展信號頻譜的作用。性。擴頻碼序列僅僅起擴展信號頻譜的作用。39要用寬頻帶信號來傳輸窄帶信息，主要是為要用寬頻帶信號來傳輸窄帶信

26、息，主要是為了通信的安全可靠。擴頻通信的可行性，是從信息了通信的安全可靠。擴頻通信的可行性，是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。論和抗干擾理論的基本公式中引伸而來的。 1.信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)信息論中關(guān)于信息容量的香農(nóng)(Shannon)公公式為：式為： （1）式中，式中，C信道容量信道容量(用傳輸速率度量用傳輸速率度量) ，b/s； W信號頻帶寬度，信號頻帶寬度，Hz； S信號平均功率，信號平均功率，W； N噪聲平均功率，噪聲平均功率，W。 40結(jié)結(jié) 論論n在給定的傳輸速率在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度不變的條件下，頻帶寬度W和和信噪比信噪比SN是可以互換的。即可通過

27、增加頻帶寬是可以互換的。即可通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比情況下，傳輸信息。度的方法，在較低的信噪比情況下，傳輸信息。n擴展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴頻通信擴展頻譜換取信噪比要求的降低，正是擴頻通信的重要特點，并由此為擴頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)的重要特點，并由此為擴頻通信的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 41 擴頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：擴頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴頻直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)；跳頻跳頻(Fre

28、quency Hopping Spread Spectrum, FHSS)(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)；跳時跳時(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)；寬帶線性調(diào)頻擴頻寬帶線性調(diào)頻擴頻(chirp Spread Spectrum, chirp-SS(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，簡稱切普，簡稱切普擴頻擴頻) )。42直接序列擴頻直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum

29、)，簡稱直擴，簡稱直擴(DSSS)。所謂直擴，就是直接用具有高碼率的擴頻所謂直擴，就是直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜。而在收碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜。而在收端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。稍后展寬的擴頻信號還原成原始的信息。稍后將詳細介紹直擴原理。將詳細介紹直擴原理。 43跳頻擴頻跳頻擴頻(Frequency Hopping Spread (Frequency Hopping Spread Spectrum) Spectrum) ，簡稱跳頻，簡稱跳頻(FH-SS)(FH-SS)。所謂跳頻，比較確切的

30、意思是：用一定碼所謂跳頻，比較確切的意思是：用一定碼序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是序列進行選擇的多頻率頻移鍵控。也就是說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(diào)制，說，用擴頻碼序列去進行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。使載波頻率不斷地跳變，所以稱為跳頻。系統(tǒng)有幾個、幾十個、甚至上千個頻率、系統(tǒng)有幾個、幾十個、甚至上千個頻率、由所傳信息與擴頻碼的組合去進行選擇控由所傳信息與擴頻碼的組合去進行選擇控制，不斷跳變。所以，跳頻系統(tǒng)也占用了制，不斷跳變。所以，跳頻系統(tǒng)也占用了比信息帶寬要寬得多的頻帶。比信息帶寬要寬得多的頻帶。 44跳時跳時(Time Hopping (Time Hoppi

31、ng Spread SpectrumSpread Spectrum) ) ，簡稱跳時簡稱跳時(TH-SS)(TH-SS)。跳時是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時跳時是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時間軸分成許多時片。在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)射信間軸分成許多時片。在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制?？梢园烟鴷r理解號由擴頻碼序列去進行控制?？梢园烟鴷r理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。由于采用了很窄的時片去發(fā)送信號，相對控。由于采用了很窄的時片去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。簡單的跳時抗說來，信號的頻譜也就展寬了。簡單的跳時

32、抗干擾性不強，很少單獨使用。跳時通常都與其干擾性不強，很少單獨使用。跳時通常都與其他方式結(jié)合使用，組成各種混合方式。他方式結(jié)合使用，組成各種混合方式。 45 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)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)。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：擴頻技術(shù)的優(yōu)點包括：易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率; ;抗干擾性強，誤碼率低抗干擾性強，誤碼率低; ;隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小; ;可可以實現(xiàn)碼分

33、多址以實現(xiàn)碼分多址; ;抗多徑干擾抗多徑干擾; ;能精確地定時和測距能精確地定時和測距; ;適合數(shù)字話音和數(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)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù); ;安裝簡便，易于維護。安裝簡便，易于維護。463 3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點 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。此它包含了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點。 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計參數(shù)是成本和功耗，因而由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計參數(shù)是成本和功耗，因而物理層的設(shè)計對整個網(wǎng)絡(luò)的成功

34、運行來說是至關(guān)重要的。物理層的設(shè)計對整個網(wǎng)絡(luò)的成功運行來說是至關(guān)重要的。 采用了不適宜的調(diào)制方式、工作頻帶和編碼方案，即采用了不適宜的調(diào)制方式、工作頻帶和編碼方案，即使設(shè)計出的網(wǎng)絡(luò)能夠勉強完成預(yù)定的功能，也未必滿足推使設(shè)計出的網(wǎng)絡(luò)能夠勉強完成預(yù)定的功能，也未必滿足推廣應(yīng)用所需的成本和電池壽命方面的要求。廣應(yīng)用所需的成本和電池壽命方面的要求。473 3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點 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、紅外線紅外線和和光波光波三種類型。三種類型。 無線電波的通信限制較少，通常人們選擇無線電波的通信

35、限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療學(xué)和醫(yī)療”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, Scientific and Medical, ISM)ISM)頻段。頻段。 ISM ISM頻段的優(yōu)點：自由頻段，無須注冊，可選頻譜范頻段的優(yōu)點：自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實現(xiàn)起來靈活方便。圍大，實現(xiàn)起來靈活方便。ISMISM頻段的缺點主要是功率受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(yīng)用存在相互干擾問題限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。48 盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實現(xiàn)通信，譬如盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其

36、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(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。49n調(diào)制是無線通信系統(tǒng)的重要技術(shù)，它使得信號調(diào)制是無線通信系統(tǒng)的重要技術(shù)，它使得信號與信道匹配，增強電波的有效輻射，可以方便與信道匹配，增強電波的有效輻射，可以方便頻率分配、減小信號干擾；頻率分配、減小信號干擾；n擴頻通信具有很強的抗干擾能力，可進行多址擴頻通信具有很強的抗干擾能力，可進行多址通信，通信，安全性強安全性強，難以被敵方竊聽；，難以被敵方竊聽；n對于傳感器網(wǎng)絡(luò)來

37、說，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)和對于傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)和擴頻機制是實現(xiàn)可靠通信傳輸?shù)年P(guān)鍵擴頻機制是實現(xiàn)可靠通信傳輸?shù)年P(guān)鍵。 50物理層設(shè)計的重點問題物理層設(shè)計的重點問題 n調(diào)制機制：調(diào)制機制：低能耗和低成本的特點要求調(diào)制機制盡量低能耗和低成本的特點要求調(diào)制機制盡量設(shè)計簡單，使得能量消耗最低。但另一方面無線通信設(shè)計簡單，使得能量消耗最低。但另一方面無線通信本身的不可靠性，傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無線設(shè)備之間的本身的不可靠性，傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無線設(shè)備之間的無線電干擾，以及具體應(yīng)用的特殊需要使得調(diào)制機制無線電干擾，以及具體應(yīng)用的特殊需要使得調(diào)制機制必須具有較強的抗干擾能力。必須具有較強的抗干擾能力。

38、n與上層協(xié)議結(jié)合的跨層優(yōu)化設(shè)計：與上層協(xié)議結(jié)合的跨層優(yōu)化設(shè)計：物理層位于協(xié)議最物理層位于協(xié)議最底層，是整個協(xié)議棧的基礎(chǔ)。它的設(shè)計對各上層內(nèi)容底層，是整個協(xié)議棧的基礎(chǔ)。它的設(shè)計對各上層內(nèi)容的跨層優(yōu)化設(shè)計具有重要的影響，而跨層優(yōu)化設(shè)計是的跨層優(yōu)化設(shè)計具有重要的影響，而跨層優(yōu)化設(shè)計是傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的主要內(nèi)容。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的主要內(nèi)容。n硬件設(shè)計：硬件設(shè)計：在傳感器網(wǎng)絡(luò)的整個協(xié)議棧中，物理層與在傳感器網(wǎng)絡(luò)的整個協(xié)議棧中，物理層與硬件的關(guān)系最為密切，微型化、低功耗、低成本的傳硬件的關(guān)系最為密切，微型化、低功耗、低成本的傳感器單元、處理器單元和通信單元的有機集成是非常感器單元、處理器單元和通信單元

39、的有機集成是非常必要的。必要的。51傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計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頻段是一個很好的選擇。因為頻段是一個很好的選擇。因為ISMISM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。52ISM頻段的主要優(yōu)點頻段的主要優(yōu)點nISM是自由頻段，可用頻帶寬，并且在全球范是自由頻段，可用頻帶寬，并且在全球范圍內(nèi)都具有可用性圍內(nèi)都具有可用性；n沒有特定

40、的標準，給設(shè)計適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有特定的標準，給設(shè)計適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能策略帶來了更多的設(shè)計靈活性和空間。的節(jié)能策略帶來了更多的設(shè)計靈活性和空間。nISM頻段存在一些使用上的問題，例如功率限頻段存在一些使用上的問題，例如功率限制以及與現(xiàn)有的其他無線電應(yīng)用之間存在相互制以及與現(xiàn)有的其他無線電應(yīng)用之間存在相互干擾等。干擾等。53ISM可用頻段可用頻段54 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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。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紅外通信的主要缺點是穿透能力差，

41、要求發(fā)送者和接是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致紅外難以成為無線傳感器收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致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。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。55 對于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對通信傳輸介質(zhì)可對于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對通信傳輸介質(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)用會遇到信道不可靠和嚴如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會遇到信道不可靠和嚴重干擾等問題

42、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(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)制機制。調(diào)制機制。562 2、物理層幀結(jié)構(gòu)、物理層幀結(jié)構(gòu) 物理幀的第一個字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取物理幀的第一個字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取4 4，用于收發(fā)器進行碼片，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

43、同步結(jié)束，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(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字節(jié)的低幀長度字段通常由一個字節(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負負載的長度，因此它的后續(xù)載的長度，因此它的后續(xù)PHYPHY負載的長度不會超過負載的長度不會超過127127個字節(jié)。個字節(jié)。 物理幀物理幀PHYPHY的負載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的負載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY Service Data (PHY Service Data Unite,

44、 PSDU)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)，PSDUPSDU域是物理層的載荷域是物理層的載荷 。573 3、物理層設(shè)計技術(shù)、物理層設(shè)計技術(shù) 物理層需要考慮物理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率通信速率和和通信頻段通信頻段等問題：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、相移鍵控和各種擴頻技術(shù)。頻移鍵控、相移鍵控和各種擴頻技術(shù)。 提高數(shù)據(jù)傳輸速

45、率可減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間提高數(shù)據(jù)傳輸速率可減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，對于節(jié)能具有意，對于節(jié)能具有意義，但需要同時考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對誤碼的影響。一般用單個比特義，但需要同時考慮提高網(wǎng)絡(luò)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。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。58 在低速無線個域網(wǎng)在低速無線個域網(wǎng)(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4標準中，定義的物理層是標準中，定義的物理層是在在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個頻段都三個載波頻段

46、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。使用了直接序列擴頻方式。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標準非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，是傳感器網(wǎng)標準非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，是傳感器網(wǎng)絡(luò)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絡(luò)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，例如也相繼推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420無線通信芯片。無線通信芯片。59 總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，現(xiàn)有的物理總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，現(xiàn)有的物理層設(shè)計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式，在頻段選

47、擇上主要層設(shè)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集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波波段。段。60 MAC MAC協(xié)議協(xié)議MACMAC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，可能有多個節(jié)點設(shè)備同時接入信道，導(dǎo)致分組之間線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可能有多個節(jié)點設(shè)備同時接入信道，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)，從而浪費了信道資源，相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的

48、數(shù)據(jù)，從而浪費了信道資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。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)計介質(zhì)訪問控制為了解決這些問題，就需要設(shè)計介質(zhì)訪問控制(Medium Access (Medium Access ControlControl，MAC)MAC)協(xié)議。所謂協(xié)議。所謂MACMAC協(xié)議就是通過一組規(guī)則和過程來有效、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)有序和公平地使用共享介質(zhì)。61n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC協(xié)議決定著無線信道協(xié)議決定著無線信道的使用方式，用來在傳感器結(jié)點之間的使用方式，用來在傳感器結(jié)點之間分配有限分配有限的無線通信資源的無線通信資源，構(gòu)

49、建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)。nMAC協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對網(wǎng)絡(luò)性能有較大影響，是保證傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)性能有較大影響，是保證傳感器網(wǎng)絡(luò)高效高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一之一。62n傳感器結(jié)點的能量、存儲、計算和通信帶寬等傳感器結(jié)點的能量、存儲、計算和通信帶寬等資源有限，單個結(jié)點的功能比較弱，而資源有限，單個結(jié)點的功能比較弱，而傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò)的豐富功能是由眾多結(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)的豐富功能是由眾多結(jié)點協(xié)作實現(xiàn)的；n多點通信在多點通信在局部范圍局部范圍需要需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)相互之協(xié)議協(xié)調(diào)相互之間的無

50、線信道分配，在設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)的間的無線信道分配，在設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)義時，需要著重考慮以下幾個問題：協(xié)義時，需要著重考慮以下幾個問題：63n節(jié)省能量：節(jié)省能量：結(jié)點一般以干電池等提供能量，能量通常結(jié)點一般以干電池等提供能量，能量通常難以補充，為長時間保證網(wǎng)絡(luò)有效工作，難以補充，為長時間保證網(wǎng)絡(luò)有效工作，MAC協(xié)議在協(xié)議在滿足應(yīng)用要求前提下，應(yīng)盡量節(jié)省使用結(jié)點的能量。滿足應(yīng)用要求前提下，應(yīng)盡量節(jié)省使用結(jié)點的能量。n可擴展性：可擴展性：傳感器結(jié)點數(shù)目、分布密度等在網(wǎng)絡(luò)生存?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)點數(shù)目、分布密度等在網(wǎng)絡(luò)生存過程中不斷變化，結(jié)點位置也可能移動，還有新結(jié)點過程中不斷變化，結(jié)點位置也可能移動，還有

51、新結(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的問題，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)具有動態(tài)性。加入網(wǎng)絡(luò)的問題，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)具有動態(tài)性。MAC協(xié)議應(yīng)具有可擴展性，適應(yīng)動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)。協(xié)議應(yīng)具有可擴展性，適應(yīng)動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)。n網(wǎng)絡(luò)效率：網(wǎng)絡(luò)效率：網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實時性、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實時性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和帶寬利用率等。絡(luò)吞吐量和帶寬利用率等。n上述問題重要性依次遞減。由于傳感器結(jié)點本身不能上述問題重要性依次遞減。由于傳感器結(jié)點本身不能自動補充能量或能量補充不足，節(jié)約能量成為傳感器自動補充能量或能量補充不足，節(jié)約能量成為傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計的首要考慮因素。協(xié)議設(shè)計的首要考慮因素。64與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)M

52、AC協(xié)議的差異協(xié)議的差異n傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點能連續(xù)獲得能量供應(yīng)，整個傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點能連續(xù)獲得能量供應(yīng)，整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)的變化范圍和網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)的變化范圍和變化頻率都比較小，變化頻率都比較小，MAC協(xié)議協(xié)議重點考慮結(jié)點使重點考慮結(jié)點使用帶寬的公平性，提高帶寬的利用率和增加網(wǎng)用帶寬的公平性，提高帶寬的利用率和增加網(wǎng)絡(luò)的實時性絡(luò)的實時性。n傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)協(xié)議所注重的因素不同，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的議所注重的因素不同，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計適用于傳感器網(wǎng)適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)

53、的絡(luò)的MAC協(xié)議。協(xié)議。65網(wǎng)絡(luò)結(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點無線通信模塊的狀態(tài)n發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、偵聽狀態(tài)和睡眠狀態(tài)發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、偵聽狀態(tài)和睡眠狀態(tài)；n單位時間內(nèi)消耗能量按照上述順序依次減少，單位時間內(nèi)消耗能量按照上述順序依次減少，無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)消耗能量最多，在睡無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)消耗能量最多，在睡眠狀態(tài)消耗能量最少，接收狀態(tài)和偵聽狀態(tài)下眠狀態(tài)消耗能量最少，接收狀態(tài)和偵聽狀態(tài)下的能量消耗稍小于發(fā)送狀態(tài)。的能量消耗稍小于發(fā)送狀態(tài)。 66傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議無線信道使用策略協(xié)議無線信道使用策略n為減少能量消耗，采用為減少能量消耗，采用“偵聽偵聽/睡眠睡眠”交替策略，

54、有數(shù)交替策略，有數(shù)據(jù)收發(fā)時，開啟通信模塊進行發(fā)送或偵聽；沒有數(shù)據(jù)據(jù)收發(fā)時，開啟通信模塊進行發(fā)送或偵聽；沒有數(shù)據(jù)需要收發(fā)，控制通信模塊進入睡眠狀態(tài)，減少空閑偵需要收發(fā)，控制通信模塊進入睡眠狀態(tài)，減少空閑偵聽造成的能量消耗。聽造成的能量消耗。n為使結(jié)點睡眠時不錯過發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，或減少結(jié)點為使結(jié)點睡眠時不錯過發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，或減少結(jié)點的過度偵聽，的過度偵聽，結(jié)點間需協(xié)調(diào)它們的偵聽和睡眠周期結(jié)點間需協(xié)調(diào)它們的偵聽和睡眠周期。n采用基于競爭的采用基于競爭的MAC協(xié)議，要考慮發(fā)送協(xié)議，要考慮發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞的可能的可能，根據(jù)信道使用信息調(diào)整發(fā)送時機。，根據(jù)信道使用信息調(diào)整發(fā)送時機。MAC協(xié)議

55、協(xié)議應(yīng)簡單高效，避免協(xié)議本身開銷大、消耗過多能量。應(yīng)簡單高效，避免協(xié)議本身開銷大、消耗過多能量。 67(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信道；使用單一共享信道還是多個信道；(3) (3) 采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)目前傳感器網(wǎng)絡(luò)MACMAC協(xié)議可以按照下列條件進行分類：協(xié)議可以按照下列條件進行分類：68本書根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器本書根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的MACMAC協(xié)議分為以下三種：協(xié)議分為以下三種： (1)

56、(1) 時分復(fù)用無競爭接入方式。時分復(fù)用無競爭接入方式。 無線信道時分復(fù)用無線信道時分復(fù)用(TDMA)(TDMA)方式給每個傳方式給每個傳感器節(jié)點分配感器節(jié)點分配固定的無線信道固定的無線信道使用時段，避使用時段，避免節(jié)點之間相互干擾。免節(jié)點之間相互干擾。69 (2) (2) 隨機競爭接入方式。如果采用無線信隨機競爭接入方式。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)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。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典型的方法是采用載波偵聽多路訪問(CSMA)(CSMA)的的M

57、ACMAC協(xié)議。協(xié)議。70 (3) (3) 競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。通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(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實現(xiàn)過混合采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突的無線信道分配。節(jié)點間無沖突的無線信道分配。71 基于競爭的隨機訪問基于競爭的隨機訪問MACMAC協(xié)議采用按需使用協(xié)議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)信道的方式，它的基本思想是當(dāng)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

58、成功或放棄發(fā)送。到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。72 典型的基于競爭的隨機訪問典型的基于競爭的隨機訪問MACMAC協(xié)議是載波協(xié)議是載波偵聽多路訪問偵聽多路訪問(CSMA)(CSMA)接入方式。接入方式。 在無線局域網(wǎng)在無線局域網(wǎng)IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協(xié)議的分布協(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偵聽多路訪問(CSMA/CA)(CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競爭的協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)MACMAC協(xié)議的典型代表。協(xié)議的典型代表。73 CSMA/CACSMA/CA機制：機制： 在信號

59、傳輸之前，發(fā)射機先偵聽介質(zhì)中是否在信號傳輸之前，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)；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(luò)應(yīng)用的過程?，F(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程。 74n在在IEEE 802.11 MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計出了適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種出了適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種MAC協(xié)議協(xié)議。下面首先介紹。下面首先介紹IEEE 802.11

60、MAC協(xié)議協(xié)議的內(nèi)容，然后介紹一種適用于無線傳感的內(nèi)容，然后介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型器網(wǎng)絡(luò)的典型MAC協(xié)議。協(xié)議。75IEEE 802.11 MACIEEE 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(Distributed Coordination Function, DCF)(Distributed Coordination Function, DCF)和和點協(xié)點協(xié)調(diào)功能調(diào)功能(Point Coordination Function(Point Coordination Function