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 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 在在計算機網(wǎng)絡(luò)中物理計算機網(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算機的傳輸介質(zhì)接各種計算機的傳輸介質(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)工程國際標準化組織國際標準化組織(International Organization for (International Organization for Standardization, IOS)Standardiz

3、ation, IOS)對開放系統(tǒng)互聯(lián)對開放系統(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。的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。從從定義可以看出，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

4、放物理連接所需要的機械、電氣、功能特流，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。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)評估、能量檢測等等如信道狀態(tài)評估、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

5、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

6、、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。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)和擴頻技術(shù)技術(shù)和擴頻技術(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)，而聲波一

7、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-10M1

8、00M-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 民用民用：一般指我們聽得無線廣播，一般沒有太高的波段：一般指我們聽得無線廣播，一般沒有太高的波段 商用商用：機場、通訊運營商使用的無線電：機場、通訊運營商使用的無線電 軍用軍用：軍

9、事用途。：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，可以穿過建筑物，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)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。射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對準。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，則它能輕易地通過障

10、礙物，但電波能量隨著與信號源距離但電波能量隨著與信號源距離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)動機和其它電子設(shè)備響。無線電波易受發(fā)動機和其它電子設(shè)備的干擾。的干擾。 另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，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，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。制方面的使用授權(quán)規(guī)定。集成電路

11、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?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘?，因而要將基帶信號轉(zhuǎn)換為相信號。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，以便于進行信道傳輸。通常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。將帶通信

12、號稱為已調(diào)信號，而基帶信號稱為調(diào)制信號。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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)制分為用的基帶信號的類型，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對高頻載波的某一參量進行控制，使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。高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。 數(shù)字調(diào)制

13、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)。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)。該參量可以是信號的幅度、頻率或相位該參量可以是信號的幅度、頻率或相位。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 根據(jù)原始信號所控制參量的不同，調(diào)制分為根據(jù)原始信號所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制幅度調(diào)制（Amplitude Amplitude Modulation, AMMod

14、ulation, 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

15、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

16、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(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)擴頻技術(shù)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)制帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立

17、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(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。關(guān)同步接收、解擴和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。擴展頻譜，增強系統(tǒng)的抗干擾能力！擴展頻譜，增強系統(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)制的方式來展寬信號頻譜采用擴頻碼序列調(diào)制的方式來展寬信號頻譜 n在接受端用相關(guān)解調(diào)（或相干解調(diào)）來解擴在接受端用相關(guān)解調(diào)（或相干解調(diào)）來解擴集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程傳輸任何信息都需要一定的頻

18、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頻帶寬度。例如：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?shù)膸挼男盘杹韨鬏斝畔?。而擴頻通信的盡量采用大體相當?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信號帶寬與信息帶寬之比則高達10010010001000，屬于寬帶通信。，屬于寬帶通信。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程通過信號理論知

19、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。寬頻帶的信號。CDMACDMA蜂窩網(wǎng)移動通信系統(tǒng)就是采用直擴方式蜂窩網(wǎng)移動通信系統(tǒng)就是采用直擴方式獲得擴頻信號的。這種很窄的脈沖碼序列（其碼速率很高）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。所采用的擴頻碼序列與所傳的信息數(shù)據(jù)無稱為擴頻碼序列。所采用的擴頻碼序列與所傳的信

20、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)耐戈P(guān)（它與一般的正弦載波信號類似），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。明性。擴頻碼序列僅僅起擴展信號頻譜的作用。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程典型擴頻通信的一般工作原理如圖2所示。 圖2 典型的擴頻通信系統(tǒng)模型信道由圖2可看出，擴頻通信系統(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（差錯控制）的目的是增加信息在信道信道編碼（

21、差錯控制）的目的是增加信息在信道傳輸中的冗余度，使其具有檢錯或糾錯的能力，以傳輸中的冗余度，使其具有檢錯或糾錯的能力，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)信道編碼后的符號能在適調(diào)制部分的目的是使經(jīng)信道編碼后的符號能在適當?shù)念l段傳輸，通常使用的數(shù)字信號調(diào)制方式分為當?shù)念l段傳輸，通常使用的數(shù)字信號調(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擴頻調(diào)制和解調(diào)是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力而擴頻調(diào)制和解調(diào)是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力而進行的信號頻譜展寬和還原。進行的信號頻譜展寬和還原。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 擴頻技術(shù)按照

22、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(Frequency 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

23、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) )。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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)。頻調(diào)制，而在接收端增加了擴頻解調(diào)。 擴頻技術(shù)的擴頻技術(shù)的優(yōu)點優(yōu)點包括：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，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)的干擾隱蔽性好，對各

24、種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小很小; ;可以實現(xiàn)碼分多址可以實現(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)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。安裝簡便，易于維護。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、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。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(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

25、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)、科學和醫(yī)工業(yè)、科學和醫(yī)療療”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, ISM)Scientific and Medical, ISM)頻段。頻段。ISMISM頻段的優(yōu)點在頻段的優(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。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。ISMISM頻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。

26、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。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現(xiàn)通信，譬如盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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

27、。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。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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是穿透能力差，要求發(fā)送者和接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收者之間存在視距關(guān)系。這導致

28、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。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

29、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。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) 物理幀的第一個字段是前導碼，字節(jié)數(shù)一般取物理幀的第一個字段是前導碼，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)

30、包開始傳輸。幀頭與前導碼構(gòu)成了同步頭。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, PSDU)Unite, PSDU)，攜帶，攜帶PHYPHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包的

31、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)計技術(shù)、物理層設(shè)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：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)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，對于節(jié)能具有提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)

32、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(luò)速度對誤碼的影響。一般用單個比意義，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。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。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個頻段都使用了直接序列擴頻方

33、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無線通信無線通信芯片，現(xiàn)在的芯片，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

34、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。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，可能有多個節(jié)點設(shè)備同時接入信道，導致分組之間線傳感器網(wǎng)

35、絡(luò)中，可能有多個節(jié)點設(shè)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，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(luò)吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設(shè)計介質(zhì)訪問控制導致網(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(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) 采用分布式

36、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行分類：協(xié)議可以按照下列條件進行分類：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 (T

37、ime Division Multiple AccessDivision Multiple Access，TDMA)TDMA)方式給每個傳感器節(jié)點分配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。固定的無線信道使用時段，避免節(jié)點之間相互干擾。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 (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。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聽多路訪問(C

38、arrier 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。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 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，它的基本思想是當節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線

39、信道，如本思想是當節(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)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訪問典型的基于競爭的隨機訪問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 with

40、 (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當要發(fā)送幀的設(shè)備偵聽到線路忙或發(fā)生沖突時，會隨機等待一段時間再進行偵聽；若發(fā)現(xiàn)不忙則立即發(fā)送；此策略可以減少沖突，但會導致信道利用率降低，以及較長的延遲。1-持續(xù)CSMA（1-persistent

41、 CSMA） n當要發(fā)送幀的設(shè)備偵聽到線路忙或發(fā)生沖突時，會持續(xù)偵聽；若發(fā)現(xiàn)不忙則立即發(fā)送。當傳播延遲較長或多個設(shè)備同時發(fā)送幀的可能性較大時，此策略會導致較多的沖突，導致性能降低。p-持續(xù)CSMA（p-persistent CSMA） n當要發(fā)送幀的設(shè)備偵聽到線路忙或發(fā)生沖突時，會持續(xù)偵聽；若發(fā)現(xiàn)不忙，則根據(jù)一個事先指定的概率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）；此種策略可以達到一定的平衡，但對于參數(shù)p的配置會涉及比較復(fù)雜的考量。正確使用以上策略可以在一定程度上減少沖突的發(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（載

42、波偵聽多路訪問沖突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）此種方案采用主動避免碰撞而非被動偵測的方式來解決沖突問題。可以滿足那些不易準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，維持一段時間后，再等待一段隨機的時間依然空閑時，才提交數(shù)據(jù)。由于各個設(shè)備的等待時間是分別隨機產(chǎn)生的，因此很大可能有所區(qū)別，由此可以減少沖突的可能性。RTS-CTS握手（handshake）：設(shè)備欲發(fā)送幀前，先發(fā)送一個很小的RTS（Request to

43、Send）幀給目標端，等待目標端回應(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，不會發(fā)生沖突。同時由于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標準。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)計出適用于傳感器協(xié)議基礎(chǔ)上，人們設(shè)計出適用于傳感器網(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)的

44、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)和點協(xié)和點協(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式

45、，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，載波偵聽機制下，載波偵聽機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)。物理載波偵聽態(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隔

46、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：，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級： （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)點使用的幀間間隔。方式下節(jié)點使用的幀間間隔。 （3 3）DIFS DIFS (DCF IFS)(DCF IFS)：DCFDCF方式下節(jié)點使用的幀間問隔。方式下節(jié)點使用的幀間問隔。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 根據(jù)根據(jù)CSMA/CACS

47、MA/CA協(xié)議，當節(jié)點要傳輸一個分組時，它首先偵聽信道狀協(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態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個幀間間隔時間DIFSDIFS后，信道仍然空后，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，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直到信道的空閑時間超過DIFSDIFS。當信道最終空閑下來的時候，節(jié)點進。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。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。當信道空閑時間大于

48、DIF時 使用信道DIFSPIFSSIFS信道忙競爭窗口退避窗口下一幀時間槽時間DIFS推遲發(fā)送集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 隨機退避時間按下面公式進行計算：隨機退避時間按下面公式進行計算： 退避時間退避時間=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)均勻分布的偽隨機整數(shù)；隨機整數(shù)；CWCW是整數(shù)隨機數(shù)，它的數(shù)值位于標準規(guī)定的是整數(shù)隨機數(shù)，它的數(shù)值位于標準規(guī)定的aCWminaCWmin和和aCWmaxaCWmax之間；之間；aSlottimeaSlottime是一個時槽時間，

49、包括發(fā)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(yīng)時間等。射啟動時間、介質(zhì)傳播時延、檢測信道的響應(yīng)時間等。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在進入退避狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在進入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計時器，時，啟動一個退避計時器，當計時達到退避時間后結(jié)束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，退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當檢測到信道空閑時才只有當檢測到信道空閑時才進行計時。如果信道忙，退進行計時。如果信道忙，退避計時器中止計時，直到檢避計時器中止計時，直到檢測到信道空閑時間大于測到信道空閑時間大于DIFSDIFS后才繼續(xù)計時。當多個節(jié)點后才繼續(xù)計時。當多個節(jié)點推遲且進入隨機退避

50、時，利推遲且進入隨機退避時，利用隨機函數(shù)選擇最小退避時用隨機函數(shù)選擇最小退避時間的節(jié)點作為競爭優(yōu)勝者。間的節(jié)點作為競爭優(yōu)勝者。節(jié)點A節(jié)點B節(jié)點C節(jié)點D推遲推遲推遲競爭窗口幀幀節(jié)點EDIFS推遲競爭窗口幀競爭窗口幀幀競爭窗口退避時間剩余退避時間集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 802.11 MAC 802.11 MAC協(xié)議通過協(xié)議通過立即主動確認機制立即主動確認機制和和預(yù)留預(yù)留機制機制提高提高性能。在主動確性能。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)(DATA)時，必須向源時，必須向源節(jié)點發(fā)送一個應(yīng)答幀節(jié)點發(fā)送一個應(yīng)答幀(ACK)

51、(ACK)，確認數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標節(jié)點，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)送在發(fā)送ACKACK過程中不與其它節(jié)點發(fā)生沖突，目標節(jié)點使用過程中不與其它節(jié)點發(fā)生沖突，目標節(jié)點使用SIFSSIFS幀間隔。主動幀間隔。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。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。RTSDATACTSACK競 爭 窗 口下 一 幀DIFSDIFS源 站 點SIFS目 的 站 點NAV(RTS)NAV(CTS)其 他 站 點集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程2.3 2.3 典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC協(xié)

52、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。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行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量

53、，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計目標是提供良好的擴展性，減少節(jié)點能耗。的通信延遲。它的設(shè)計目標是提供良好的擴展性，減少節(jié)點能耗。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 串擾串擾 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)分監(jiān)聽協(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(yīng)

54、用情況進睡眠階段的持續(xù)時間要根據(jù)應(yīng)用情況進行調(diào)整。當節(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。當行調(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。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。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 具有相同調(diào)度的節(jié)點形成一個所謂具有相同調(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)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(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)議具有良好的可擴展性。協(xié)議具有良好

55、的可擴展性。 為了適應(yīng)新加入節(jié)點，每個節(jié)點要為了適應(yīng)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。的調(diào)度，并記錄另一個調(diào)度信息。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程（2 2）流量自適應(yīng)偵聽機制）流量自適應(yīng)偵聽機制 流量自適應(yīng)偵聽機制的基本思想是在一次通信過程中，通信流量

56、自適應(yīng)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。段時間。 如果節(jié)點在這段時間內(nèi)接收到如果節(jié)點在這段時間內(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。如果在這段時間內(nèi)沒有接收到如果在這段時間內(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）沖突和串

57、音避免機制）沖突和串音避免機制 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)協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機制，以及議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機制，以及RTS/CTSRTS/CTS握手交互機制。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-MACS-MAC協(xié)議的節(jié)協(xié)議的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。點進入睡眠狀態(tài)。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程（4 4）消息傳遞機制）消息傳遞機制 S-MACS-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)協(xié)議采用了消息傳遞機制

58、，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。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，采用一次用一次RTS/CTSRTS/CTS交互的握手機制預(yù)約這個長消息發(fā)送的時間，集中交互的握手機制預(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。這樣既可以減少控制報文的開銷，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)點向目的節(jié)點是指選擇互連網(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

60、通過一個中間節(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(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(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(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，它包括兩個功能：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)。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：的路由協(xié)議具有以下特點：（1 1）能量優(yōu)先）能量優(yōu)先（2 2）基于局部拓撲信息）基于局部拓撲信息（3 3）以數(shù)據(jù)為中心）以數(shù)據(jù)為中心