無(wú)線傳感器報(bào)告課件

1、第3章傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù) 做到目視千里、耳聽(tīng)八方是人類長(zhǎng)久的夢(mèng)想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)雖然使人們離這一目標(biāo)前進(jìn)了很多，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細(xì)微就勉為其難了。將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電波傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會(huì)盡收觀察者的眼中了。這就是人們對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的美好展望，它的實(shí)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)。 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(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。無(wú)線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。3.1 物理層3.1.1 物理層概述1、物理層的基本概念 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

2、中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization, IOS)對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)(Open System Interconnection，OSI)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。物理層的主要功能如下： 為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Ter

3、minal Equipment，DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。 傳輸數(shù)據(jù)。 其他管理工作。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： 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，連接器中的引腳數(shù)量和排列情況等。 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)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。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。 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(guò)程，包括各信號(hào)線的工作規(guī)則和時(shí)序。2、無(wú)線通信物理層的主要技術(shù) 無(wú)線通信物理層的主要技

4、術(shù)包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。 (1)介質(zhì)和頻段選擇 無(wú)線通信的介質(zhì)包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無(wú)線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無(wú)線通信。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，電磁波分為無(wú)線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無(wú)線電波在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。 無(wú)線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可以穿過(guò)建筑物，因而被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無(wú)線通信。無(wú)線電波是全方向傳播信號(hào)的，它能向任意方向發(fā)送無(wú)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)。 無(wú)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(guò)障礙物，但電波能量隨著與信號(hào)源距離r的增大而急劇減小，大致為1/

5、r3。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，且受障礙物阻擋的影響。無(wú)線電波易受發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾。 另外，由于無(wú)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(wèn)題，所以每個(gè)國(guó)家和地區(qū)都有關(guān)于無(wú)線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定。(2)調(diào)制技術(shù) 調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無(wú)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，稱為基帶信號(hào)。基帶信號(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)。 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

6、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)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。 模擬調(diào)制是用模擬基帶信號(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。 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(guò)渡，因此數(shù)字調(diào)制已經(jīng)成為了主流的調(diào)制技術(shù)。 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（Amplitude Modulation, AM）、頻率調(diào)制（Frequency Modulation, FM）和相位調(diào)制（Phase Modulation, PM）。

7、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“有電”和“無(wú)電”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(Amplitude Shift Keying, ASK)、頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)和相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們十分重視調(diào)制技術(shù)在無(wú)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(wú)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。(3)擴(kuò)頻技術(shù)

8、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帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)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)。 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(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)、跳頻(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)、跳時(shí)(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)和寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻(chirp

9、Spread Spectrum, chirp-SS，簡(jiǎn)稱切普擴(kuò)頻)。 擴(kuò)頻通信與一般無(wú)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)。 擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：易于重復(fù)使用頻率，提高了無(wú)線頻譜利用率;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)的干擾很小;可以實(shí)現(xiàn)碼分多址;抗多徑干擾;能精確地定時(shí)和測(cè)距;適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開(kāi)展多種通信業(yè)務(wù);安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù)。3、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)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(wú)線通信物理層技術(shù)的特點(diǎn)。 目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是無(wú)線電波、紅外線和光波三種類型。無(wú)線電

10、波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療”(Industrial，Scientific and Medical, ISM)頻段。ISM頻段的優(yōu)點(diǎn)在于它是自由頻段，無(wú)須注冊(cè)，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)靈活方便。ISM頻段的缺點(diǎn)主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無(wú)線通信應(yīng)用存在相互干擾問(wèn)題。 盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)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(wú)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)域得到了廣泛應(yīng)用。3.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)1、傳輸介質(zhì) 目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主要傳輸介質(zhì)包括無(wú)線電、紅外線和光波等。 在無(wú)線電頻率選擇方面，ISM頻段是一個(gè)很好的選擇

11、。因?yàn)镮SM頻段在大多數(shù)國(guó)家屬于無(wú)須注冊(cè)的公用頻段。 無(wú)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(wú)須注冊(cè)，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)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致了紅外難以成為無(wú)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(chǎng)合得到應(yīng)用。 對(duì)于一些特殊場(chǎng)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)，譬如能穿透水面的長(zhǎng)波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用會(huì)遇到信道不可靠和嚴(yán)重干擾等問(wèn)題。 另外，一些傳感器節(jié)點(diǎn)的天線可能在高度和發(fā)射功率方面比不上周?chē)钠渌鼰o(wú)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)

12、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。2、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4，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(zhǎng)度通常為一個(gè)字節(jié)，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開(kāi)始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。 幀長(zhǎng)度字段通常由一個(gè)字節(jié)的低7位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHY負(fù)載的長(zhǎng)度，因此它的后續(xù)PHY負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)127個(gè)字節(jié)。 物理幀PHY的負(fù)載長(zhǎng)度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY Service Data Unite, PSDU)，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDU域是物理層的載荷 。3、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

13、速率和通信頻段等問(wèn)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)和功率等一系列的技術(shù)參數(shù)。比較常見(jiàn)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)。 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(lái)定義數(shù)據(jù)傳輸對(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。 在低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(LR-PAN)的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在868MHz、915MHz、2.4GHz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)頻方式。 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)非常適合無(wú)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)

14、議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如Chipcon公司的CC2420無(wú)線通信芯片。 總的來(lái)看，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，現(xiàn)有的物理層設(shè)計(jì)基本采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要集中在433464MHz、902928MHz和2.42.5GHz的ISM波段。3.2 MAC協(xié)議3.2.1 MAC協(xié)議概述 無(wú)線頻譜是無(wú)線通信的介質(zhì)，這種廣播介質(zhì)屬于稀缺資源。在無(wú)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(wèn)題，就需要設(shè)計(jì)介質(zhì)訪問(wèn)控制(Medium Access

15、 Control，MAC)協(xié)議。所謂MAC協(xié)議就是通過(guò)一組規(guī)則和過(guò)程來(lái)有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。(1) 采用分布式控制還是集中控制；(2) 使用單一共享信道還是多個(gè)信道；(3) 采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問(wèn)信道方式。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議可以按照下列條件進(jìn)行分類：本書(shū)根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為以下三種： (1) 時(shí)分復(fù)用無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入方式。無(wú)線信道時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiple Access，TDMA)方式給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無(wú)線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。 (2) 隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式。如果采用無(wú)線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方

16、式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無(wú)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聽(tīng)多路訪問(wèn)(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的MAC協(xié)議。 (3) 競(jìng)爭(zhēng)與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過(guò)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(wú)沖突的無(wú)線信道分配。 基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問(wèn)MAC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(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式使用無(wú)線信道，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。 典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議是載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA)接入方式。在無(wú)線局域網(wǎng)IEEE 802.11

17、 MAC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(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA with Collision Avoidance，CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的典型代表。 所謂的CSMA/CA機(jī)制是指在信號(hào)傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽(tīng)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(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道。這種介質(zhì)訪問(wèn)控制層的方案簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過(guò)程。 在IEEE 802.11 MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，人們?cè)O(shè)計(jì)出適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種MAC協(xié)議。 下面首先介紹IEEE 802.1l MAC協(xié)議的內(nèi)容，然后介紹一種適用于

18、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型MAC協(xié)議。3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議 IEEE 802.11 MAC協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function, DCF)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(Point Coordination Function，PCF)兩種訪問(wèn)控制方式，其中DCF方式是IEEE 802.11協(xié)議的基本訪問(wèn)控制方式。 在DCF工作方式下，載波偵聽(tīng)機(jī)制通過(guò)物理載波偵聽(tīng)和虛擬載波偵聽(tīng)來(lái)確定無(wú)線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽(tīng)由物理層提供，虛擬載波偵聽(tīng)由MAC層提供。 IEEE 802.11 MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔(InterFrame Spac

19、e，IFS)，用來(lái)提供訪問(wèn)無(wú)線信道的優(yōu)先級(jí)： （1）SIFS (short IFS)：最短幀間間隔。 （2）PIFS (PCF IFS)：PCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。 （3）DIFS (DCF IFS)：DCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間問(wèn)隔。 根據(jù)CSMA/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(tīng)信道狀態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過(guò)一個(gè)幀間間隔時(shí)間DIFS后，信道仍然空閑，則站點(diǎn)立即開(kāi)始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點(diǎn)始終偵聽(tīng)信道，直到信道的空閑時(shí)間超過(guò)DIFS。當(dāng)信道最終空閑下來(lái)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(lái)避免發(fā)生碰撞。 隨機(jī)退避時(shí)間按下面公式進(jìn)行計(jì)算： 退避時(shí)間=Rand

20、om()aSlottime 其中，Random()是在競(jìng)爭(zhēng)窗口0，CW內(nèi)均勻分布的偽隨機(jī)整數(shù)；CW是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，它的數(shù)值位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的aCWmin和aCWmax之間；aSlottime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(cè)信道的響應(yīng)時(shí)間等。 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，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，只有當(dāng)檢測(cè)到信道空閑時(shí)才進(jìn)行計(jì)時(shí)。如果信道忙，退避計(jì)時(shí)器中止計(jì)時(shí)，直到檢測(cè)到信道空閑時(shí)間大于DIFS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)退避時(shí)，利用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時(shí)間的節(jié)點(diǎn)作為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勝者。 802.11 MAC協(xié)議通過(guò)立即主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制和預(yù)留機(jī)

21、制業(yè)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(DATA)時(shí)，必須向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀(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)在發(fā)送ACK過(guò)程中不與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用SIFS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。3.2.3 典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議 這里介紹一種適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的比較典型的MAC協(xié)議，即S-MAC協(xié)議(Sensor MAC)。這種協(xié)議是在802.1l MAC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。 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)部能夠進(jìn)行數(shù)

22、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。 通常無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)效能耗主要來(lái)源于如下四種原因： 空閑監(jiān)聽(tīng) 數(shù)據(jù)沖突 串?dāng)_ 控制開(kāi)銷（1）周期性偵聽(tīng)和睡眠機(jī)制 S-MAC協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長(zhǎng)度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽(tīng)工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽(tīng)/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(wú)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。 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)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S-MAC協(xié)

23、議具有良好的可擴(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。（2）流量自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制 流量自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制的基本思想是在一次通信過(guò)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(tīng)一段時(shí)間。 如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)接收到RTS分組，則可以立刻接收數(shù)據(jù)，無(wú)須等到下一次調(diào)度偵聽(tīng)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(méi)有接收到RTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽(tīng)周期。（3）沖突

24、和串音避免機(jī)制 為了減少?zèng)_突和避免串音，S-MAC協(xié)議采用了與802.11 MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制，以及RTS/CTS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(guò)程時(shí)，執(zhí)行S-MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。（4）消息傳遞機(jī)制 S-MAC協(xié)議采用了消息傳遞機(jī)制，可以很好地支持長(zhǎng)消息的發(fā)送。由于無(wú)線信道的傳輸差錯(cuò)與消息長(zhǎng)度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長(zhǎng)消息。 消息傳遞機(jī)制根據(jù)這一原理，將長(zhǎng)消息分為若干個(gè)短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長(zhǎng)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(kāi)銷，又可以提高消息發(fā)送的成功率。S-MAC與IEEE

25、 802.11 MAC協(xié)議的突發(fā)分組傳送3.3 路由協(xié)議3.3.1 路由協(xié)議概述 路由選擇(routing)是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息的行為，并且信息至少通過(guò)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(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，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； 將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：（1）能量?jī)?yōu)先（2）基于局部拓?fù)湫畔ⅲ?）以數(shù)據(jù)為中心（4）應(yīng)用相關(guān) 在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)，必須滿足如下要求：（1）能量高效（2）可擴(kuò)展性（3）穩(wěn)健性（4）快速收斂性我們從各種應(yīng)用的角度出發(fā)，將路

26、由協(xié)議分為四類：（1）能量感知路由協(xié)議 高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個(gè)顯著特征。為了強(qiáng)調(diào)高效利用能量的重要性，這里將它們劃分為能量感知路由協(xié)議。能量感知的路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，討論最少能量消耗和最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期等問(wèn)題。（2）基于查詢的路由協(xié)議 在諸如環(huán)境檢測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估等應(yīng)用中，需要不斷查詢傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。在匯聚節(jié)點(diǎn)（查詢節(jié)點(diǎn)）發(fā)出任務(wù)查詢命令，傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測(cè)節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心報(bào)告采集的數(shù)據(jù)。在這類監(jiān)控和檢測(cè)的應(yīng)用問(wèn)題中，通信流量主要是查詢節(jié)點(diǎn)和傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)的采集信息通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過(guò)減少通信流量來(lái)節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計(jì)相結(jié)合。（3）地理位置路由協(xié)議 在諸如目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用問(wèn)題中，往往需要喚醒距離被跟蹤目標(biāo)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)，以便得到關(guān)于目標(biāo)的更精確位置等相關(guān)信息。在這類與坐標(biāo)位置有關(guān)的應(yīng)用問(wèn)題中，通常需要知道目的節(jié)點(diǎn)的精確或者大致地理位置。把節(jié)點(diǎn)的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點(diǎn)的路由選擇功能，還可以降低系統(tǒng)專門(mén)維護(hù)路由協(xié)議的能耗。（4）可靠的路由協(xié)議 傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些應(yīng)用對(duì)通信的服務(wù)質(zhì)量有較高要求，可能在可靠性和實(shí)時(shí)性等方面有特別要求。例如，采用視頻傳感器進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，希望傳輸?shù)囊曨l圖像能夠盡可能的流