無線傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)習(xí)提綱

1、1無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2無無 線線 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò)有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)有基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)移動移動Ad hocAd hoc網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。456789101112第第3 3章章傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)133.1 3.1 物理層物理層3.1.1 3.1.1 物理層概述物理層概述1 1、物理層的基本概念、物理層的基本概念 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

2、進制比從定義可以看出，物理層的特點是負責(zé)在物理連接上傳輸二進制比特流，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。規(guī)程的特性。14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。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, Scientific and Medic

3、al, ISM)ISM)頻段。頻段。3 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152 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，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(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。 幀長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

4、理層PHYPHY負載的長度，因此它的后續(xù)負載的長度，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 (PHY Service Data Unite, PSDU)Data Unite, PSDU)，攜帶，攜帶PHYPHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDUPSDU域是物理層的載荷域是物理層的載荷 。3.1.2 3.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計163.2 MAC3.2 MAC協(xié)議協(xié)議3.2.1 MAC3.2.1

5、MAC協(xié)議概述協(xié)議概述介質(zhì)訪問控制介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)協(xié)議。所謂協(xié)議。所謂MACMAC協(xié)議就協(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)。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)。17 根據(jù)固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式，將傳感器根據(jù)固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式，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) (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(Time (Time Divi

6、sion Multiple AccessDivision Multiple Access，TDMA)TDMA)方式給每個傳感器節(jié)點分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。配固定的無線信道使用時段，避免節(jié)點之間相互干擾。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述18 (2) (2) 隨機競爭接入方式隨機競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機競爭。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減少節(jié)點間的干擾。典型的方法是采用

7、載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)CSMA)的的MACMAC協(xié)議。協(xié)議。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述19 (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，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突采用頻分復(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。的無線信道分配。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述20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)議是載波偵聽多

8、路訪問協(xié)議是載波偵聽多路訪問(CSMA)(CSMA)接入方接入方式。在無線局域網(wǎng)式。在無線局域網(wǎng)IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式中，就協(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采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA with Collision (CSMA with Collision AvoidanceAvoidance，CSMA/CACSMA/CA) )協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)MACMAC協(xié)議的典型協(xié)議的典型代表。代表。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述21 所

9、謂的所謂的CSMA/CACSMA/CA機制機制是指在信號傳輸之前，發(fā)射機先偵聽介質(zhì)中是否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)；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(luò)應(yīng)用的過程。制層的方案簡化了實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程。 3.2.1 MAC3.2.1 MAC協(xié)議概述協(xié)議概述223.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11

10、 MAC協(xié)議協(xié)議 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協(xié)議分為協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能分布式協(xié)調(diào)功能(DCF)(DCF)和和點協(xié)點協(xié)調(diào)功能調(diào)功能(PCF)(PCF)兩種訪問控制方式，其中兩種訪問控制方式，其中DCFDCF方式是方式是IEEE IEEE 802.11802.11協(xié)議的基本訪問控制方式。協(xié)議的基本訪問控制方式。 PCF PCF 通過訪問接入點來協(xié)調(diào)節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過設(shè)置通過訪問接入點來協(xié)調(diào)節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過設(shè)置好的一定間隔時間查詢當(dāng)前哪些節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送的請求。好的一定間隔時間查詢當(dāng)前哪些節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送的請求。 PCF PCF 是基于優(yōu)先級的無競爭訪問。是

11、基于優(yōu)先級的無競爭訪問。23 在在DCFDCF工作方式下，載波偵聽機制通過工作方式下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽物理載波偵聽和和虛虛擬載波偵聽擬載波偵聽來確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層來確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層提供，虛擬載波偵聽由提供，虛擬載波偵聽由MACMAC層提供。層提供。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議協(xié)議24 源節(jié)點在發(fā)出源節(jié)點在發(fā)出RTSRTS幀或幀或datadata幀后的一段時間內(nèi)沒有收到幀后的一段時間內(nèi)沒有收到CTSCTS應(yīng)答，則說明發(fā)送失敗，節(jié)點立即重傳未收到應(yīng)答的應(yīng)答，則說明發(fā)送失敗，節(jié)點立即

12、重傳未收到應(yīng)答的RTSRTS幀或幀或datadata幀。幀。 如果如果3 3次發(fā)送仍未收到應(yīng)答，節(jié)點放棄發(fā)送，轉(zhuǎn)入睡眠次發(fā)送仍未收到應(yīng)答，節(jié)點放棄發(fā)送，轉(zhuǎn)入睡眠，在下一個偵聽周期醒來重新競爭信道。，在下一個偵聽周期醒來重新競爭信道。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議協(xié)議253.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC協(xié)議協(xié)議 S-MAC S-MAC協(xié)議協(xié)議(Sensor MAC)(Sensor MAC)是在是在802.1l MAC802.1l MAC協(xié)議的基礎(chǔ)協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的

13、。上，針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的。 S-MAC S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進行數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的忍一定程度的通信延遲通信延遲。 它的設(shè)計目標是提供良好的擴展性，減少節(jié)點能耗。它的設(shè)計目標是提供良好的擴展性，減少節(jié)點能耗。26 通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原因：因： 空閑監(jiān)聽空閑監(jiān)聽 ：節(jié)點等待接收：節(jié)點等待接收 數(shù)據(jù)沖突數(shù)據(jù)沖突 ：相鄰節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)：相鄰節(jié)點

14、同時發(fā)送數(shù)據(jù) 串?dāng)_串?dāng)_ ：接收和處理無關(guān)數(shù)據(jù)：接收和處理無關(guān)數(shù)據(jù) 控制開銷控制開銷 ：RTSRTS，CTSCTS，ACKACK3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC協(xié)議協(xié)議27 （1 1）周期性偵聽和睡眠機制）周期性偵聽和睡眠機制 S-MACS-MAC協(xié)議將時間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)協(xié)議將時間分為幀，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)時間要睡眠階段的持續(xù)時間要根據(jù)應(yīng)用情況進行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線根據(jù)應(yīng)用情況進行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省

15、能量。電波，以節(jié)省能量。 相鄰節(jié)點之間盡量保持各自的監(jiān)聽相鄰節(jié)點之間盡量保持各自的監(jiān)聽/ /睡眠時間表一致（睡眠時間表一致（時時間同步間同步）。）。 具有相同時間表的節(jié)點組成一個具有相同時間表的節(jié)點組成一個虛擬簇虛擬簇。3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC協(xié)議協(xié)議通過廣播通過廣播SYNC包保持同步包保持同步某些節(jié)點可以同時屬于兩個或多個虛擬簇某些節(jié)點可以同時屬于兩個或多個虛擬簇28 （2 2）流量自適應(yīng)偵聽機制）流量自適應(yīng)偵聽機制 3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC協(xié)議協(xié)議29 （3 3）沖突和串音避免機制）沖突

16、和串音避免機制 為了減少沖突和避免串音，為了減少沖突和避免串音，S-MACS-MAC協(xié)議采用了與協(xié)議采用了與802.11 MAC802.11 MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機制，以及協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機制，以及RTS/CTSRTS/CTS握手交互機握手交互機制。兩者的區(qū)別在于當(dāng)鄰居節(jié)點處于通信過程時，執(zhí)行制。兩者的區(qū)別在于當(dāng)鄰居節(jié)點處于通信過程時，執(zhí)行S-MACS-MAC協(xié)協(xié)議的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。議的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC協(xié)議協(xié)議30（4 4）消息傳遞機制）消息傳遞機制 由于無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比

17、，短消息傳輸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。成功的概率要大于長消息。 將長消息分為若干個短消息，采用一次將長消息分為若干個短消息，采用一次RTS/CTSRTS/CTS交互的握交互的握手機制預(yù)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。手機制預(yù)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。率。3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC協(xié)議協(xié)議313.3 3.3 路由協(xié)議路由協(xié)議3.3.1 3.3.1 路由

18、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)點向目的節(jié)是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)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。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(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的路由協(xié)議負責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它包括兩個功能：節(jié)點，它包括兩個功能： 尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(yōu)化路徑；尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的優(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)。323.3.2 3.3.2 典型路由協(xié)議：定向擴散路由典型路由協(xié)議：定向擴散路由 定向擴

19、散（定向擴散（Directed DiffusionDirected Diffusion，DDDD）路由協(xié)議是一種基）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機制。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?wù)，采用洪泛方式傳播擴散節(jié)點通過興趣信息發(fā)出查詢?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式傳播興趣信息到整個區(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(wù)，表達了網(wǎng)絡(luò)用戶對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)感興趣息用來表示查詢的任務(wù)，表達了網(wǎng)絡(luò)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)。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)。 33 定

20、向擴散路由機制可以分為定向擴散路由機制可以分為周期性的興趣擴散周期性的興趣擴散、梯度建梯度建立立和和路徑加強路徑加強三個階段三個階段: : 源匯聚節(jié)點（a)興趣傳播源匯聚節(jié)點（b)梯度建立源匯聚節(jié)點（c)加強路徑3.3.2 3.3.2 典型路由協(xié)議：定向擴散路由典型路由協(xié)議：定向擴散路由34（1 1）興趣擴散階段）興趣擴散階段3.3.2 3.3.2 典型路由協(xié)議：定向擴散路由典型路由協(xié)議：定向擴散路由35（2 2）數(shù)據(jù)傳播階段）數(shù)據(jù)傳播階段3.3.2 3.3.2 典型路由協(xié)議：定向擴散路由典型路由協(xié)議：定向擴散路由36（3 3）路徑加強階段）路徑加強階段3.3.2 3.3.2 典型路由協(xié)議：定

21、向擴散路由典型路由協(xié)議：定向擴散路由37第第4 4章章傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)38傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)主要包括：傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)主要包括：l時間同步機制時間同步機制l定位技術(shù)定位技術(shù)l數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合l能量管理能量管理l安全機制安全機制第第4 4章章 傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)394.1 4.1 時間同步機制時間同步機制4.1.1 4.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制1 1、傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的意義、傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的意義 在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，每個傳感器節(jié)點都有自己的本地在分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，每個傳感器節(jié)點都有自

22、己的本地時鐘。不同節(jié)點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及溫度、濕度和電磁波的時鐘。不同節(jié)點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及溫度、濕度和電磁波的干擾等都會造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的運行時間偏差。干擾等都會造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的運行時間偏差。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制的意義和作用主要體現(xiàn)在如下兩方面：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制的意義和作用主要體現(xiàn)在如下兩方面： （1 1）傳感器節(jié)點通常需要彼此協(xié)作，去完成復(fù)雜的監(jiān)測和感知任務(wù)。）傳感器節(jié)點通常需要彼此協(xié)作，去完成復(fù)雜的監(jiān)測和感知任務(wù)。數(shù)據(jù)融合是協(xié)作操作的典型例子，不同的節(jié)點采集的數(shù)據(jù)最終融合形成了數(shù)據(jù)融合是協(xié)作操作的典型例子，不同的節(jié)點采集的數(shù)據(jù)最終融合形成了一個

23、有意義的結(jié)果。一個有意義的結(jié)果。 （2 2）傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)能方案是利用時間同步來實現(xiàn)的。）傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些節(jié)能方案是利用時間同步來實現(xiàn)的。40通信模型通信模型n節(jié)點時間校正技術(shù)是節(jié)點時間校正技術(shù)是WSN時間同步的核心和基礎(chǔ)。目前時間同步的核心和基礎(chǔ)。目前主要的時間校正技術(shù)有單向報文傳遞、雙向報文交換、廣主要的時間校正技術(shù)有單向報文傳遞、雙向報文交換、廣播參考報文播參考報文等等技術(shù)技術(shù)。n單向報文傳遞單向報文傳遞n如果知道如果知道d的上界和下界，則的上界和下界，則d=(dmax+dmin)/2n這種時間校正技術(shù)的精度最低，因為它假設(shè)報文傳遞過程這種時間校正技術(shù)的精度最低，因為它假設(shè)報文傳遞過

24、程中只有傳播延時，忽略了無線信道的許多不確定因素的影中只有傳播延時，忽略了無線信道的許多不確定因素的影響。響。4.1.1 4.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制d41n雙向報文交換雙向報文交換n設(shè)設(shè)報文的往返時間為報文的往返時間為D=Tib-Tia ，報文的傳遞時延，報文的傳遞時延d在在0D之間。如果知道之間。如果知道d的上界的上界dmax和下界和下界dmin，節(jié)點，節(jié)點j可以確可以確定定d在在Ddmax到到D-dmin之間。之間。4.1.1 4.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制42廣播參考報文廣播參考報文4.1.1 4.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同

25、步機制傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制43時鐘同步的誤差來源時鐘同步的誤差來源n同步信息的時延包括同步信息的時延包括n協(xié)議發(fā)送時延協(xié)議發(fā)送時延n接入時延接入時延n發(fā)送時延發(fā)送時延n傳播時延傳播時延n接收時延接收時延n接收處理時延接收處理時延4.1.1 4.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制44nRBS參考廣播同步機制參考廣播同步機制n接收者接收者接收者接收者同步機制同步機制n基本思想是多個節(jié)點接收同一個同步信號，然后多個基本思想是多個節(jié)點接收同一個同步信號，然后多個收到同步信號的節(jié)點之間進行同步。這種同步算法消收到同步信號的節(jié)點之間進行同步。這種同步算法消除了同步信號發(fā)送一方的時

26、間不確定性。這種同步協(xié)除了同步信號發(fā)送一方的時間不確定性。這種同步協(xié)議的缺點是協(xié)議開銷大。議的缺點是協(xié)議開銷大。4.1.1 4.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制454.1.2 TPSN4.1.2 TPSN時間同步協(xié)議時間同步協(xié)議 TPSN協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先將所有節(jié)點按照協(xié)議采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先將所有節(jié)點按照層次結(jié)構(gòu)進行分級，然后每個節(jié)點與上一級的一個節(jié)點進行層次結(jié)構(gòu)進行分級，然后每個節(jié)點與上一級的一個節(jié)點進行時間同步，最終所有節(jié)點都與根節(jié)點時間同步。節(jié)點對之間時間同步，最終所有節(jié)點都與根節(jié)點時間同步。節(jié)點對之間的時間同步是基于的時間同步是基于發(fā)送者發(fā)送者-

27、接收者接收者的同步機制。的同步機制。46 1、TPSN協(xié)議的操作過程協(xié)議的操作過程TPSN協(xié)議包括兩個階段：協(xié)議包括兩個階段：第一個階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點賦予一個級別，根節(jié)第一個階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點賦予一個級別，根節(jié)點賦予最高級別第點賦予最高級別第0級，第級，第i級的節(jié)點至少能夠與一個第（級的節(jié)點至少能夠與一個第（i1）級的節(jié)點通信；級的節(jié)點通信；第二個階段實現(xiàn)所有樹節(jié)點的時間同步，第第二個階段實現(xiàn)所有樹節(jié)點的時間同步，第1級節(jié)點同步到級節(jié)點同步到根節(jié)點，第根節(jié)點，第i級的節(jié)點同步到第（級的節(jié)點同步到第（i1）級的一個節(jié)點，最終）級的一個節(jié)點，最終所有節(jié)點都同步到根節(jié)點，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)

28、的時間同步。所有節(jié)點都同步到根節(jié)點，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN時間同步協(xié)議時間同步協(xié)議47 2、相鄰級別節(jié)點間的同步機制、相鄰級別節(jié)點間的同步機制 鄰近級別的兩個節(jié)點對間通過交換兩個消息實現(xiàn)時間鄰近級別的兩個節(jié)點對間通過交換兩個消息實現(xiàn)時間同步。同步。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN時間同步協(xié)議時間同步協(xié)議i-1級級i級級105926?151548n優(yōu)點優(yōu)點n減少同步誤差減少同步誤差 TPSN TPSN同步協(xié)議在同步協(xié)議在MACMAC層消息開始發(fā)層消息開始發(fā)送到無線信道是才給消息添加時標，消除了訪問送到無線信道是才給消息添加時標，消除了訪問時間帶來

29、的時間同步誤差。時間帶來的時間同步誤差。n提高同步精度提高同步精度 考慮了傳播時間和接收時間，利用考慮了傳播時間和接收時間，利用雙向消息交換計算消息的平均延遲，提高了時間雙向消息交換計算消息的平均延遲，提高了時間同步的精度。同步的精度。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN時間同步協(xié)議時間同步協(xié)議49n缺點缺點n沒有考慮根節(jié)點失效問題。沒有考慮根節(jié)點失效問題。n新的節(jié)點加入時，需要初始化層次發(fā)現(xiàn)階段，級新的節(jié)點加入時，需要初始化層次發(fā)現(xiàn)階段，級別的靜態(tài)特性減少了算法的魯棒性。別的靜態(tài)特性減少了算法的魯棒性。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN時間同步協(xié)議時間同步協(xié)議50n使用范圍使用范圍

30、nTPSN能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)節(jié)點間的時間同能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)節(jié)點間的時間同步，同步誤差與跳數(shù)距離成正比。步，同步誤差與跳數(shù)距離成正比。4.1.2 TPSN4.1.2 TPSN時間同步協(xié)議時間同步協(xié)議511 1、測距方法、測距方法(1)(1)接收信號強度指示接收信號強度指示(RSSI)(RSSI)4.2.2 4.2.2 基于測距的定位技術(shù)基于測距的定位技術(shù)52(2)(2)到達時間到達時間/ /到達時間差到達時間差(ToA/TDoA(ToA/TDoA) 這類方法通過測量傳輸時間來估算兩節(jié)點之間距離，精度這類方法通過測量傳輸時間來估算兩節(jié)點之間距離，精度較好。較好。 ToA ToA機制是已知信號的傳

31、播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計機制是已知信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離。算節(jié)點間的距離。4.2.2 4.2.2 基于測距的定位技術(shù)基于測距的定位技術(shù)53(3)(3)到達角到達角(AoA)(AoA) 該方法通過配備特殊天線來估測其它節(jié)點發(fā)射的無線信該方法通過配備特殊天線來估測其它節(jié)點發(fā)射的無線信號的到達角度。號的到達角度。 AoA AoA測距技術(shù)易受外界環(huán)境影響，且需要額外硬件，它的測距技術(shù)易受外界環(huán)境影響，且需要額外硬件，它的硬件尺寸和功耗指標不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在某些硬件尺寸和功耗指標不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮作用。應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮作用。

32、4.2.2 4.2.2 基于測距的定位技術(shù)基于測距的定位技術(shù)542 2、多邊定位、多邊定位 多邊定位法基于距離測量多邊定位法基于距離測量( (如如RSSIRSSI、ToA/TDoA)ToA/TDoA)的結(jié)果。的結(jié)果。確定二維坐標至少具有三個節(jié)點至錨點的距離值；確定三確定二維坐標至少具有三個節(jié)點至錨點的距離值；確定三維坐標，則需四個此類測距值。維坐標，則需四個此類測距值。 4.2.2 4.2.2 基于測距的定位技術(shù)基于測距的定位技術(shù)55第第5章章傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)56第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述概述nZigBeeZigBee是一

33、種開放式的基于是一種開放式的基于IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4協(xié)定協(xié)定的無線個人局域網(wǎng)的無線個人局域網(wǎng)(Wireless Personal Area (Wireless Personal Area Networks)Networks)標準。標準。 IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4定義了物理層定義了物理層和媒體接入控制層，而和媒體接入控制層，而ZigBeeZigBee則定義了更高層如則定義了更高層如網(wǎng)路層及應(yīng)用層等。網(wǎng)路層及應(yīng)用層等。nZigBeeZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線

34、通訊技術(shù)。低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。57第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述概述nZigBeeZigBee可工作在可工作在2.14GHz(2.14GHz(全球流行全球流行) )、868MHz(868MHz(歐洲流行歐洲流行) ) 和和915 MHz(915 MHz(美國流行美國流行)3)3個頻段上個頻段上, ,分別具有最高分別具有最高250kbit/s250kbit/s、20kbit/s20kbit/s和和40kbit/s40kbit/s的傳輸速率的傳輸速率, ,它的傳輸距離在它的傳輸距離在10-10-75m75m的范圍內(nèi)的范圍內(nèi), , 但可以繼續(xù)增加

35、但可以繼續(xù)增加 。58第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述概述nZigBeeZigBee具體如下技術(shù)特點：具體如下技術(shù)特點： 1. 1. 低功耗低功耗 2. 2. 低成本低成本 59第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述概述 3. 3. 時延短時延短 4. 4. 網(wǎng)絡(luò)容量大網(wǎng)絡(luò)容量大 一個星型結(jié)構(gòu)的一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBeeZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254254個從設(shè)備和一個主設(shè)備個從設(shè)備和一個主設(shè)備, , 一個區(qū)域內(nèi)可一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多以同時存在最多100100個個ZigBeeZigBee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò),

36、, 而且網(wǎng)而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的絡(luò)組成靈活。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZigBeeZigBee網(wǎng)絡(luò)中可網(wǎng)絡(luò)中可有有6500065000多個節(jié)點。多個節(jié)點。60第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.1ZigBee概述概述 5. 5. 可靠可靠 6. 6. 安全安全 ZigBeeZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)(CRC)的數(shù)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能據(jù)包完整性檢查功能, ,支持鑒權(quán)和認證支持鑒權(quán)和認證, , 采采用了用了AES-128AES-128的加密算法的加密算法61第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系技術(shù)體系nZigBe

37、eZigBee設(shè)備類型設(shè)備類型 1. ZigBee1. ZigBee協(xié)調(diào)器（協(xié)調(diào)器（CoordinatorCoordinator） 2. ZigBee2. ZigBee路由器（路由器（RouterRouter） 3. ZigBee3. ZigBee終端設(shè)備（終端設(shè)備（End-deviceEnd-device） 一個一個ZigbeeZigbee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由器和多個終端設(shè)備節(jié)點組成路由器和多個終端設(shè)備節(jié)點組成。62第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系技術(shù)體系lZigBeeZigBee協(xié)調(diào)器（協(xié)調(diào)器（Coordinat

38、orCoordinator）l協(xié)調(diào)器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)PANID，隨后啟動整個網(wǎng)絡(luò)。隨后啟動整個網(wǎng)絡(luò)。63第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系技術(shù)體系lZigBeeZigBee路由器（路由器（RouterRouter）64第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系技術(shù)體系lZigBeeZigBee終端設(shè)備（終端設(shè)備（End-deviceEnd-device）l一個終端設(shè)備對于維護這個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有具體的一個終端設(shè)備對于維護這個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有具體的責(zé)任責(zé)任, ,所以它可以睡眠和喚配，看它自己的選擇所

39、以它可以睡眠和喚配，看它自己的選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點。因此它能作為電池供電節(jié)點。65第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系技術(shù)體系nZigBeeZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) ZigBeeZigBee支持三種自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即支持三種自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)星型結(jié)構(gòu)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)(Mesh)和和簇狀結(jié)構(gòu)簇狀結(jié)構(gòu)(ClusterTree)(ClusterTree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。統(tǒng)可靠性。66第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.

40、2ZigBee技術(shù)體系技術(shù)體系星型星型網(wǎng)狀型網(wǎng)狀型簇狀型簇狀型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器全功能設(shè)備全功能設(shè)備(FFD,Router):(FFD,Router):可以支持可以支持任何一種拓撲結(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)任何一種拓撲結(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設(shè)備進行通信任何一種設(shè)備進行通信精簡功能設(shè)備精簡功能設(shè)備(RFD):(RFD):只支持星型結(jié)只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者，可以和構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。67第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系技

41、術(shù)體系l協(xié)調(diào)器負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)，同時它也可協(xié)調(diào)器負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)，同時它也可作為與其它類型網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點（網(wǎng)關(guān)）作為與其它類型網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點（網(wǎng)關(guān)）。l構(gòu)成協(xié)調(diào)器和路由器的器件必須是全功能構(gòu)成協(xié)調(diào)器和路由器的器件必須是全功能器件（器件（FFD），而構(gòu)成終端設(shè)備的器件可），而構(gòu)成終端設(shè)備的器件可以是全功能器件，也可是簡約功能器件（以是全功能器件，也可是簡約功能器件（RFD).68第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.2ZigBee技術(shù)體系技術(shù)體系lZigBeeZigBee采用的路由算法采用的路由算法lZigBeeZigBee采用按需路由算法采用按需路由算法AODVAODV。69

42、第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧協(xié)議棧n地址類型地址類型lZigBee設(shè)備有兩種類型的地址：設(shè)備有兩種類型的地址：l64位位IEEE地址（地址（MAC地址），全球唯一，設(shè)地址），全球唯一，設(shè)備將在其生命周期內(nèi)一直擁有它。備將在其生命周期內(nèi)一直擁有它。MAC地址通地址通常由制造商或者被安裝時設(shè)置。這些地址由常由制造商或者被安裝時設(shè)置。這些地址由IEEE 維護和分配。維護和分配。 l16 位網(wǎng)絡(luò)地址，即短地址。當(dāng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)位網(wǎng)絡(luò)地址，即短地址。當(dāng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后分配短地址，在網(wǎng)絡(luò)中唯一，用來在網(wǎng)絡(luò)中后分配短地址，在網(wǎng)絡(luò)中唯一，用來在網(wǎng)絡(luò)中鑒別設(shè)備和發(fā)送或接

43、收數(shù)據(jù)。鑒別設(shè)備和發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。 70第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧協(xié)議棧nZ-Stack網(wǎng)絡(luò)地址分配網(wǎng)絡(luò)地址分配l每個每個ZigBee設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時，從其父設(shè)備那里獲得一設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時，從其父設(shè)備那里獲得一個網(wǎng)絡(luò)地址（短地址）個網(wǎng)絡(luò)地址（短地址） lMAX_DEPTH網(wǎng)絡(luò)的最大深度，協(xié)調(diào)器深度為網(wǎng)絡(luò)的最大深度，協(xié)調(diào)器深度為 0。lMAX_CHILDREN路由器或協(xié)調(diào)器節(jié)點最大個數(shù)。路由器或協(xié)調(diào)器節(jié)點最大個數(shù)。lMAX_ROUTER決定路由器或協(xié)調(diào)器可以處理的具有路決定路由器或協(xié)調(diào)器可以處理的具有路由功能的子節(jié)點的最大個數(shù)，是由功能的子節(jié)點的最大個

44、數(shù)，是MAX_CHILDREN 的的一個子集，終端節(jié)點使用一個子集，終端節(jié)點使用MAX_CHILDREN MAX_ROUTER剩下的地址空間。剩下的地址空間。 71第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧協(xié)議棧nZ-Stack網(wǎng)絡(luò)地址分配網(wǎng)絡(luò)地址分配l兄弟節(jié)點之間的地址間隔兄弟節(jié)點之間的地址間隔Cskip的計算的計算: lCm: 一個父節(jié)點可擁有的最多子節(jié)點數(shù)；一個父節(jié)點可擁有的最多子節(jié)點數(shù)；lRm: 一個父節(jié)點可擁有的最多路由節(jié)點數(shù)；一個父節(jié)點可擁有的最多路由節(jié)點數(shù)；lLm: 網(wǎng)絡(luò)的最大深度；網(wǎng)絡(luò)的最大深度；ld : 該設(shè)備深度。該設(shè)備深度。 Rm1R*Cm

45、RmCm11Rm);1dLm(*Cm11dLmm)d(Cskip72第第1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.3Z-Stack協(xié)議棧協(xié)議棧nCskip位置配置范例位置配置范例l最多路由節(jié)點最多路由節(jié)點 = 4l最多子節(jié)點最多子節(jié)點 = 4l最大深度最大深度 = 3CRRRRRRRRREAddr=0Addr=1 Addr=22 Addr=43Addr=64Addr=2Addr=23Addr=28Addr=65Addr=70Addr=6673nPANID設(shè)置設(shè)置n若若PANID0 xFFFF，則協(xié)調(diào)器隨機生成，則協(xié)調(diào)器隨機生成PANID，否則，使用指定的，否則，使用指定的PANID。第第

46、1節(jié)節(jié) ZigBee協(xié)議棧原理協(xié)議棧原理5.1.4SappWsn工程工程74n步進電機電路步進電機電路第第2節(jié)節(jié) 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件開發(fā)節(jié)點的硬件開發(fā)3、傳感器節(jié)點的開發(fā)實例、傳感器節(jié)點的開發(fā)實例75n步進電機電路四相步進電機步進電機電路四相步進電機n半步模式下的脈沖分配：半步模式下的脈沖分配：n若按相反順序產(chǎn)生脈沖，則電機反轉(zhuǎn)若按相反順序產(chǎn)生脈沖，則電機反轉(zhuǎn)第第2節(jié)節(jié) 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件開發(fā)節(jié)點的硬件開發(fā)3、傳感器節(jié)點的開發(fā)實例、傳感器節(jié)點的開發(fā)實例1 2 3 4 5 6 7 8A 0 0 1 1 1 0 0 0B 1 0 0 0 0 0 1 1C 0 0 0 0 1 1 1 0D 1 1

47、1 0 0 0 0 076n步進電機電路四相步進電機步進電機電路四相步進電機n整步模式下的脈沖分配整步模式下的脈沖分配n若按相反順序產(chǎn)生脈沖，則電機反轉(zhuǎn)。若按相反順序產(chǎn)生脈沖，則電機反轉(zhuǎn)。1357A0100B1011C0011D1101第第2節(jié)節(jié) 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件開發(fā)節(jié)點的硬件開發(fā)3、傳感器節(jié)點的開發(fā)實例、傳感器節(jié)點的開發(fā)實例77第第6章章傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標準傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標準786.2IEEE802.15.4標準標準6.2.1 IEEE 802.156.2.1 IEEE 802.15標準概述標準概述n802.15.1 802.15.1 藍牙無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標準，中速、近距離，藍牙

48、無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標準，中速、近距離，適用于手機、適用于手機、PDAPDA等。等。l802.15.4802.15.4 低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，低能耗，低速率和低低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，低能耗，低速率和低成本，針對個人和家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備間的低速傳輸。成本，針對個人和家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備間的低速傳輸。79nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4標準定義的標準定義的LR-WPANLR-WPAN網(wǎng)絡(luò)特點：網(wǎng)絡(luò)特點：l在不同的載波頻率下實現(xiàn)在不同的載波頻率下實現(xiàn)20kbps20kbps、40kbps40kbps和和250kbps250kbps三三種不同的傳輸速率；種不同的傳輸速率；l有有1616

49、位和位和6464位兩種地址格式，其中位兩種地址格式，其中6464位地址是全球惟位地址是全球惟一的擴展地址；一的擴展地址；l支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)(CSMA-CA)(CSMA-CA)；l支持確認機制，保證傳輸可靠性。支持確認機制，保證傳輸可靠性。6.2IEEE802.15.4標準標準6.2.1 IEEE 802.15.46.2.1 IEEE 802.15.4標準概述標準概述80nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4標準規(guī)定物理層任務(wù)：標準規(guī)定物理層任務(wù)：l激活和休眠射頻收發(fā)器；激活和休眠射頻收發(fā)器；l信道能量檢測：測量目標信道中接收信號的功率

50、強調(diào)，信道能量檢測：測量目標信道中接收信號的功率強調(diào)，檢測結(jié)果為有效信號和噪聲信號功率之和；檢測結(jié)果為有效信號和噪聲信號功率之和；l檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示(LQI)(LQI)，得出信噪比指，得出信噪比指標；標；l空閑信道評估；空閑信道評估；l收發(fā)數(shù)據(jù)。收發(fā)數(shù)據(jù)。6.2IEEE802.15.4標準標準6.2.2 6.2.2 物理層標準物理層標準81nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4標準定義的信道標準定義的信道n0-260-26共共2727個；跨越個；跨越3 3個頻段，具體包括個頻段，具體包括2.4GHz2.4GHz頻段的頻段的1616個個信道

51、、信道、915MHz915MHz頻段的頻段的1010個信道、個信道、868MHz868MHz頻段的頻段的1 1個信道。個信道。n信道的頻段中心定義信道的頻段中心定義 ( (其中其中k k表示信道編號表示信道編號) )： f fc c = 868.3MHz k = 0= 868.3MHz k = 0 f fc c = 906 + 2= 906 + 2(k(k1)MHz k = 11)MHz k = 1，2 2，1010 f fc c = 2405 + 5= 2405 + 5(k(k11)MHz k = 1111)MHz k = 11，1212，26266.2IEEE802.15.4標準標準6.2

52、.2 6.2.2 物理層標準物理層標準82 頻帶頻帶 使用范圍使用范圍 數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率 信道數(shù)信道數(shù)2.4 GHz ISM2.4 GHz ISM 全世界全世界 250 kbps 16250 kbps 16868 MHz868 MHz 歐洲歐洲 20 kbps 120 kbps 1915 MHz ISM915 MHz ISM 北美北美 40 kbps 1040 kbps 106.2IEEE802.15.4標準標準6.2.2 6.2.2 物理層標準物理層標準832 2、物理層幀結(jié)構(gòu)、物理層幀結(jié)構(gòu)n前導(dǎo)碼由前導(dǎo)碼由3232個個0 0組成，用于收發(fā)器之間進行同步。組成，用于收發(fā)器之間進行同步。n

53、幀起始定界符（幀起始定界符（SFDSFD）域由）域由8 8位組成，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)位組成，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。包開始傳輸。SFDSFD與前導(dǎo)碼構(gòu)成同步頭。與前導(dǎo)碼構(gòu)成同步頭。n幀長度由幀長度由7 7位組成，表示物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（位組成，表示物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDUPSDU）的字）的字節(jié)數(shù)。幀長度域和節(jié)數(shù)。幀長度域和1 1位的保留位構(gòu)成了物理頭。位的保留位構(gòu)成了物理頭。nPSDUPSDU域是變長的，攜帶域是變長的，攜帶PHYPHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，包含介質(zhì)訪問數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，包含介質(zhì)訪問控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元。控制協(xié)議數(shù)據(jù)單元。PSDUPSDU域是物理層的載荷。域是物理層的載荷。4字節(jié)字節(jié)1字

54、節(jié)字節(jié)1字節(jié)字節(jié)變變 長長前導(dǎo)碼前導(dǎo)碼SFD幀長度幀長度(7位位)保留位保留位(1位位)PSDU同步頭同步頭物理幀頭物理幀頭PHY負載負載6.2IEEE802.15.4標準標準6.2.2 6.2.2 物理層標準物理層標準0 xA7 127字節(jié)承載MAC幀846.2IEEE802.15.4標準標準6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準nMACMAC層需要處理接入到物理無線信道等事務(wù)，并負責(zé)下列層需要處理接入到物理無線信道等事務(wù)，并負責(zé)下列的任務(wù)：的任務(wù)：l能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標（如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器）能產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標（如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器）l與信標保持同步與信標保持同步l支持支持PANPAN（個人局域網(wǎng)

55、）的連接和斷開連接（個人局域網(wǎng)）的連接和斷開連接l支持設(shè)備的安全性支持設(shè)備的安全性l信道接入采用信道接入采用CSMA-CACSMA-CA接入機制接入機制l處理和維護處理和維護GTS(GTS(保護時隙保護時隙) )機制機制l在對等的在對等的MACMAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路（單跳）實體之間提供一個可靠的通信鏈路（單跳）856.2IEEE802.15.4標準標準6.2.3 MAC6.2.3 MAC層標準層標準MACMAC層定義了四種幀結(jié)構(gòu)，其長度不超過層定義了四種幀結(jié)構(gòu)，其長度不超過127127字節(jié)：字節(jié)：l信標幀信標幀l數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀l確認幀確認幀l命令幀命令幀86nZigBee無線設(shè)備工

56、作在公共頻段上無線設(shè)備工作在公共頻段上(全球全球2.4GHz、美國、美國915MHz、歐洲、歐洲868MHz)，傳輸距離為，傳輸距離為1075m，具體數(shù)，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境和特定應(yīng)用條件下的輸出功耗。值取決于射頻環(huán)境和特定應(yīng)用條件下的輸出功耗。nZigBee的通信速率在的通信速率在2.4GHz時為時為250kbps，在，在915MHz時為時為40kbps，在，在868MHz時為時為20kbps。6.3ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述87nZigBee協(xié)議主要界定了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用框架層。協(xié)議主要界定了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用框架層。n支持三種拓撲

57、結(jié)構(gòu)：支持三種拓撲結(jié)構(gòu)：n星型星型(Star)結(jié)構(gòu)，可提供很長時間的電池使用壽命。結(jié)構(gòu)，可提供很長時間的電池使用壽命。n網(wǎng)狀網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)，有多條傳輸路徑，具有較高的可靠性。結(jié)構(gòu)，有多條傳輸路徑，具有較高的可靠性。n簇樹型簇樹型(ClusterTree)結(jié)構(gòu)，結(jié)合了星型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)，既結(jié)構(gòu)，結(jié)合了星型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)，既有較高的可靠性，又節(jié)省電池能量。有較高的可靠性，又節(jié)省電池能量。6.3ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述星型星型網(wǎng)狀型網(wǎng)狀型簇狀型簇狀型協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器路由器路由器終端設(shè)備終端設(shè)備88n按節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧垂?jié)點在網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)當(dāng)?shù)?/p>

58、角色n協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器負責(zé)發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡(luò)，識別網(wǎng)絡(luò)中的負責(zé)發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡(luò)，識別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。n路由器路由器支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。n終端設(shè)備終端設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者，負責(zé)數(shù)據(jù)采集和是網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者，負責(zé)數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)動作?？蓤?zhí)行的網(wǎng)絡(luò)動作。6.3ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述89n按節(jié)點的復(fù)雜程度按節(jié)點的復(fù)雜程度n全功能設(shè)備（全功能設(shè)備（FFDFFD）是一種功能完備的設(shè)備，可完成是一種功能完備的設(shè)備，可完成路由任務(wù)，充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。它可與其

59、它的功能完備路由任務(wù)，充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。它可與其它的功能完備型設(shè)備或功能簡化型設(shè)備連接通信，一般接有線電源。型設(shè)備或功能簡化型設(shè)備連接通信，一般接有線電源。n簡化功能設(shè)備（簡化功能設(shè)備（RFDRFD）是網(wǎng)絡(luò)中簡單的發(fā)送接收節(jié)點，是網(wǎng)絡(luò)中簡單的發(fā)送接收節(jié)點，它一般由電池供電，只與功能完備型設(shè)備連接通信。它一般由電池供電，只與功能完備型設(shè)備連接通信。6.3ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述903、ZigBee的技術(shù)特點的技術(shù)特點(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低數(shù)據(jù)傳輸速率低: (20250kbps)，專注于低速應(yīng)用。，專注于低速應(yīng)用。(2)有效范圍?。河行Х秶?/p>

60、：有效覆蓋范圍有效覆蓋范圍1075m之間。之間。(3)工作頻段靈活：工作頻段靈活：使用的頻段分別為使用的頻段分別為2.4GHz(全球全球)、868MHz(歐洲歐洲)及及915MHz(北美北美)，均為，均為ISM頻段。頻段。(4)省電：省電：6.3ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準6.3.1 ZigBee6.3.1 ZigBee概述概述91(5)可靠：可靠：(6)成本低：成本低：(7)時延短：時延短：(8)網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)容量大：一個一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納多達網(wǎng)絡(luò)可容納多達254個從設(shè)備個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可同時布置多達和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可同時布置多達100個個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)。(9)安全