第二章物理層及信道接入技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)及其應用課程目錄2.12.2物理層相關(guān)技術(shù)信道接入技術(shù)IEEE802.15.4標準2.32.4ZigBee標準2.1物理層相關(guān)技術(shù)前言在無線傳感器網(wǎng)絡中，物理層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹讓?，向下直接與傳輸介質(zhì)相連，物理層協(xié)議是各種網(wǎng)絡設備進行互聯(lián)時必須遵循的底層協(xié)議。物理層的設計是無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議性能的決定因素。2.1物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配物理層設計2.1.12.1.22.1物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配導體中電流強弱的改變會產(chǎn)生無線電波。利用這一現(xiàn)象，通過調(diào)制可以將信息加載到無線電波之上。當電波通過空間傳播到達收信端，電波引起的電磁場變化又會在導體中產(chǎn)生電流，通過調(diào)制將信息從電流變化中提取出來，就達到信息傳遞的目的。2.1.1無線電波的定義無線電波是指在自由空間全方位傳播的射頻頻段的電磁波，可以很容易產(chǎn)生，也可以穿透建筑物體，因此被廣泛應用于無線通信中。無線電波的原理2.1物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配ISM（Industrial-Scientific-Medical）頻段是指特別為工業(yè)、科學、醫(yī)學應用而保留的頻率范圍。ISM頻段是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，發(fā)射功率要求在1W以下，無需任何許可證。ISM頻段頻

率說

明13.553～15.567MHz26.957～27.283MHz40.66～40.70MHz433～464MHz歐洲標準902～928MHz美國標準2.4～2.5GHz全球WPAN/WLAN5.725～5.875GHz全球WPAN/WLAN24～24.25GHzISM波段一些頻率及說明2.1.12.1物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配2.1.1頻段的選擇頻率的選擇直接決定無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的無線尺寸、電感的集成度以及節(jié)點功耗，對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，必須根據(jù)實際應用場合來決定。2.1物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配物理層設計2.1.12.1.22.1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設計2.1.2物理層的設計目標以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量物理層需要考慮的問題編碼調(diào)制技術(shù)通信速率通信頻段2.1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設計分類窄帶擴頻UWB成本343功耗254低傳輸范圍和低速率354抗干擾能力154抗背景噪聲能力252同步難易度322頻譜利用率245多播能力134編碼調(diào)制技術(shù)13種編碼調(diào)制技術(shù)性能比較常見的編碼調(diào)制技術(shù)⑴窄帶調(diào)制技術(shù)⑵擴頻調(diào)制技術(shù)⑶超寬帶UWB調(diào)制技術(shù)2.1.22.1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設計提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)時間，對于節(jié)能有一定的好處，但需要同時考慮提高網(wǎng)絡速度對誤碼的影響。通信速率22.1.22.1物理層相關(guān)技術(shù)

物理層設計通信頻率的選擇32.1.2ISM波段是首要的選擇ISM波段在高頻和特高頻的頻率范圍上都有分布，但信號在不同的頻度上傳播特性、功率消耗以及對器件性能和天線要求卻是有很大區(qū)別。頻率的選擇是影響無線傳感器網(wǎng)絡性能、成本的一個重要參數(shù).2.1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設計2.1.2從天線長度的角度從功耗的角度從節(jié)點物理層集成化的角度在ISM13.5MHz，如果采用對偶天線，天線長度為5.6m，顯然要求這么長的天線很不適合小體積的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點；對于ISM2.4GHz，其采用對偶天線，天線長度為3.1cm，這么高的頻率就可以將節(jié)點做的很小，也有利于天線的MEMS集成。在傳輸相同的有效距離時，載波頻率越高消耗能量越多;并且根據(jù)自由空間無線傳輸損耗理論可以知道，波長越短其傳輸損耗越大，也就意味著高頻率需要更大的發(fā)射功率來保證一定的傳輸距離。

從節(jié)點的物理層集成化的角度：雖然當前的CMOS工藝已經(jīng)成為主流，但是對大電感的集成化還是一個非常大的挑戰(zhàn)，隨著深亞微米工藝的進展，更高的頻率更易于電感的集成化設計，這對于未來節(jié)點的完全SOC設計是有利的，所以頻段的選擇是一個非常慎重的問題。課程目錄2.12.2物理層相關(guān)技術(shù)信道接入技術(shù)IEEE802.15.4標準2.32.4ZigBee標準2.2信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡信道接入技術(shù)概述基于競爭的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)2.2.12.2.22.2.32.2.42.2.52.副2信道待接入輔技術(shù)無線株傳感掀器網(wǎng)奶絡信予道接值入技海術(shù)概制述目前塌，對羽大多衫數(shù)傳培感器損硬件筍平臺慮而言話，無線益通信樣模塊是傳頸感器衰節(jié)點脆能量辦的主兵要消鵲耗者她，而MA屠C子層筆直接去與物之理層筆連接琴，所霧以MA役C協(xié)議籌節(jié)能涼效率關(guān)的好逢壞將墾嚴重模影響遭網(wǎng)絡冒的生給命周風期。在設夠計無擴線傳接感器府網(wǎng)絡捧的MA擱C協(xié)議呀時，拼需要繪著重別考慮把以下背幾個誼方面繭：①能悠源的嬌有效車性②可擴孟展性⑤可狂靠性④分珠布式物算法③性設能的灘綜合因測評2.抵2.才12.逐2信道蒜接入護技術(shù)無線設傳感載器網(wǎng)商絡信杠道接候入技聚術(shù)概米述小結(jié)無線諷傳感葵器網(wǎng)伯絡信猴道接監(jiān)入的田研究昏，其關(guān)鍵就是移設計浮出優(yōu)材秀的MA眠C協(xié)議沙。本逆書針迎對用蒙戶不計同的謹應用研需求肥將傳截感器笛網(wǎng)絡已的MA托C協(xié)議紀分為3個大類盼。2.響2.奸12.連2信道掏接入夾技術(shù)無線船傳感庸器網(wǎng)級絡信機道接捏入技丙術(shù)概最述12.站2.膝1基于炭競爭敞的MA排C協(xié)議即節(jié)韻點在蘆需要貫發(fā)送投數(shù)據(jù)圣時采稠用某權(quán)種機妖制隨棒機的昨使用解無線銳信道串，這璃就要型求在叫設計優(yōu)的時丑候必間須要雷考慮趣到如絞果發(fā)惕送的克數(shù)據(jù)莖發(fā)生弊沖突踢，采兼用何澤種沖俱突避卻免策梨略來籮重發(fā)困，直切到所帆有重朋要的誓數(shù)據(jù)覽都能遇成功獅發(fā)送倆出去睜。2.匹2信道秧接入紡技術(shù)無線決傳感債器網(wǎng)獎絡信搶道接紐奉入技筆術(shù)概若述22.易2.漸1基于奴固定屠分配位的MA釣C協(xié)議即節(jié)永點發(fā)纏送數(shù)蔥據(jù)的丘時刻未和持拴續(xù)時娘間是掛按照指協(xié)議殊規(guī)定銳的標搶準來菌執(zhí)行刻，這韻樣以復來就朝避免太了沖哨突，倒不需太要擔安心數(shù)歉據(jù)在牛信道蟲中發(fā)教生碰澤撞所朗造成漢的丟污包問重題。究目前謙比較社成熟躍的機混制是由時分跨復用騰（TD辱MA）。2.善2信道貴接入債技術(shù)無線圣傳感野器網(wǎng)價絡信材道接哀入技訊術(shù)概塌述32.豪2.匠1基于錢按需段分配勉的MA螺C協(xié)議即根業(yè)據(jù)節(jié)塔點在答網(wǎng)絡慈中所守承擔庭數(shù)據(jù)籠量的糞大小稿來決新定其兼占用飽信道珍的時炕間，病目前竄主要周有點唯協(xié)調(diào)盆和無學線令襯牌環(huán)滔控制賭協(xié)議術(shù)兩種最方式騎。2.需2信道幅接入爆技術(shù)無線英傳感椅器網(wǎng)爛絡信淹道接影入技覆術(shù)概經(jīng)述基于組競爭偵的信懲道接諷入技蓮術(shù)基于眨固定推分配咬的信召道接掠入技陜術(shù)按需絮分配等的信巧道接裝入技之術(shù)無線車傳感預器網(wǎng)撈絡信捏道接嗎入技喚術(shù)面激臨的賊挑戰(zhàn)2.壓2.舊12.榴2.把22.潔2.贈32.棕2.攏42.墳2.奸52.素2信道車接入滾技術(shù)基于再競爭僅的信圣道接騎入技癥術(shù)IE侍EE潔8攤02惡.1刪1緞MA板C協(xié)議1IE碼EE陳8體02錄.1童1蛇MA鈴C協(xié)議影有分布那式協(xié)筆調(diào)（DC帆F）和點協(xié)鍵調(diào)（PC哀F）兩種桶訪問將控制隆方式遮。適用妻范圍騰：PC咸F通過柄訪問堡接入蝦點來勒協(xié)調(diào)鍛節(jié)點葡的數(shù)剖據(jù)收算發(fā)，葬通過扶設置速好的紗一定米間隔快時間待查詢酒當前廚哪些串節(jié)點絕有數(shù)費據(jù)發(fā)逐送的忌請求遙，PC舌F是一艙種基皇于優(yōu)險先級勻的無呆競爭球訪問星，顯爆然CS癢MA甘/C叮A協(xié)議殿不會語采用戶此種證控制父方式撒；DC頭F是通襖過物理謎載波攜偵聽和虛擬通載波己偵聽來確蓬定無捆線信圓道的飲狀態(tài)蝴，其飲中物祝理載悼波偵林聽由討物理添層提湖供，哭而虛駛擬載貧波偵徐聽由MA悟C層提頁供。2.極2.隊22.舊2信道毫接入量技術(shù)基于碎競爭渣的信籠道接變?nèi)爰妓倚g(shù)IE郊EE稀8引02良.1皂1莊MA鐮C協(xié)議1圖2-除1琴C遞SM遇A/碑CA中的扯虛擬迷載波采偵聽2.刷2.擔22.并2信道對接入畜技術(shù)基于既競爭炕的信粥道接央入技慮術(shù)S-算MA建C協(xié)議2S-捎MA鍬C協(xié)議燈采用塊以下機制:①擁S-胳MA蛋C協(xié)議仆引入正了周蝴期性喜偵聽/睡眠燒的低系占空滲比機席制，奇通過結(jié)控制去節(jié)點屠的睡碑眠降君低能呢量消來耗。②播S-鞋MA盆C協(xié)議洲沿用IE涂EE副80渾2.藍11的RT川S/墊CT梨S機制侵降低描碰撞臂幾率豪。③通過獻網(wǎng)絡潛分配辦矢量鋸避免氧串音雹現(xiàn)象將。④硬將長駱消息工分割偽為若戴干段屬消息絡并集惰中突精發(fā)傳列送，蕉減少軌協(xié)議天控制絨消息約的開善銷。⑤S-悅MA群C協(xié)議地將時晶間分繪為若宵干幀蜓，每蛾幀包爸括同騰步階耕段、吧活動雜階段郊和睡叼眠階沉段。2.分2.猜22.眨2信道隆接入么技術(shù)基于送競爭扶的信斗道接燥入技慮術(shù)S-荒MA井C協(xié)議2圖2-絹2敲S蜜-M瞧AC協(xié)議煉的基由本機永制2.辣2.譜22.泥2信道鏟接入關(guān)技術(shù)基于面競爭栗的信忍道接禁入技乖術(shù)S-蹲MA墾C協(xié)議2優(yōu)點:實現(xiàn)逝簡單撤，減謊少了晨空閑摟監(jiān)聽攜時間呼，避冠免了婦傳輸城碰撞味和串弓音現(xiàn)社象，貍減少福了協(xié)虜議控牢制開剖銷，檢節(jié)省勵了能團量開磨銷。缺點信：由滑于周與期性架睡眠遲的原捏因，S-寇MA旬C協(xié)議宅數(shù)據(jù)熔的延悉遲較震大，廉在不輔同的內(nèi)網(wǎng)絡程負載來下，靜尤其堵是負鑒載波瓜動劇兩烈的纏情況難下算鼠法的底效率絡將降鄉(xiāng)豐低。2.亭2.潮22.依2信道僚接入懷技術(shù)基于浪競爭宣的信捕道接叮入技夠術(shù)S-樣MA擺C協(xié)議2S-單MA育C協(xié)議真實現(xiàn)滑的關(guān)見鍵技占術(shù)如艷下：（1）數(shù)奧據(jù)包光的嵌大套結(jié)犯構(gòu)（2）堆忠棧結(jié)篇構(gòu)和撲功能（3）選厭擇和掛維護縮慧調(diào)度皮表（4）時鋸間同鄙步（5）帶罪沖突謝避免啟的載歡波偵甘聽多喚路訪嗎問（6）網(wǎng)博絡分沾配矢繩量2.拐2.君22.揭2信道堡接入隆技術(shù)基于收競爭忙的信養(yǎng)道接榴入技賢術(shù)T-吧MA狡C協(xié)議3圖2-便3掌T汽-M浪AC協(xié)議霜的基單本機懷制2.溉2.化22.改2信道友接入健技術(shù)基于拋競爭條的信惠道接洞入技書術(shù)T-灶MA閃C協(xié)議3圖2-寧4捎T須-M寸AC中基呼本的路數(shù)據(jù)寺交換2.卵2.狡22.性2信道階接入泊技術(shù)基于具競爭貨的信來道接漢入技內(nèi)術(shù)T-拾MA稿C協(xié)議3T-娃MA嘗C協(xié)議巨提出艘了兩須種方鋪法解待決早堆睡問配題。租第一聲種稱辦為未閘來請涉求發(fā)筒送（FR掩TS）,還有注一種燙解決厘早睡貧問題昌的方腎法稱及作滿汽緩沖疼區(qū)優(yōu)快先（Fu勤ll題B通uf野fe冬r用Pr蝴io瘦ri噴ty）。圖2-蓮5宣T孫-M制AC中早潛睡問款題的伯兩種價解決消方案2.下2.示22.老2信道巴接入須技術(shù)基于洋競爭刷的信帥道接定入技飲術(shù)Si摩ft協(xié)議4設計心目標對于混檢測棕到事筑件的N個節(jié)磁點，潔使其胖中R個節(jié)礎點能引在最須短的極時間腰內(nèi)無障沖突巡壽成功逐發(fā)送塊出事母件監(jiān)回測消崇息，美而抑儀制剩換余N-敲R個節(jié)衛(wèi)點的剩消息參發(fā)送的。2.慮2.孩22.轉(zhuǎn)2信道丑接入蝴技術(shù)基于鑼競爭怖的信環(huán)道接收入技抬術(shù)Si剩ft協(xié)議4工作顯原理Si鍵ft協(xié)議步使用灑了CW（競尊爭窗掉口長蘭度）枯值固村定的窗啄口，次選擇峽合適室的發(fā)送長概率奶分布，為燈不同徹的時筆隙在荷整個占競爭拼節(jié)點珠集中溝篩選挑出一川個發(fā)模送節(jié)釘點。節(jié)點今選擇顫在第r個時建隙發(fā)彼送數(shù)份據(jù)的交概率Pr為：r狀=罷1,降……種,C仁W2.莖2.守22.蝴2信道些接入涉技術(shù)基于證競爭灰的信圍道接隊入技到術(shù)2.想2.民2基于薄競爭狹的MA倚C協(xié)議私的顯撲著優(yōu)點是：協(xié)議焰的簡明博性和可擴絡展性。缺點：由雪于沒肺有像葡基于趁預約壯的MA鄉(xiāng)豐C協(xié)議從那樣授使用屑某種遣機制善對信領道利腹用情源況進督行均婦衡，層所以公平役性就成臥為它印的一樂個問診題。2.爛2信道緊接入腔技術(shù)無線智傳感猛器網(wǎng)應絡信碑道接吳入技盞術(shù)概首述基于分競爭冊的信干道接誦入技舒術(shù)基于堂固定作分配憑的信代道接裕入技物術(shù)按需境分配咱的信謎道接澆入技梨術(shù)無線亂傳感銀器網(wǎng)翼絡信作道接張入技虛術(shù)面鑼臨的喝挑戰(zhàn)2.增2.內(nèi)12.標2.闊22.憶2.帶32.嬌2.躲42.斤2.盛52.買2信道亞接入賣技術(shù)基于幸固定停分配計的信珠道接浮入技欠術(shù)TD源MA技術(shù)CD揪MA技術(shù)FD露MA技術(shù)SD揚MA技術(shù)相比逗隨機宇競爭繼接入造機制腎，時勢分復魄用方漁式的終優(yōu)點喚：更碎能節(jié)厭省能鼻量，盛因為汗省去蜜了競醋爭機誦制的瓦碰撞境重傳權(quán)問題及；缺召點：莫它需睬要嚴宣格的物時間采同步袍，并蚊且通浙常用屋在拓伙撲結(jié)捐構(gòu)不艷變的雖網(wǎng)絡綁，它堵不能鮮很好蜓地處雷理傳衰感器妖節(jié)點環(huán)移動除和節(jié)員點失瞎效的丹情況鴿，因宜此在繭網(wǎng)絡麗擴展炊性方梯面存肢在嚴壺重不東足。2.歲2.改32.炎2信道羨接入騰技術(shù)基于絮固定執(zhí)分配惠的信膊道接暴入技資術(shù)基于TD珍MA的傳遼感器掃網(wǎng)絡MA刊C協(xié)議:2.媽2.菊3（1）DE恭AN助A協(xié)議（2）TR嫌AM始A協(xié)議（3）DM菊AC協(xié)議2.叛2信道錄接入壁技術(shù)基于割固定尼分配帝的信日道接殊入技赴術(shù)CD括MA技術(shù)圖2-批9向一注個睡賄眠節(jié)狗點發(fā)秤送數(shù)欺據(jù)的擺信號盲時序鋒過程2.搏2.閣32.包2信道雀接入吧技術(shù)基于評固定剃分配旅的信討道接服入技斷術(shù)FD程MA技術(shù)為了法充分品利用穴信道緣瑞的帶盾寬，事從而絲式提出卡了信輪道的頂頻分田復用套的概愛念。碎頻分埋復用聚系統(tǒng)梁的最大眨優(yōu)點是信草道復辨用率瞇高，住容許優(yōu)復用死的路霧數(shù)多逗，分望路也礎很方欲便。頻分濟復用剛系統(tǒng)令的主要造缺點是設六備生飾產(chǎn)比感較復銀雜，連會因嗚濾波尖器件的特性墓不夠秤理想醋和信售道內(nèi)燦存在作非線傳性而班產(chǎn)生完路間奴干擾般。2.晚2.標32.馳2信道戰(zhàn)接入她技術(shù)基于口固定慶分配功的信軍道接膽入技來術(shù)SD傻MA技術(shù)SD密MA是一早種信屢道增茅容的杰方式賞，可模以實臭現(xiàn)頻申率的余重復歸使用遞，充幼分利少用頻際率資境源。羨空分賄多址攀還可留以和睬其他殊多址揪方式預相互岸兼容鍛，從亡而實族現(xiàn)組辱合的蘇多址娘技術(shù)扯。在由紋中國藍提出腥的第萬三代狹移動朵通信潛標準TD傭-S供CD鋸MA中就退應用完了SD戲MA技術(shù)嘗；此懸外在揀衛(wèi)星織通信惹中也罵有人駛提出塊應用SD女MA。2.雖2.身32.尾2信道受接入伙技術(shù)無線倒傳感伸器網(wǎng)揭絡信具道接政入技毯術(shù)概條述基于拆競爭煙的信保道接販入技赴術(shù)基于佩固定劉分配內(nèi)的信船道接全入技篇術(shù)按需番分配勉的信覆道接獲入技只術(shù)無線缸傳感碼器網(wǎng)林絡信然道接煤入技案術(shù)面此臨的名挑戰(zhàn)2.賴2.量12.令2.模22.呆2.植32.右2.耍42.字2.邀52.喇2信道洋接入證技術(shù)按需咽分配制的信荒道接涼入技罵術(shù)1．PC懸F方式2．WT砌RP方式圖2-眉10尖IE泛EE臟8腫02坊.1孔1悔MA薦C層協(xié)徐議結(jié)拳構(gòu)2.坑2.千42.流2信道揚接入旨技術(shù)無線英傳感暗器網(wǎng)結(jié)絡信池道接餐入技奶術(shù)概垂述基于嘉競爭膀的信彩道接燥入技開術(shù)基于投固定告分配斯的信嚼道接樣入技配術(shù)按需酷分配研的信澤道接筒入技紗術(shù)無線巴傳感菜器網(wǎng)里絡信冊道接雞入技鼠術(shù)面舍臨的核挑戰(zhàn)2.催2.跟12.寧2.籮22.煮2.慘32.摟2.掏42.趟2.虎52.保2信道礙接入回技術(shù)無線訓傳感返器網(wǎng)墻絡信置道接兼入技內(nèi)術(shù)面臺臨的究挑戰(zhàn)①拴能量芹有效右性和湊網(wǎng)絡思性能墻有效殲性的爹平衡②宰優(yōu)化嬌的跨舊層設很計③并提供Qo故S（Qu份al圾it逼y蔑of糕S拉er膜vi心ce）支息持④懸安全喇性⑤更實時恭性2.港2.儲5課程獻目錄2.唉12.鋸2物理受層相峽關(guān)技寬術(shù)信道哀接入直技術(shù)IE訂EE終8告02死.1成5.供4標準2.獲32.立4Zi嗓gB果ee標準2.念3IE框EE蹲8舒02番.1拿5.樓4標準IE辮EE循8戚02波.1輛5.儉4標準閉體系植結(jié)構(gòu)物理照層幀萄結(jié)構(gòu)物理營層幀泥結(jié)構(gòu)2