《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論》課件第4章

第四章物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)4.1短距離無(wú)線通信技術(shù)—ZigBee4.2移動(dòng)通信網(wǎng)4.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

4.1短距離無(wú)線通信技術(shù)—Zigbee

4.1.1ZigBee技術(shù)的概述

ZigBee是IEEE802.15.4技術(shù)的商業(yè)名稱，其前身是“HomeRFlite”技術(shù)。該技術(shù)的核心協(xié)議由2000年12月成立的IEEE802.15.4工作組制定，高層應(yīng)用、互聯(lián)互通測(cè)試和市場(chǎng)推廣由2002年8月組建的ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。ZigBee聯(lián)盟由英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司等組成。已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線設(shè)備開發(fā)商和制造商的加入。同時(shí)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)也受到了其他標(biāo)準(zhǔn)化組織的注意，例如IEEE1451工作組正在考慮在lEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（sensornetwork）。有別于GSM、GPRS等廣域無(wú)線通信技術(shù)和IEEE802.1la、IEEE802.11b等無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，ZigBee的有效通信距離在幾米到幾十米之間，屬于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN：PersonalAreaNetwork）的范疇。IEEE.802委員會(huì)制定了三種無(wú)線PAN技術(shù)：適合多媒體應(yīng)用的高速標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.3；基于藍(lán)牙技術(shù)，適合話音和中等速率數(shù)據(jù)通信的lEEE802.15.1；適合無(wú)線控制和自動(dòng)化應(yīng)用的較低速率的IEEE802.15.4，也就是ZigBee技術(shù)。得益于較低的通信速率必及成熟的無(wú)線芯片技術(shù)，ZigBee設(shè)備的復(fù)雜度、功耗和成本等均較低，適于嵌入到各種電子設(shè)備中，服務(wù)于無(wú)線控制和低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)。典型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)是基于標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）七層模型，但是僅定義了那些相關(guān)實(shí)現(xiàn)預(yù)期市場(chǎng)空間功能的層。IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)較低層：物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制子層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上建立了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層構(gòu)架。應(yīng)用層構(gòu)架由應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象組成。典型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層（NWK）支持星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如圖4.1所示。在星型拓?fù)渲?，網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)叫做ZigBee協(xié)調(diào)器的設(shè)備控制。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，以及所有其它設(shè)備，稱為終端設(shè)備，直接與ZigBee協(xié)調(diào)器通信。在網(wǎng)狀和樹型拓?fù)渲?，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，選擇某些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，但是網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)使用ZigBee路由器進(jìn)行擴(kuò)展。圖4.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓跇湫途W(wǎng)絡(luò)中，路由器使用一個(gè)分級(jí)路由策略在網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)和控制信息。樹型網(wǎng)絡(luò)可以使用IEEE802.15.4-2003規(guī)范中描述的以信標(biāo)為導(dǎo)向的通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)允許完全的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee路由器不會(huì)定期發(fā)出IEEE802.15.4-2003信標(biāo)。本規(guī)范僅描述了內(nèi)部PAN網(wǎng)絡(luò)，即通信開始和終止都是在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，路由器，網(wǎng)關(guān)，都是由一個(gè)單片機(jī)+ZigBee兼容無(wú)線收發(fā)器構(gòu)成的硬件為基礎(chǔ)或者一個(gè)ZigBee兼容的無(wú)線單片機(jī)（例如CC2530），再加上一套內(nèi)部都運(yùn)行一套軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這套軟件由C語(yǔ)言代碼寫成，大約有數(shù)十萬(wàn)行；這個(gè)協(xié)議棧軟件和硬件基礎(chǔ)如圖4.2所示。圖4.2ZigBee協(xié)議棧和硬件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系相對(duì)于常見(jiàn)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議棧緊湊而簡(jiǎn)單，其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低。8位處理器（如80C51，再配上4KROM和64KRAM等就可以滿足其最低需要，從而大大降低了芯片的成本。完整的ZigBee協(xié)議棧模型如圖4.2所示。

ZigBee協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)，lEEE制定物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用匯聚層把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屬性沒(méi)置、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚等功能。網(wǎng)絡(luò)層將采用基于Adhoc技術(shù)的路由協(xié)議，除了包含通用的網(wǎng)絡(luò)層功能外，還應(yīng)該同底層的JEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)同樣省電；另外還應(yīng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)，以最大程度方便消費(fèi)者的使用，降低網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。4.1.2ZigBee物理層

IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻（DSSS：DirectSequenceSpreadspectrum）技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。

24GHz波段為全球統(tǒng)一、無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。24GHz的物理層通過(guò)采用16相調(diào)制技術(shù)，能夠提供250kbit/s的傳輸速率，從而提高了數(shù)據(jù)吞吐量，減小了通信時(shí)延，縮短了數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)，因此更加省電。

868MHz是歐洲附加的ISM頻段，915MHz是美國(guó)附加的ISM頻段，工作在這兩個(gè)頻段上的ZigBee設(shè)備避開了來(lái)自2.4GHz頻段中其他無(wú)線通信設(shè)備和家用電器的無(wú)線電干擾，868MHz上的傳輸速率為20kbit/s，916MHz上的傳輸速率則是40kbit/s。由于這兩個(gè)頻段上無(wú)線信號(hào)的傳播損耗和所受到的無(wú)線電干擾均較小，因此可以降低列接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較大的有效通信距離，從而使用較少的設(shè)備即可覆蓋整個(gè)區(qū)域。

ZigBee使用的無(wú)線信道由表4.1確定。從中可以看出，ZigBee使用的三個(gè)頻段定義了27個(gè)物理信道，其中868MHz頻段定義了1個(gè)信道；915MHz頻段附近定義了10個(gè)信道，信道間隔為2MHz；2.4GHz頻段定義了16個(gè)信道，信道間隔為5MHz，較大的信道間隔有助于簡(jiǎn)化收發(fā)濾波器的設(shè)計(jì)。圖4.3給出了物理層數(shù)據(jù)包的格式，ZigBee物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和凈荷三部分組成。同步包頭由前導(dǎo)碼和數(shù)據(jù)包定界符組成，用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整。物理層包頭指示凈荷部分的長(zhǎng)度，凈荷部分含有MAC層數(shù)據(jù)包，凈荷部分最大長(zhǎng)度是127字節(jié)。圖4.3物理層數(shù)據(jù)包格式4.1.3ZigBee數(shù)據(jù)鏈路層

IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制（LLC：LogicalLinkControl）和MAC兩個(gè)子層。LLC子層在IEEE802.6標(biāo)準(zhǔn)中定義，為802標(biāo)準(zhǔn)系列所共用；而MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層IEEE802.15.4的MAC子層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)業(yè)務(wù)相關(guān)匯聚子層（SSCS：Service-SpecificConvergeIlceSublayer）協(xié)議承載IEEE802.2協(xié)議中第一種類型的LLC標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE802.15.4MAC子層的服務(wù)。

LLC子層的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)包的分段與重組以及確保數(shù)據(jù)包按順序傳輸。IEEE802.15.4MAC子層的功能包括設(shè)備間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和斷開，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗(yàn)與快速自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)（ARQ），預(yù)留時(shí)隙管理以及廣播信息管理等。MAC子層與LLC子層的接口中用于管理目的的原語(yǔ)僅有26條，相對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)的131條原語(yǔ)和32個(gè)事件而言，IEEE802.15.4MAC子層的復(fù)雜度很低，不需要高速處理器，因此降低了功耗和成本。

圖4.4給出了MAC子層數(shù)據(jù)包格式。MAC子層數(shù)據(jù)包由MAC子層幀頭（MHR：MACHeader）、MAC子層載荷和MAC子層幀尾（MFR：MACFooter）組成。圖4.4MAC子層數(shù)據(jù)包格式

MAC子層幀頭由2字節(jié)的幀控制域、1字節(jié)的幀序號(hào)域和最多20字節(jié)的地址域組成。幀控制域指明了MAC幀的類型、地址域的格式以及是否需要接收方確認(rèn)等控制信息；幀序號(hào)域包含了發(fā)送方對(duì)幀的順序編號(hào)，用于匹配確認(rèn)幀，實(shí)現(xiàn)MAC子層的可靠傳輸；地址域采用的尋址方式可以是64bit的IEEEMAC地址或者8bit的ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址。

MAC子層載荷承載LLC子層的數(shù)據(jù)包，其長(zhǎng)度是可變的，但整個(gè)MAC幀的長(zhǎng)度應(yīng)該小于127字節(jié)，其內(nèi)容取決于幀類刑。IEEE802.15.4MAC子層定義了四種幀類型，即廣播幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀。只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認(rèn)幀和MAC命令幀則用于ZigBee設(shè)備間MAC子層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。

MAC子層幀尾含有采用16bitCRC算法計(jì)算出來(lái)的幀校驗(yàn)序列（FCS：FrameCheckSequence），用于接收方判斷該數(shù)據(jù)包是否正確，從而決定是否采用ARQ進(jìn)行差錯(cuò)恢復(fù)。

廣播幀和確認(rèn)幀不需要接收方的確認(rèn)，數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否再需要確認(rèn)，如果需要確認(rèn)，并且已經(jīng)通過(guò)了CRC校驗(yàn)，接收方將立即發(fā)送確認(rèn)幀。若發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)收不到確認(rèn)幀，將自動(dòng)重傳該幀，這就是MAC子層可靠傳輸?shù)幕具^(guò)程。

IEEE802.15.4MAC子層定義了兩種基本的信道接入方法，分別用于兩種ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別是基于中心控制的星型網(wǎng)絡(luò)和基于對(duì)等操作的Adhoc網(wǎng)絡(luò)。在星形網(wǎng)絡(luò)中，中心設(shè)備承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)的形成和維護(hù)、時(shí)隙的劃分、信道接人控制和專用帶寬分配等功能，其余設(shè)備根據(jù)中心設(shè)備的廣播信息來(lái)決定如何接入和使用無(wú)線信道，這是一種時(shí)隙化的載波偵聽和沖突避免（CS-MA-CA：CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）信道接人算法。在Adhoc方式的網(wǎng)絡(luò)中。沒(méi)有中心設(shè)備的控制，也沒(méi)有廣播信道和廣播信息，而是使用標(biāo)準(zhǔn)的CSMA-CA信道接入算法接入網(wǎng)絡(luò)。4.1.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)層

1.網(wǎng)絡(luò)層概述

網(wǎng)絡(luò)層（NWK）必須提供功能，以保證IEEE802.15.4/ZigBee的MAC子層的正確操作，并為應(yīng)用層提供一個(gè)合適的服務(wù)接口。要和應(yīng)用層通信，網(wǎng)絡(luò)層的概念包括兩個(gè)服務(wù)實(shí)體，提供必要的功能，如圖4.5所示。這些服務(wù)實(shí)體是數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。NWK層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）通過(guò)其相關(guān)的SAP，NLDE-SAP，提供了數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而NLME-SAP提供了管理服務(wù)。NIME使用NLDE來(lái)獲得它的一些管理任務(wù)，且它還維護(hù)一個(gè)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，叫做網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)（NIB）。圖4.5網(wǎng)絡(luò)層參考模型網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）應(yīng)提供一個(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)，以允許一個(gè)應(yīng)用程序在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）。設(shè)備本身必須位于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。NLDE將提供以下服務(wù)：

生成網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的PDU（NPDU）：NLDE應(yīng)該可以通過(guò)增加一個(gè)合適的協(xié)議頭，從一個(gè)應(yīng)用支持子層的PDU，生成一個(gè)NPDU。

拓?fù)渲付ǖ穆酚桑篘LDE應(yīng)該可以傳輸一個(gè)NPDU給一個(gè)合適的設(shè)備，它是通信的最終目的地或是通信鏈中朝向最終目的地的下一步。

安全：確保通信的真實(shí)性和機(jī)密性。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME）應(yīng)提供一個(gè)管理服務(wù)，以允許一個(gè)應(yīng)用程序與協(xié)議棧相互作用。NLME應(yīng)提供以下服務(wù)：

配置一個(gè)新設(shè)備：為所需的操作充分配置協(xié)議棧的功能。配置選項(xiàng)包括開始一個(gè)作為一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器的操作，或加入一個(gè)已存在的網(wǎng)絡(luò)。

開始一個(gè)網(wǎng)絡(luò)：建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)的功能。

加入、重新加入和離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)：加入、重新加入或離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能，以及為一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器或ZigBee路由器請(qǐng)求一個(gè)設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)的功能。

尋址：ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器給新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址的能力。

鄰居發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)，記錄和報(bào)告信息關(guān)于設(shè)備的單跳鄰居的能力。路由發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)并記錄通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的路徑的功能，即信息可以有效地傳送。

接收控制：一個(gè)設(shè)備控制何時(shí)接收者是激活的，以及激活多長(zhǎng)時(shí)間，從而使MAC子層同步或直接接收。

路由：這個(gè)是使用不同路由機(jī)制的能力，例如單播，廣播，多播或者多對(duì)，在網(wǎng)絡(luò)中高效交換數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（NLDE-SAP）提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（NLME-SAP）提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)（NIB）的維護(hù)和管理。

網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)MCPS-SAP和MLME-SAP接口為MAC層提供接口。通過(guò)NLDE-SAP與NLME-SAP接口為應(yīng)用層提供接口服務(wù)。

2.網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）即網(wǎng)絡(luò)層的幀結(jié)構(gòu)，如圖4.6所示。圖4.6網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包（幀）格式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）結(jié)構(gòu)（幀結(jié)構(gòu)）基本組成部分：網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭，包含幀控制、地址和序列信息；網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長(zhǎng)有效載荷，包含幀類型所指定的信息。

圖4.6表示的是網(wǎng)絡(luò)層的通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域，但網(wǎng)絡(luò)層的幀的報(bào)頭域，還是按照固定的順序出現(xiàn)。然而，僅僅只有多播標(biāo)志值是1時(shí)才存在多播（多點(diǎn)傳送）控制域。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，定義了兩種類型的網(wǎng)絡(luò)層幀，它們分別是數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)層命令幀。（1）數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀與網(wǎng)絡(luò)層的通用幀結(jié)構(gòu)相同。幀的有效載荷為網(wǎng)絡(luò)層上層要求網(wǎng)絡(luò)層傳送的數(shù)據(jù)。在幀控制域中，幀類型子域應(yīng)為表示數(shù)據(jù)幀的值。根據(jù)數(shù)據(jù)幀的用途，對(duì)其它所有的子域進(jìn)行設(shè)置。

數(shù)據(jù)幀包括網(wǎng)絡(luò)層報(bào)頭和數(shù)據(jù)有效載荷域。

數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡(luò)層報(bào)頭域有控制域和根據(jù)需要適當(dāng)組合而得到的路由域組成。

數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)有效載荷域包含字節(jié)的序列，該序列為網(wǎng)絡(luò)層上層要求網(wǎng)絡(luò)層傳送的數(shù)據(jù)。（2）網(wǎng)絡(luò)層命令幀圖4.7網(wǎng)絡(luò)層命令幀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層命令幀結(jié)構(gòu)如圖4.7所示，網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)與通用網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)基本相同。

網(wǎng)絡(luò)層命令幀中的網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭域由幀控制域和根據(jù)需要適當(dāng)組合得到的路由域組成。在幀控制域中，幀類型子域應(yīng)表示網(wǎng)絡(luò)層命令幀的值。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層命令幀的用途，對(duì)其他所有的子域進(jìn)行設(shè)置。4.1.5ZigBee應(yīng)用層

ZigBee技術(shù)將主要嵌入到消費(fèi)性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、電腦外沒(méi)、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中，支持小范圍內(nèi)基于無(wú)線通信的控制和自動(dòng)化，可能的應(yīng)用包括家庭安全監(jiān)控設(shè)備、空調(diào)遙控器、照明燈和窗簾遙控器、電視和收音機(jī)遙控器，老年人和殘疾人專用的無(wú)線電話按鍵、無(wú)線鼠標(biāo)、鍵盤和游戲手柄，以及工業(yè)和大樓的自動(dòng)化等。通常符臺(tái)下列條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)：

·設(shè)備間距較?。?/p>

·設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很?。?/p>

·設(shè)備體積很小，不容許放置較大的充電電池或者電源模塊；

·只能使用一次性電池，沒(méi)有充足的電力支持；

·無(wú)法做到頻繁更換電池或反復(fù)充電；

·需要覆蓋的范圍較大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需要容納的設(shè)備較多，網(wǎng)絡(luò)主要用于監(jiān)測(cè)或控制。

1．消費(fèi)性電子設(shè)備

消費(fèi)性電子設(shè)備和家居自動(dòng)化是ZigBee技術(shù)最有潛力的市場(chǎng)。消費(fèi)性電子設(shè)備包括手機(jī)、PDA、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等，家用設(shè)備包括電視機(jī)、錄像機(jī)、PC外設(shè)、兒童玩具、游戲機(jī)、門禁系統(tǒng)、窗戶和窗簾、照明、空調(diào)和其他家用電器等。利用ZigBee技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)相機(jī)或者攝像機(jī)的自拍、窗戶遠(yuǎn)距離開關(guān)、室內(nèi)照明系統(tǒng)的遙控、窗簾的自動(dòng)調(diào)整等功能。特別是在手機(jī)或者PDA中加入ZigBee芯片后，就可以被用來(lái)控制電視開關(guān)、調(diào)節(jié)空凋溫度、開啟微波爐等?；赯igBee技術(shù)的個(gè)人身份卡能夠代替家居和辦公室的門禁卡，可以記錄所有進(jìn)出大門的個(gè)人的信息，加上個(gè)人電子指紋技術(shù)，將有助于實(shí)現(xiàn)更加安全的門禁系統(tǒng)。嵌入ZigBee設(shè)備的信用卡可以很方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)線提款和移動(dòng)購(gòu)物，商品的詳細(xì)信息也將通過(guò)ZigBee設(shè)備廣播給顧客。

在家居和個(gè)人電子設(shè)備領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)有著廣闊而誘人的應(yīng)用前景，必將能夠在很大程度上改善我們的生活體驗(yàn)。

2．工業(yè)控制

生產(chǎn)車間可以利用傳感器和ZigBee設(shè)備組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)采集、分析和處理設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)，適合危險(xiǎn)場(chǎng)合、人力所不能及或者不方便的場(chǎng)所，如危險(xiǎn)化學(xué)成分的檢測(cè)、鍋爐爐溫監(jiān)測(cè)、高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的轉(zhuǎn)速監(jiān)控、火災(zāi)的檢測(cè)和預(yù)報(bào)等，以幫助工廠技術(shù)和管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)借助物理定位功能，還可以迅速確定問(wèn)題發(fā)生的位置。ZigBee技術(shù)用于現(xiàn)代化工廠中央控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)，可以免去生產(chǎn)車間內(nèi)的大量布線，降低安裝和維護(hù)的成本，便于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容和重新配置。

3．汽車自動(dòng)化

汽車車輪或者發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝的傳感器可以借助ZigBee網(wǎng)絡(luò)把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及叫地傳送給司機(jī)，從而能夠及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，降低事故發(fā)生的可能性。汽車中使用的ZigBee設(shè)備需?？朔毫拥臒o(wú)線電傳播環(huán)境對(duì)信號(hào)接收的影響以及金屬結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的屏蔽效應(yīng)，內(nèi)置電池的壽命應(yīng)該大于或者等于輪胎或者發(fā)動(dòng)機(jī)本身的壽命。

4．農(nóng)業(yè)自動(dòng)化

農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的特點(diǎn)是需要覆蓋的區(qū)域很大，因此需耍由大量的ZigBee設(shè)備構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)各種傳感器采集諸如士壤濕度、氮元素濃度、PH值，降水量、溫度、空氣濕度和氣壓等信息，以幫助農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問(wèn)題的位置，這樣農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動(dòng)化、智能化、適程控制的生產(chǎn)設(shè)備。

5．醫(yī)學(xué)輔助控制

醫(yī)院里借助于各種傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，能夠準(zhǔn)確而實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)病人的血壓、體溫和心率等關(guān)鍵信息，幫助醫(yī)生做出快速的反應(yīng)。特別適用于對(duì)重病和病?；颊叩目醋o(hù)和治療。帶有微型紐扣電池的自動(dòng)化、無(wú)線控制的小型醫(yī)療器械將能夠深入病人體內(nèi)完成手術(shù)，從而在定程度上減輕病人開刀的痛苦。 4.2移動(dòng)通信網(wǎng)

通信，指人與人或人與自然之間通過(guò)某種行為或媒介進(jìn)行的信息交流與傳遞，從廣義上指需要信息的雙方或多方在不違背各自意愿的情況下，無(wú)論采用何種方法，使用何種媒質(zhì)，將信息從某方準(zhǔn)確安全傳送到另一方。據(jù)信號(hào)方式的不同，通信可分為模擬通信和數(shù)字通信。什么是模擬通信呢？比如在電話通信中，用戶線上傳送的電信號(hào)是隨著用戶聲音大小的變化而變化的。這個(gè)變化的電信號(hào)無(wú)論在時(shí)間上或是在幅度上都是連續(xù)的，這種信號(hào)稱為模擬信號(hào)。在用戶線上傳輸模擬信號(hào)的通信方式稱為“模擬通信”。數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)不同，它是一種離散的、脈沖有無(wú)的組合形式，是負(fù)載數(shù)字信息的信號(hào)。電報(bào)信號(hào)就屬于數(shù)字信號(hào)?，F(xiàn)在最常見(jiàn)的數(shù)字信號(hào)是幅度取值只有兩種(用0和1代表)的波形，稱為“二進(jìn)制信號(hào)”?！皵?shù)字通信”是指用數(shù)字信號(hào)作為載體來(lái)傳輸信息，或者用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行數(shù)字調(diào)制后再傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。?shù)字通信與模擬通信相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：首先是抗干擾能力強(qiáng)。模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中和疊加的噪聲很難分離，噪聲會(huì)隨著信號(hào)被傳輸、放大、嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。數(shù)字通信中的信息是包含在脈沖的有無(wú)之中的，只要噪聲絕對(duì)值不超過(guò)某一門限值，接收端便可判別脈沖的有無(wú)，以保證通信的可靠性。其次是遠(yuǎn)距離傳輸仍能保證質(zhì)量。因?yàn)閿?shù)字通信是采用再生中繼方式，能夠消除噪音，再生的數(shù)字信號(hào)和原來(lái)的數(shù)字信號(hào)一樣，可繼續(xù)傳輸下去，這樣通信質(zhì)量便不受距離的影響，可高質(zhì)量地進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。此外，它還具有適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)要求(如電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等)，便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，便于采用大規(guī)模集成電路，便于實(shí)現(xiàn)加密處理，便于實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)的計(jì)算機(jī)管理等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，必須使發(fā)送端發(fā)出的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，這個(gè)過(guò)程稱為“模數(shù)變換”。模擬信號(hào)數(shù)字化最基本的方法有三個(gè)過(guò)程，第一步是“抽樣”，就是對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行離散化處理，通常是以相等的時(shí)間間隔來(lái)抽取模擬信號(hào)的樣值。第二步是“量化”，將模擬信號(hào)樣值變換到最接近的數(shù)字值。因抽樣后的樣值在時(shí)間上雖是離散的，但在幅度上仍是連續(xù)的，量化過(guò)程就是把幅度上連續(xù)的抽樣也變?yōu)殡x散的。第三步是“編碼”，就是把量化后的樣值信號(hào)用一組二進(jìn)制數(shù)字代碼來(lái)表示，最終完成模擬信號(hào)的數(shù)字化。數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字網(wǎng)進(jìn)行傳輸。接收端則是一個(gè)還原過(guò)程，把收到的數(shù)字信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)，即“數(shù)據(jù)摸變換”，從而再現(xiàn)聲音或圖像。如果發(fā)送端發(fā)出的信號(hào)本來(lái)就是數(shù)字信號(hào)，則用不著進(jìn)行模數(shù)變換過(guò)程，數(shù)字信號(hào)可直接進(jìn)入數(shù)字網(wǎng)進(jìn)行傳輸。由于人們對(duì)各種通信業(yè)務(wù)的需求迅速增加，數(shù)字通信正向著小型化、智能化、高速大容量的方向迅速發(fā)展，最終必將取代模擬通信。4.2.1移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信息傳播過(guò)程簡(jiǎn)單地描述為：信源→信道→信宿。其中，“信源”是信息的發(fā)布者，即上載者；“信宿”是信息的接收者，即最終用戶。信道是傳送信息的物理性通道，在兩點(diǎn)之間用于收發(fā)信號(hào)的單向或雙向通路。信道又可分為有線信道和無(wú)線信道。

無(wú)線通信系統(tǒng)也稱為無(wú)線電通信系統(tǒng)，是由發(fā)送設(shè)備、接收設(shè)備、無(wú)線信道三大部分組成的，利用無(wú)線電磁波，以實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。如圖4.8所示。圖4.8無(wú)線通信系統(tǒng)組成圖4.9電磁波工作覆蓋范圍頻譜（信道）是我們區(qū)別各種電波的一個(gè)重要依據(jù)，無(wú)線通信的頻譜（信道）在射頻這一段包括了我們常見(jiàn)的調(diào)頻收音機(jī)，各種手機(jī)，無(wú)線電話，無(wú)線衛(wèi)星電視等等，由于從幾十兆到幾千兆的頻譜（信道）上，集中了各種不同的無(wú)線應(yīng)用，而且這些無(wú)線電傳播都使用同一個(gè)通信媒介——空氣中的電磁波，所以為了保證各種無(wú)線通信之間不相互干擾，就需要對(duì)無(wú)線信道的使用進(jìn)行必要的管理。世界無(wú)線通信頻率信道覆蓋情況如圖4.10所示。信道帶寬限定了允許通過(guò)該信道的信號(hào)下限頻率和上限頻率，也就是限定了一個(gè)頻率通帶。任意在該頻帶范圍內(nèi)的各種單頻波也可以通過(guò)該信道。圖4.10世界無(wú)線信道工作頻率覆蓋范圍圖4.11無(wú)線收發(fā)裝置結(jié)構(gòu)4.2.2數(shù)據(jù)傳輸方式

1）并行傳輸與串行傳輸（按代碼傳輸?shù)捻樞蚍郑?/p>

并行傳輸指的是數(shù)據(jù)以成組的方式，在多條并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸。適用與計(jì)算機(jī)等設(shè)備內(nèi)部或兩個(gè)設(shè)備之間距離比較近時(shí)的外線上采用。優(yōu)點(diǎn)為不需要額外的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方的字符同步。缺點(diǎn)則是必須有多條并行信道，成本比較高，不適宜遠(yuǎn)距離傳輸。

串行傳輸指的是組成字符的若干位二進(jìn)制碼排列成數(shù)據(jù)流以串行的方式在一條信道上傳輸。是目前外線上主要采用的一種傳輸方式。優(yōu)點(diǎn)是只需要一條傳輸信道，易于實(shí)現(xiàn)，但要采取措施實(shí)現(xiàn)字符同步。

2）異步傳輸和同步傳輸（按同步方式分）

異步傳輸方式一般以字符為單位傳輸，每個(gè)字符的起始時(shí)刻可以是任意的。為了正確地區(qū)分一個(gè)個(gè)字符，不論字符所采用的代碼為多少位，在發(fā)送每一個(gè)字符時(shí)，都要在前面加上一個(gè)起始位，長(zhǎng)度為一個(gè)碼元長(zhǎng)度，極性為“0”，表示一個(gè)字符的開始；后面加上一個(gè)終止位，長(zhǎng)度為1.5或2個(gè)碼元長(zhǎng)度，極性為“1”，表示一個(gè)字符的結(jié)束。能實(shí)現(xiàn)字符同步，比較簡(jiǎn)單，收發(fā)雙方的時(shí)鐘信號(hào)不需要嚴(yán)格同步。缺點(diǎn)是對(duì)每個(gè)字符都需加入起始位和終止位，因而信息傳輸效率低。同步傳輸是以固定的時(shí)鐘節(jié)拍來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)的，因此在一個(gè)串行數(shù)據(jù)流中，各信號(hào)碼元之間的相對(duì)位置是固定的（即同步）。傳輸效率較高，但接收方為了從接收到的數(shù)據(jù)流中正確地區(qū)分一個(gè)個(gè)信號(hào)碼元，必須建立準(zhǔn)確的時(shí)鐘同步等，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜。

3）單工、半雙工和全雙工傳輸（按數(shù)據(jù)電路的傳輸能力分）

單工傳輸：傳輸系統(tǒng)的兩端數(shù)據(jù)只能沿單一方向發(fā)送和接收。

半雙工傳輸：系統(tǒng)兩端可以在兩個(gè)方向上進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，但兩個(gè)方向的傳輸不能同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)其中一端發(fā)送時(shí)，另一端只能接收，反之亦然。

全雙工傳輸：系統(tǒng)兩端可以在兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即兩端都可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。4.2.3無(wú)線通信系統(tǒng)的多路訪問(wèn)技術(shù)

無(wú)線通信與有線通信在諸多重要環(huán)節(jié)上完全不同，這些環(huán)節(jié)中的異同導(dǎo)致了他們之間的通信質(zhì)量的差異：

（1）無(wú)線鏈路是通過(guò)相同的傳輸媒介——空氣來(lái)傳播無(wú)線電信號(hào)；

（2）誤碼率比常規(guī)有線系統(tǒng)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于存在上述差異，RF鏈路的可靠性比有線鏈路低；

（3）為了實(shí)現(xiàn)在同一范圍內(nèi)多點(diǎn)間通訊，必須考慮防止數(shù)據(jù)包在空氣中的傳輸時(shí)相互碰撞，為了建立可靠的無(wú)線傳輸通路，必須采用各種方法。例如TDMA/FDMA/CSMA等都是無(wú)線通信中實(shí)行多路訪問(wèn)和提高信道效率，提高通訊可靠性的常用的辦法。一、頻分多址FDMA訪問(wèn)技術(shù)

FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess），是數(shù)據(jù)通信中的一種技術(shù)，即不同的用戶分配在時(shí)隙相同而頻率不同的信道上，如圖4.12所示。按照這種技術(shù)，把在頻分多路傳輸系統(tǒng)中集中控制的頻段根據(jù)要求分配給用戶。同固定分配系統(tǒng)相比，頻分多址使通道容量可根據(jù)要求動(dòng)態(tài)地進(jìn)行交換。

在FDMA系統(tǒng)中，分配給用戶一個(gè)信道，即一對(duì)頻譜，一個(gè)頻譜用作前向信道即基站向移動(dòng)臺(tái)方向的信道，另一個(gè)則用作反向信道即移動(dòng)臺(tái)向基站方向的信道。這種通信系統(tǒng)的基站必須同時(shí)發(fā)射和接收多個(gè)不同頻率的信號(hào)，任意兩個(gè)移動(dòng)用戶之間進(jìn)行通信都必須經(jīng)過(guò)基站的中轉(zhuǎn)，因而必須同時(shí)占用2個(gè)信道(2對(duì)頻譜)才能實(shí)現(xiàn)雙工通信。圖4.12頻分多址FDMA工作原理二、時(shí)分多址TDMA訪問(wèn)技術(shù)

時(shí)分多址(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)是把時(shí)間分割成周期性幀(Frame)每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào)，在滿足定時(shí)和同步的條件下，基站可以分別在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)終端的信號(hào)而不混擾。同時(shí)基站發(fā)向多個(gè)移動(dòng)終端的信號(hào)都按順序安排在予定的時(shí)隙中傳輸，各移動(dòng)終端只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收，就能在電路的信號(hào)中把發(fā)給它的信號(hào)區(qū)分并接收下來(lái)。如圖4.13所示。

TDMA較之FDMA具有通信口號(hào)質(zhì)量高，保密較好，系統(tǒng)容量較大等優(yōu)點(diǎn)，但它必須有精確的定時(shí)和同步以保證移動(dòng)終端和基站間正常通信，技術(shù)上比較復(fù)雜。圖4.13時(shí)分多址TDMA訪問(wèn)技術(shù)原理圖

TDMA是中一個(gè)信道上對(duì)時(shí)間進(jìn)行分配，讓設(shè)備在不同的時(shí)間中完成數(shù)據(jù)的交互通信。

模塊TX1和模塊TX2利用在編程時(shí)，程序的寫法是完全相同的，模塊TX1和模塊TX2不斷檢測(cè)按鍵，如果有按鍵按下，發(fā)送模塊（以后稱為節(jié)點(diǎn)模塊）就開始接收模塊（以后稱之為主機(jī)）定時(shí)發(fā)送出來(lái)的同步信號(hào)。收到同時(shí)信號(hào)后，就產(chǎn)生一個(gè)與自己ID相關(guān)的延時(shí)函數(shù)后直接把按鍵值發(fā)送出去。而主機(jī)每時(shí)每刻自動(dòng)掃描監(jiān)視空氣中的信號(hào)并在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)送一次同步信號(hào)，發(fā)現(xiàn)有合格的數(shù)據(jù)包，就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行接收。

這就實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)(主機(jī)模塊)對(duì)多點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)２)的可靠無(wú)線數(shù)據(jù)通訊。很多工業(yè)控制的無(wú)線系統(tǒng)，無(wú)線傳感器系統(tǒng)，很多都常用TDMA的無(wú)線通信傳輸方式。三、載波偵聽CSMA訪問(wèn)技術(shù)

CSMA/CD是英文“CarrierSenseMultipleAccessCollisiondetect”的縮寫，中文的意思是“載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)”，如圖4.14所示。其工作原理如下：

(1)若媒體空閑，則傳輸；

(2)若媒體忙，一直監(jiān)聽直到信道空閑，然后立即傳輸；

(3)若在傳輸中監(jiān)聽到干擾，則發(fā)干擾信號(hào)通知所有站點(diǎn)。等候一段時(shí)間，再次傳輸。圖4.14載波偵聽CSMA訪問(wèn)技術(shù)原理圖可以通俗理解為“先聽后說(shuō)，邊說(shuō)邊聽”。CSMA/CD是一種分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議，網(wǎng)中的各個(gè)站（節(jié)點(diǎn)）都能獨(dú)立地決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收。每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進(jìn)行載波監(jiān)聽，只有介質(zhì)空閑時(shí)，才允許發(fā)送幀。這時(shí)，如果兩個(gè)以上的站同時(shí)監(jiān)聽到介質(zhì)空閑并發(fā)送幀，則會(huì)產(chǎn)生沖突現(xiàn)象，這使發(fā)送的幀都成為無(wú)效幀，發(fā)送隨即宣告失敗。

每個(gè)站必須有能力隨時(shí)檢測(cè)沖突是否發(fā)生，一旦發(fā)生沖突，則應(yīng)停止發(fā)送，以免介質(zhì)帶寬因傳送無(wú)效幀而被白白浪費(fèi)，然后隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間后，再重新爭(zhēng)用介質(zhì)，重發(fā)送幀。CSMA/CD協(xié)議簡(jiǎn)單、可靠，其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如Ethernet）被廣泛使用。載波監(jiān)視這種無(wú)線通信方式比起前面介紹的FDMA/TDMA來(lái)，它能更好的利用資源，因?yàn)檫@種通信方法在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，一直在檢測(cè)空氣中是否存在有相同頻率的載波，如果在當(dāng)前時(shí)間空氣中有相同頻率的載波，就不發(fā)送數(shù)據(jù)，如果空氣中沒(méi)有同頻率的載波，表明現(xiàn)在空間資源沒(méi)有被占用，可以發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣不僅提高了空間資源的利用效率，也同時(shí)提高了通信的可靠性。四、跳頻通訊FHSS訪問(wèn)技術(shù)

跳頻通訊(FHSS)可以說(shuō)是抗干擾能力最強(qiáng)的一種通信方式，如圖4.15所示。其實(shí)它的原理和上面講的CSMA的原理近似。但與CSMA通信方式比較，跳頻通信的靈活性更大，能夠更加合理的利用空間資源。

在跳頻的通信過(guò)程中，發(fā)送端如果在發(fā)送了數(shù)據(jù)包裝后，在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有回復(fù)，那就說(shuō)明空氣中有相同頻率的載波存在。不會(huì)如CSMA遇到這樣的情況就進(jìn)入了等待狀態(tài)，跳頻中這時(shí)就更換頻道了，繼續(xù)嘗試有沒(méi)有回復(fù)，如有回復(fù)就說(shuō)明通信成功。這樣就可以容易的實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送端的跳頻節(jié)奏一致，這樣就把的通信范圍從一個(gè)頻道擴(kuò)展到了一個(gè)頻譜上。圖4.15跳頻通信訪問(wèn)技術(shù)原理圖4.2.4常見(jiàn)多路復(fù)用技術(shù)

使用調(diào)制載波發(fā)送數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與利用調(diào)制載波廣播視頻信息的電視臺(tái)相類似，這一相似給理解下述原理提供了啟發(fā)：兩個(gè)或多個(gè)使用不同載波頻率的信號(hào)可以在單一介質(zhì)上同時(shí)傳輸而互不干擾。為理解這一原理，考慮有線電視傳輸是如何工作的。每個(gè)電視臺(tái)都分配有一定的頻道，事實(shí)上，頻道就是電視臺(tái)所用載波的振蕩頻率。為接收一個(gè)頻道，電視機(jī)必須調(diào)諧至發(fā)送器同樣的頻率。更重要的是，一個(gè)城市可以有多個(gè)電視臺(tái)，彼此在不同的頻率上同時(shí)廣播。一個(gè)接收器在任一時(shí)間選擇接收其中一個(gè)。有線電視這一例子說(shuō)明了以上原理應(yīng)用于多個(gè)信號(hào)在一根導(dǎo)線上同時(shí)傳輸時(shí)的情形。雖然一個(gè)有線電視用戶僅有一根物理導(dǎo)線連接有線電視公司，但用戶仍可同時(shí)收到許多頻道的信息。一個(gè)頻道中的信號(hào)并不與其他頻道中的信號(hào)相互干擾，收看頻道6時(shí)可以不受頻道5或7的信息干擾。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分離頻道的原理以使多個(gè)通信共享單根物理連線。每一發(fā)送器用一個(gè)給定頻率的載波傳輸數(shù)據(jù)，每一接收器被設(shè)置成只接收給定頻率的載波，且不受其他頻率的干擾。所有載波可在同一時(shí)間通過(guò)同一導(dǎo)線而互不干擾。頻分多路復(fù)用（frequencydivisionmultiplexing，F(xiàn)DM）是用多個(gè)載波頻率在一個(gè)介質(zhì)中同時(shí)傳輸多個(gè)獨(dú)立信號(hào)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)術(shù)語(yǔ)。FDM技術(shù)可用于在導(dǎo)線、RF或光纖上傳輸信號(hào)。圖4.16說(shuō)明了這一概念并顯示了FDM所需的硬件。每一個(gè)源和目標(biāo)對(duì)都用一個(gè)共享通道發(fā)送數(shù)據(jù)而互不干擾。實(shí)際上，線路兩端都需要一個(gè)多路復(fù)用器和一個(gè)逆多路復(fù)用器，以便實(shí)現(xiàn)雙向通信。并且多路復(fù)用器可能需要額外的能產(chǎn)生多種載波頻率的發(fā)生電路。圖4.16復(fù)用概念示意圖理論上，工作在不同頻率上的載波將一直保持相互獨(dú)立，但實(shí)際上，兩個(gè)頻率接近或頻率成整倍數(shù)的載波相互會(huì)形成干涉。為避免這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)FDM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工程師們?cè)诟鬏d波之間設(shè)定一個(gè)最起碼的頻率間隔（電視臺(tái)和無(wú)線電臺(tái)同樣需要考慮載波頻率之間的最小間隔）。在各載波頻率之間要求存在較大的間隔意味著所用的FDM硬件必須能容納很寬的頻率范圍。結(jié)果，F(xiàn)DM僅用于高帶寬傳輸通信中。一、基帶和寬帶技術(shù)

工程師們利用頻分多路復(fù)用建立了許多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它們?cè)试S在同一介質(zhì)上同時(shí)進(jìn)行相互獨(dú)立的通信。例如，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用的發(fā)送器和接收器可以設(shè)定為特定的頻道，使同一房間內(nèi)兩組獨(dú)立的計(jì)算機(jī)能同時(shí)通信。一組計(jì)算機(jī)使用頻道1進(jìn)行通信，同時(shí)另一組使用頻道2進(jìn)行通信。使用頻分多路復(fù)用的主要?jiǎng)訖C(jī)在于對(duì)高吞吐率的需求。為了達(dá)到更高的吞吐率，底層的硬件使用電磁頻譜中更大的一部分（即更高的帶寬）。這樣，寬帶技術(shù)（broadbandtechnology）這一術(shù)語(yǔ)用來(lái)描述這些技術(shù)。另一方面，任何只使用電磁頻譜中很小的一部分，一次只在介質(zhì)上發(fā)送一個(gè)信號(hào)的技術(shù)稱為基帶技術(shù)（basebandtechnology）。

工作在無(wú)線電頻率的頻分多路復(fù)用技術(shù)同樣可以應(yīng)用于光傳輸系統(tǒng)。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，光的FDM被稱為波分多路復(fù)用（wavedivisionmultiplexing）。因?yàn)榭梢?jiàn)光的頻率在人們看來(lái)就是不同的顏色，工程師們有時(shí)也使用非正式的說(shuō)法：色分多路復(fù)用（colordivisionmultiplexing），并將載波戲稱為“紅”，“橙”，“藍(lán)”等。二、波分多路復(fù)用與分布頻譜

波分多路復(fù)用將多種光波通過(guò)同一根光纖發(fā)送。在接收端，一塊玻璃棱鏡被用來(lái)分開不同頻率的光波。和一般的FDM類似，因?yàn)樘囟l率的光不會(huì)干擾另一頻率的光，所以不同頻率的載波可以合并在同一介質(zhì)中傳輸。

FDM的一個(gè)特別應(yīng)用范例是用多個(gè)載波以提高可靠性。這一技術(shù)稱為分布頻譜（spreadspectrum），并被用于多種目的。采用分布頻譜技術(shù)的主要原因是為了在某些頻率上偶爾會(huì)發(fā)生干擾的傳輸系統(tǒng)中提高可靠性。例如，考慮一個(gè)用無(wú)線電波通信的網(wǎng)絡(luò)，如果發(fā)送器或接收器和某個(gè)電磁干擾源靠得很近，或在發(fā)送器和接收器之間有某個(gè)大物體正在移動(dòng)，系統(tǒng)最佳的載波頻率在不同時(shí)刻是不同的。在某個(gè)給定時(shí)刻，某個(gè)載波頻率可能工作正常而其他的卻不能，稍后一段時(shí)間，另一頻率可能工作正常而先前的卻不能。分布頻譜技術(shù)通過(guò)使發(fā)送器用一組獨(dú)立的載波頻率同時(shí)發(fā)送同一信號(hào)的技術(shù)解決了這一問(wèn)題。此時(shí)，接收器必須配置成能檢查所有載波頻率并使用當(dāng)前正常工作的載波頻率。

某些撥號(hào)調(diào)制解調(diào)器也使用分布頻譜傳輸?shù)囊环N形式來(lái)提高可靠性。和用單個(gè)載波頻率發(fā)送數(shù)據(jù)不同，這種調(diào)制解調(diào)器選擇一組載波頻率并同時(shí)使用它們，發(fā)送器在每個(gè)載波上同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，若某一干擾妨礙了某些載波頻率抵達(dá)接收器，數(shù)據(jù)仍能通過(guò)剩下的載波到達(dá)。三、時(shí)分多路復(fù)用

和FDM不同的另一種復(fù)用形式是時(shí)分多路復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）。在這種方式中各個(gè)發(fā)送源輪流使用共享的通信介質(zhì)。例如，某些TDM硬件使用循環(huán)方案共享介質(zhì)，當(dāng)多路復(fù)用器從源1發(fā)送一小批數(shù)據(jù)然后從源2發(fā)送一小批數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。這一方法給每個(gè)數(shù)據(jù)源以同等的機(jī)會(huì)使用共享的介質(zhì)。實(shí)際上，絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用某種形式的TDM。4.2.5現(xiàn)代遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)

一、碼分多址(CDMA)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)

CDMA是一種以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的調(diào)制和多址接入技術(shù)，因其保密性能好,抗干擾能力強(qiáng)而廣泛應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)域，并且早在19世紀(jì)40年代就有過(guò)商用的嘗試。經(jīng)過(guò)了四十幾年的努力，克服了一個(gè)又一個(gè)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，直到1993年7月由美國(guó)Qualcomm公司開發(fā)的CDMA蜂窩體制被采納為北美數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)，定名為IS-95，CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)才正式走上商業(yè)通信市場(chǎng)。

1995年我國(guó)香港建立了世界上第一個(gè)CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng),而后韓國(guó)、美國(guó)等國(guó)家先后建立了CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)，到2000年底,全球的CDMA用戶已超過(guò)4000萬(wàn)。

CDMA蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)與FDMA模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)或TDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)相比有更大的系統(tǒng)容量、更高的話音質(zhì)量以及抗干擾能力強(qiáng)、保密性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而CDMA也成為第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的方式。本書以IS-95標(biāo)準(zhǔn)為例，對(duì)CDMA系統(tǒng)作簡(jiǎn)要介紹。

CDMA系統(tǒng)是以擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和碼分多址接入技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)。在CDMA系統(tǒng)中，不同用戶傳輸?shù)男畔⑹强扛髯圆煌木幋a序列來(lái)區(qū)分的。CDMA的示意圖如圖4.17所示，可以看出信號(hào)在時(shí)間域和頻率域是重疊的，用戶信號(hào)是靠各自不同的編碼序列ci

來(lái)區(qū)分的。圖4.17CDMA的示意圖

S-95標(biāo)準(zhǔn)的全稱是“雙模寬帶擴(kuò)譜蜂窩系統(tǒng)的移動(dòng)臺(tái)-基站兼容標(biāo)準(zhǔn)”，這說(shuō)明IS-95標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)公共空中接口(CAI)。它沒(méi)有完全規(guī)定一個(gè)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)，而只是提出了信令協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和限制，不同的制造商可采用不同的技術(shù)和工藝制造出符合IS-95標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的系統(tǒng)和設(shè)備。

CDMA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與一般數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同，包括基站子系統(tǒng)、移動(dòng)臺(tái)子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和操作支持子系統(tǒng)等。CDMA系統(tǒng)與TDMA系統(tǒng)的主要差別在于無(wú)線信道的構(gòu)成、相關(guān)的無(wú)線接口和無(wú)線設(shè)備、特殊的控制功能等。

IS-95系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如下：

(1)工作頻率：IS-95下行鏈路的頻率為824～849MHz，上行鏈路的頻率為869～894MHz,一對(duì)下行鏈路頻率和上行鏈路頻率的頻率間隔為45MHz，帶寬1.25MHz；

(2)碼片速率：1.2288Mc/s；

(3)比特率：速率集1為9.6kb/s，速率集2為14.4kb/s，IS-95B為115.2kb/s；

(4)幀長(zhǎng)度：20ms；

(5)語(yǔ)音編碼器：QCELP8kb/s，EVRC8kb/s，ACELP13kb/s；

(6)功率控制：上行鏈路采用開環(huán)+快速閉環(huán)，下行鏈路采用慢速閉環(huán)；

(7)擴(kuò)展碼：Walsh+長(zhǎng)M的序列。

CDMA系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)容量大，根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試表明，CDMA系統(tǒng)容量是模擬系統(tǒng)的10～20倍，是TDMA系統(tǒng)的4倍。

(2)CDMA系統(tǒng)具有軟容量特性。在FDMA和TDMA系統(tǒng)中，當(dāng)所有頻道或時(shí)隙被占滿以后，再無(wú)法增加一個(gè)用戶。此時(shí)若有新的用戶呼叫，只能遇忙等待產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象。而CDMA系統(tǒng)的全部用戶共享一個(gè)無(wú)線信道，用戶信號(hào)是靠編碼序列區(qū)分的，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷滿載時(shí)，再增加少量用戶只會(huì)引起話音質(zhì)量的輕微下降，而不會(huì)產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象。CDMA系統(tǒng)的這一特性，使系統(tǒng)容量和用戶數(shù)之間存在一種“軟”關(guān)系。在業(yè)務(wù)高峰期間，可以通過(guò)稍微降低系統(tǒng)的誤碼性能，達(dá)到增多系統(tǒng)用戶數(shù)目。系統(tǒng)軟容量的另一種形式是小區(qū)呼吸功能。所謂小區(qū)呼吸功能是指各個(gè)小區(qū)的覆蓋區(qū)域大小是動(dòng)態(tài)的。當(dāng)相鄰的兩個(gè)小區(qū)負(fù)荷一輕一重時(shí)，負(fù)荷重的小區(qū)通過(guò)減小導(dǎo)頻發(fā)射功率，使本小區(qū)邊緣的用戶由于導(dǎo)頻功率強(qiáng)度不夠而切換到相鄰小區(qū)，使重負(fù)荷小區(qū)的負(fù)荷得到分擔(dān)，從而增加了系統(tǒng)的容量。

(3)CDMA系統(tǒng)具有軟切換功能。所謂軟切換是指當(dāng)移動(dòng)臺(tái)需要切換時(shí)，先與新小區(qū)的基站連通，再與原來(lái)小區(qū)的基站切斷聯(lián)系。在切換過(guò)程中，原小區(qū)的基站和新小區(qū)的基站同時(shí)為過(guò)區(qū)的移動(dòng)臺(tái)服務(wù)。軟切換功能可以使過(guò)區(qū)切換的可靠性提高。

(4)CDMA系統(tǒng)具有話音激活功能。由于人類通話過(guò)程中話音是不連續(xù)的，占空比小于35%。CDMA系統(tǒng)采用可變速率聲碼器，在不講話時(shí)傳輸速率降低，減小對(duì)小區(qū)其他用戶的影響，從而增加系統(tǒng)的容量。

(5)CDMA系統(tǒng)是以擴(kuò)頻技術(shù)為基礎(chǔ)的，因此具有抗干擾、抗多徑衰落、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

CDMA系統(tǒng)中切換有三種類型：硬切換、軟切換和更軟切換。移動(dòng)臺(tái)穿越不同工作頻率的小區(qū)時(shí)進(jìn)行硬切換，移動(dòng)臺(tái)先要切斷與原所屬小區(qū)基站的聯(lián)系，然后再與新小區(qū)基站建立聯(lián)系。移動(dòng)臺(tái)穿越相同工作頻率的小區(qū)時(shí)進(jìn)行軟切換，移動(dòng)臺(tái)先與新小區(qū)基站建立聯(lián)系然后再切斷與原所屬小區(qū)基站的聯(lián)系。移動(dòng)臺(tái)在同一小區(qū)內(nèi)穿越相同工作頻率的扇區(qū)時(shí)進(jìn)行更軟切換，由于更軟切換不需要固定網(wǎng)絡(luò)的信令，因此其切換過(guò)程比軟切換的建立更快。

軟切換是CDMA系統(tǒng)獨(dú)有的切換功能，可有效地提高切換的可靠性，而且當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于小區(qū)的邊緣時(shí)，軟切換能提供前向業(yè)務(wù)信道和反向業(yè)務(wù)信道的分集，從而保證通信的質(zhì)量。

二、3G無(wú)線遠(yuǎn)程通信

隨著世界范圍通信領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，移動(dòng)通信已逐漸成為通信領(lǐng)域的主流。到目前為止，商用移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了兩代。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)是采用FDMA方式的模擬移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)，如AMPS、TACS等。由于其系統(tǒng)容量小，不能滿足移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，目前已逐步被淘汰。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用TDMA或窄帶CDMA方式的數(shù)字移動(dòng)蜂窩系統(tǒng)，如GSM、IS-95等，它是目前世界各國(guó)所廣泛采用的移動(dòng)通信系統(tǒng)。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)在系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量、功能等方面比第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)有了很大提高。隨著移動(dòng)通信終端的普及，移動(dòng)用戶數(shù)量成倍地增長(zhǎng)，第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的缺陷也逐漸顯現(xiàn)，如全球漫游問(wèn)題、系統(tǒng)容量問(wèn)題、頻譜資源問(wèn)題、支持寬帶業(yè)務(wù)問(wèn)題等。為此，從20世紀(jì)90年代開始，各國(guó)和世界組織又開展了對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，它包括地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)，移動(dòng)終端既可以連接到地面的網(wǎng)絡(luò)，也可以連接到衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)工作在2000MHz頻段。為此1996年國(guó)際電信聯(lián)盟正式將其命名為IMT-2000。

第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)是將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，形成一個(gè)全球無(wú)縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡(luò)，以滿足城市和偏遠(yuǎn)地區(qū)不同密度用戶的通信要求，支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)人類個(gè)人通信的愿望。作為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：

(1)第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)一般為區(qū)域或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)將是一個(gè)在全球范圍內(nèi)覆蓋和使用的系統(tǒng)。它將使用共同的頻段，全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)或兼容標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫漫游。

(2)具有支持多媒體業(yè)務(wù)的能力，特別是支持Internet業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)主要以提供話音業(yè)務(wù)為主，隨著發(fā)展一般也僅能提供100～200kb/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GSM演進(jìn)到最高階段的速率能力為384kb/s。而第三代移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)能力將比第二代有明顯的改進(jìn)。它應(yīng)能支持從話音、分組數(shù)據(jù)到多媒體業(yè)務(wù)；應(yīng)能根據(jù)需要提供帶寬。ITU規(guī)定的第三代移動(dòng)通信無(wú)線傳輸技術(shù)的最低要求中，必須滿足在以下三個(gè)環(huán)境的三種要求。即：

·快速移動(dòng)環(huán)境，最高速率達(dá)144kb/s；

·室外到室內(nèi)或步行環(huán)境，最高速率達(dá)384kb/s；

·室內(nèi)環(huán)境，最高速率達(dá)2Mb/s。

(3)便于過(guò)渡、演進(jìn)。由于第三代移動(dòng)通信引入時(shí)，第二代網(wǎng)絡(luò)已具有相當(dāng)規(guī)模，所以第三代的網(wǎng)絡(luò)一定要能在第二代網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上逐漸靈活演進(jìn)而成，并應(yīng)與固定網(wǎng)兼容。

(4)支持非對(duì)稱傳輸模式。由于新的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，比如WWW瀏覽等具有非對(duì)稱特性，上行傳輸速率往往只需要幾千比特每秒，而下行傳輸速率可能需要幾百千比特每秒，甚至上兆比特每秒才能滿足需要。

(5)更高的頻譜效率。通過(guò)相干檢測(cè)、Rake接收、軟切換、智能天線、快速精確的功率控制等新技術(shù)的應(yīng)用，有效地提高系統(tǒng)的頻譜效率和高服務(wù)質(zhì)量。無(wú)線傳輸技術(shù)（RTT）是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分，其主要包括調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信道編解碼技術(shù)、復(fù)用技術(shù)、多址技術(shù)、信道結(jié)構(gòu)、幀結(jié)構(gòu)、RF信道參數(shù)等。無(wú)線傳輸技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要由ITU-R完成，網(wǎng)絡(luò)部分由ITU-T負(fù)責(zé)。ITU還專門成立了一個(gè)中間協(xié)調(diào)組(ICG),使ITU-R和ITU-T之間定期進(jìn)行交流，并協(xié)調(diào)在制定IMT-2000技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。根據(jù)國(guó)際電聯(lián)對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的要求，各大電信公司聯(lián)盟均已提出了自己的無(wú)線傳輸技術(shù)提案。至1998年9月，包括移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)在內(nèi)的RTT提案多達(dá)16個(gè)，它們基本來(lái)自IMT-2000的16個(gè)RTT評(píng)估組成員。其中有10個(gè)是IMT-2000地面系統(tǒng)提案(表8.1)，6個(gè)是衛(wèi)星系統(tǒng)提案。表4.2為RTT方案。到2000年初已完成了IMT-2000的無(wú)線技術(shù)詳細(xì)規(guī)范。

三、衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1.衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的分類方法很多，按距離地面的高度可分為靜止軌道衛(wèi)星、中地球軌道衛(wèi)星和低地球軌道衛(wèi)星。

靜止軌道GEO(GeostationaryEarthOrbit)衛(wèi)星，距地面35780km，衛(wèi)星運(yùn)行周期24h，相對(duì)于地面位置是靜止的。

中地球軌道MEO(ModeratealtitudeEarthOrbit)衛(wèi)星，距地面500~20000km，衛(wèi)星運(yùn)行周期4~12h，相對(duì)于地面位置是移動(dòng)的。

低地球軌道LEO(LowEarthOrbit)衛(wèi)星，距地面500~5000km，衛(wèi)星運(yùn)行周期~4h，相對(duì)于地面位置是移動(dòng)的。

2.衛(wèi)星通信的主要特點(diǎn)

衛(wèi)星通信作為現(xiàn)代通信的重要手段之一，與其他通信方式相比有其獨(dú)到的特點(diǎn)：

(1)通信距離遠(yuǎn)、覆蓋地域廣、不受地理?xiàng)l件限制。對(duì)于靜止通信衛(wèi)星，軌道在赤道平面上，離地面高度為35780km左右，采用三個(gè)相差120°的靜止通信衛(wèi)星就可以覆蓋地球的絕大部分地域(兩極盲區(qū)除外)，如圖4.18所示。圖4.18靜止通信衛(wèi)星覆蓋地球示意圖

(2)以廣播方式工作，只要在衛(wèi)星天線波束的覆蓋區(qū)域內(nèi)，都可以接收衛(wèi)星信號(hào)或向衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)。

(3)可以采用空分多址(SDMA)方式。SDMA是利用衛(wèi)星上多個(gè)不同空間指向天線波束，把衛(wèi)星覆蓋區(qū)分成不同的小區(qū)域，實(shí)現(xiàn)區(qū)域間的多址通信。SDMA方式通常需要與TDMA方式相結(jié)合，稱為SS/TDMA方式。在TDMA基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的星上切換-時(shí)分多址(SS-TDMA)方式具有通信容量大、多址接續(xù)靈活性好、網(wǎng)絡(luò)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

(4)工作頻段高，衛(wèi)星通信的工作頻率使用微波頻段(300MHz～300GHz)。主要原因是衛(wèi)星處于外層空間，地面上發(fā)射的電磁波必須穿透電離層才能到達(dá)衛(wèi)星，微波頻段正好具有這一特性。

(5)通信容量大，傳輸業(yè)務(wù)類型多。由于采用微波頻段，可供使用的頻帶很寬，因此能夠提供大容量的通信。如INTELSAT第八代衛(wèi)星和更新一代衛(wèi)星系統(tǒng)中引入寬帶ISDN同步傳輸所需的編碼調(diào)制新技術(shù)，可支持在一個(gè)72MHz標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中傳輸B-ISDN/SDHSTM-1的155Mb/s的高速率綜合業(yè)務(wù)，一個(gè)單一INTELSAT轉(zhuǎn)發(fā)器可傳輸10路數(shù)字高清晰度電視節(jié)目或50路常規(guī)廣播質(zhì)量的數(shù)字電視業(yè)務(wù)。下面舉例介紹INTELSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)和VSAT衛(wèi)星通信。

（一）INTELSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)

國(guó)際通信衛(wèi)星組織INTELSAT（InternationalTelecommunicationsSatelliteOrganization）是世界上最大的商業(yè)衛(wèi)星組織，目前有141個(gè)成員國(guó)，擁有25顆世界上最先進(jìn)的連接全球進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作的GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可為約200個(gè)國(guó)家和地區(qū)提供相應(yīng)國(guó)際/區(qū)域/國(guó)內(nèi)衛(wèi)星通信綜合業(yè)務(wù)，具有參與全球競(jìng)爭(zhēng)的豐富運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)與財(cái)力。該組織積極引入各類衛(wèi)星通信新業(yè)務(wù)、新技術(shù)，有效地利用衛(wèi)星軌道、頻譜及空間段，以其最佳服務(wù)和可靠性譽(yù)滿全球。

1.INMARSAT海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)

INMARSAT海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)是利用INMARSAT衛(wèi)星向海上船只提供通信服務(wù)的系統(tǒng)。由INMARSAT衛(wèi)星、岸站、船站、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站和網(wǎng)絡(luò)控制中心組成，系統(tǒng)組成如圖4.19所示。圖4.19INMARSAT系統(tǒng)組成

1)衛(wèi)星

INMARSAT采用四顆同步軌道衛(wèi)星重疊覆蓋的方法覆蓋地球。四個(gè)衛(wèi)星覆蓋區(qū)分別是大西洋東區(qū)、大西洋西區(qū)、太平洋區(qū)和印度洋區(qū)。

目前使用的是INMARSAT第三代衛(wèi)星，擁有48dBW的全向輻射功率，比第二代衛(wèi)星高出8倍。每一顆第三代衛(wèi)星有一個(gè)全球波束轉(zhuǎn)發(fā)器和五個(gè)點(diǎn)波束轉(zhuǎn)發(fā)器。由于點(diǎn)波束和雙極化技術(shù)的引入，使得在第三代衛(wèi)星上可以動(dòng)態(tài)地進(jìn)行功率和頻帶分配，從而讓頻率的重復(fù)利用成為可能，大大提高了寶貴的衛(wèi)星信道資源的利用率。為了保證移動(dòng)衛(wèi)星終端可以得到更高的衛(wèi)星EIRP，相應(yīng)降低了終端尺寸及發(fā)射電平，INMARSAT-4系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星的點(diǎn)波束系統(tǒng)進(jìn)行通信，幾乎可以覆蓋全球所有的陸地區(qū)域（除南北緯75度以上的極區(qū)）。

2)網(wǎng)絡(luò)控制中心

網(wǎng)絡(luò)控制中心(NOC)設(shè)在倫敦國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織總部，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)和控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有衛(wèi)星的操作運(yùn)行。

依靠計(jì)算機(jī)檢查衛(wèi)星工作是否正常，包括衛(wèi)星相對(duì)于地球和太陽(yáng)的方向性，控制衛(wèi)星姿態(tài)和燃料的消耗情況，各種表面和設(shè)備的溫度，衛(wèi)星內(nèi)哪些設(shè)備在工作以及哪些設(shè)備處于備用狀態(tài)等。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制中心對(duì)各地球站的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)督，協(xié)助網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站對(duì)系統(tǒng)有關(guān)的運(yùn)行事務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

3)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站（NCS）是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。在每個(gè)洋區(qū)至少有一個(gè)地球站兼作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站，并由它來(lái)完成該洋區(qū)內(nèi)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)必要的信道控制和分配工作。大西洋區(qū)的NCS設(shè)在美國(guó)的Southbury，太平洋區(qū)的NCS設(shè)在日本的Ibaraki，印度洋區(qū)的NCS設(shè)在日本的Namaguchi。

4)M4地球站

M4地球站（LES，LandEarthStation）由各國(guó)INMARSAT簽字建設(shè)，并由它們經(jīng)營(yíng)。它既是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面陸地電信網(wǎng)絡(luò)的接口，又是一個(gè)控制和接入中心。截止到1999年底，世界上已有一個(gè)地球站宣布提供M4商業(yè)服務(wù)，同時(shí)有七、八個(gè)地球站正在建設(shè)或調(diào)試中。

2.INMARSAT航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)

INMARSAT航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要提供飛機(jī)與地球站之間的地對(duì)空通信業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)由衛(wèi)星、航空地球站和機(jī)載站3部分組成，如圖4.20所示。圖4.20INMARSAT航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成航空地球站是衛(wèi)星與地面公眾通信網(wǎng)的接口，是INMARSAT地球站的改裝型；機(jī)載站是設(shè)在飛機(jī)上的移動(dòng)地球站。INMARSAT航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道分為P、R、T和C信道，P、R和T信道主要用于數(shù)據(jù)傳輸，C信道可傳輸話音、數(shù)據(jù)、傳真等。

航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)與海上或地面移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)有明顯差異，例如飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)比較嚴(yán)重、機(jī)載站高功率放大器的輸出功率和天線的增益受限，以及多徑衰落嚴(yán)重等。因此，在航空衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采取了許多技術(shù)措施，如采用C類放大器提高全向有效輻射功率（EIRP）；采用相控陣天線，使天線自動(dòng)指向衛(wèi)星；采用前向糾錯(cuò)編碼、比特交織、頻率校正和增大天線仰角，以改善多普勒頻移和多徑衰落的影響。目前，支持INMARSAT航空業(yè)務(wù)的系統(tǒng)主要有以下5個(gè)：（1）Aero-L系統(tǒng)：低速（600b/s）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，主要用于航空控制、飛機(jī)操縱和管理；（2）Aero-l系統(tǒng)：利用第三代INMARSAT衛(wèi)星的強(qiáng)大功能，并使用中繼器，在點(diǎn)波束覆蓋的范圍內(nèi)，飛行中的航空器可通過(guò)更小型、更廉價(jià)的終端獲得多信道話音、傳真和電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并在全球覆蓋波束范圍內(nèi)獲得分組交換的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；（3）Aero-H系統(tǒng)：支持多信道話音、傳真和數(shù)據(jù)的高速（10.5kb/s）通信系統(tǒng)，在全球覆蓋波束范圍內(nèi)，用于旅客、飛機(jī)操縱、管理和安全業(yè)務(wù)；（4）Aero-H+系統(tǒng)：是H系統(tǒng)的改進(jìn)型，在點(diǎn)波束范圍利用第三代衛(wèi)星的強(qiáng)大容量，提供的業(yè)務(wù)與H系統(tǒng)基本一致。（5）Aero-C系統(tǒng)：它是INMARSAT-C航空版本，是一種低速數(shù)據(jù)系統(tǒng)，可為在世界各地飛行的飛機(jī)提供存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)電文或數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)，但不包括航行安全通信。（二）VSAT衛(wèi)星通信

1.VSAT網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)

(1)VSAT系統(tǒng)是以傳輸?shù)退俾实臄?shù)據(jù)而發(fā)展起來(lái)的，目前已能夠承擔(dān)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。其出站鏈路速率可達(dá)8448kb/s，入站鏈路速率可達(dá)1544kb/s。在VSAT系統(tǒng)中，出站鏈路的數(shù)據(jù)流可以是連續(xù)的，而入站鏈路的信息必須是突發(fā)性的，業(yè)務(wù)占空比小。因此出站鏈路與入站鏈路的業(yè)務(wù)量是不對(duì)稱的，稱作業(yè)務(wù)不平衡網(wǎng)絡(luò)，這是VSAT與一般衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要區(qū)別。

(2)VSAT系統(tǒng)主要供專業(yè)用戶傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。一些容量較大的VSAT系統(tǒng)也具有傳輸話音業(yè)務(wù)的能力，但通話必須是偶爾、短暫的。我國(guó)大多數(shù)用戶都要求以話音為主，且占用信道時(shí)間較長(zhǎng)，這樣將降低VSAT網(wǎng)絡(luò)的效率。

(3)VSAT網(wǎng)絡(luò)以傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主，特別是對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸，信道的響應(yīng)時(shí)間對(duì)信號(hào)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)利用率影響很大。通常較大的業(yè)務(wù)量和較快的響應(yīng)時(shí)間必然占用較多的網(wǎng)絡(luò)資源。所以信道響應(yīng)時(shí)間也是VSAT網(wǎng)絡(luò)資源。

(4)VSAT系統(tǒng)擁有的遠(yuǎn)端小站數(shù)目越多，網(wǎng)絡(luò)的利用率就越高。這樣每個(gè)小站承擔(dān)的費(fèi)用也就越小。一般小站數(shù)至少應(yīng)大于300個(gè)，最多可達(dá)到6000個(gè)。

(5)在VSAT系統(tǒng)中，全網(wǎng)的投資主要由每個(gè)小站的成本所決定，所以在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使中樞站具有盡可能完善的技術(shù)功能，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)管理中心，執(zhí)行全網(wǎng)的信道分配、業(yè)務(wù)量統(tǒng)計(jì)、對(duì)小站作狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制、告警指示、自動(dòng)計(jì)費(fèi)等，以中摳站的復(fù)雜技術(shù)來(lái)?yè)Q取VSAT小站的設(shè)備簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜、便于安裝和使用等，提高網(wǎng)絡(luò)的性能價(jià)格比。

(6)中樞站到小站的出站鏈路采用廣播式的點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸，大都采用TDM方式向全網(wǎng)發(fā)布信息。各小站按照一定的協(xié)議選取本站所接受的信息。為了提高全向有效輻射功率，中樞站天線口徑選擇得較大。小站到中樞站的入站鏈路的業(yè)務(wù)量小，且都是突發(fā)性的，因此多址接續(xù)規(guī)程大多采用SSMA或TDMA方式，盡可能地減小天線口徑，降低高功率放大器的輸出功率。

2.VSAT網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

VSAT網(wǎng)絡(luò)主要由通信衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)控制中心、主站和分布在各地的用戶VSAT小站組成，其結(jié)構(gòu)如圖4.21所示。圖4.21VSAT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1)通信衛(wèi)星

通信衛(wèi)星可以發(fā)送專用衛(wèi)星，但絕大多數(shù)都是租用INTELSAT衛(wèi)星或衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。我國(guó)VSAT交通衛(wèi)星通信網(wǎng)采用的是亞太一號(hào)衛(wèi)星，上行鏈路頻率為6145～6163MHz共18MHz的帶寬。為了適應(yīng)交通VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的時(shí)分多址（TDMA）及其跳頻技術(shù)，將18MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬平均分配給四個(gè)載波（CXR0、CXR1、CXR2、CXR3）使用，每個(gè)載波的帶寬為4.5MHz。

2)網(wǎng)絡(luò)控制中心

網(wǎng)絡(luò)控制中心是主站用來(lái)管理、監(jiān)控VSAT專用長(zhǎng)途衛(wèi)星通信網(wǎng)的重要設(shè)備，主要由工作站、外置硬盤、磁帶機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)控制中心的主要功能有：管理、監(jiān)視控制、配置、維護(hù)整個(gè)VSAT專網(wǎng)系統(tǒng)；顯示監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)及報(bào)警情況；根據(jù)需要制作網(wǎng)絡(luò)圖并下載給VSAT網(wǎng)內(nèi)所有的端站；為全網(wǎng)各端站下載所需的軟件及其升級(jí)軟件；設(shè)置全網(wǎng)各端站的區(qū)號(hào)；統(tǒng)計(jì)全網(wǎng)及各端站的業(yè)務(wù)量。

3)主站

VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)的主站主要由本地操作控制臺(tái)(LOC)、TDMA終端、接口單元、電話會(huì)議終端、電視會(huì)議終端、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、射頻設(shè)備、饋源及天線等構(gòu)成。

為了保證系統(tǒng)可靠工作，通常TDMA終端、室內(nèi)單元(IDU)、室外單元(ODU)、低噪聲放大器(LNA)等都需要冗余設(shè)計(jì)。

主站的主要任務(wù)是：對(duì)VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)全網(wǎng)各VSAT小站設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；對(duì)全網(wǎng)各VSAT小站的軟件進(jìn)行升級(jí)；對(duì)全網(wǎng)的各種業(yè)務(wù)電路進(jìn)行分配與管理；監(jiān)視控制電話會(huì)議、電視會(huì)議的召開與運(yùn)行；完成各VSAT小站與局域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸與交換。圖4.22SAT小站組成原理圖

4)VSAT小站

VSAT小站是用戶終端設(shè)備，有固定式和便攜式，主要由天線、射頻單元、調(diào)制解調(diào)器、基帶處理單元、網(wǎng)絡(luò)控制單元、接口單元等組成，其可直接與電話機(jī)、交換機(jī)、計(jì)算機(jī)等各種用戶終端連接。

VSAT網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使衛(wèi)星通信向智能化、小型化、面對(duì)用戶及個(gè)人通信發(fā)展邁出了可喜的一步。經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，用戶已經(jīng)遍布世界各地，在21世紀(jì)VSAT網(wǎng)絡(luò)還將得到更快發(fā)展。 4.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

4.3.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

科技發(fā)展的腳步越來(lái)越快，人類已經(jīng)置身于信息時(shí)代。而作為信息獲取最重要和最基本的技術(shù)——傳感器技術(shù)，也得到了極大的發(fā)展。傳感器信息獲取技術(shù)已經(jīng)從過(guò)去的單一化漸漸向集成化、微型化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并將會(huì)帶來(lái)一場(chǎng)信息革命。早在上世紀(jì)70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著相關(guān)學(xué)科的的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號(hào)的綜合處理能力，并通過(guò)與傳感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。而從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并使用無(wú)線技術(shù)連接，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)，非常重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEEE正在努力推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，波士頓大學(xué)(BostonUnversity)還于最近創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)(SensorNetworkConsortium)，期望能促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。除了波士頓大學(xué)，該協(xié)會(huì)還包括BP、霍尼韋爾(Honeywell)、InetcoSystems、Invensys、L-3Communications、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems及TextronSystems。美國(guó)的《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預(yù)測(cè)的未來(lái)四大新技術(shù)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中?？梢灶A(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)極大的變革。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)是一種特殊的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，它是一種集成了傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?？蓱?yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如受到污染、環(huán)境不能被破壞或敵對(duì)區(qū)域)和一些I臨時(shí)場(chǎng)合(如發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)，固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞)等。它不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域，引起了人們廣泛關(guān)注。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型工作方式如下：使用飛行器將大量傳感器節(jié)點(diǎn)(數(shù)量從幾百到幾千個(gè))拋撒到感興趣區(qū)域，節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織快速形成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)既是信息的采集和發(fā)出者，也充當(dāng)信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)多跳路由到達(dá)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)(一些文獻(xiàn)也稱為sinknode)是一個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)Intemet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。也可以利用無(wú)人機(jī)飛越網(wǎng)絡(luò)上空，通過(guò)網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)。4.3.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信的方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。圖4.23傳感節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線傳感器、感知對(duì)象和觀察者三個(gè)基本要素構(gòu)成。無(wú)線是傳感器與觀察者之間、傳感器之間的通信方式，能夠在傳感器與觀察者之間建立通信路徑。無(wú)線傳感器的基本組成和功能包括如下幾個(gè)單元：電源、傳感部件、處理部件、通信部件和軟件等。此外，還可以選擇其它的功能單元，如定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。圖4.23所示為傳感節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)。傳感節(jié)點(diǎn)一般由傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元、GPS定位裝置、移動(dòng)裝置、能源(電池)及網(wǎng)絡(luò)通信單元(收發(fā)裝置)等六大部件組成，其中傳感單元負(fù)責(zé)被監(jiān)測(cè)對(duì)象原始數(shù)據(jù)的采集，采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理單元的處理之后，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭粋€(gè)數(shù)據(jù)匯聚中心節(jié)點(diǎn)(Sink)，Sink再通過(guò)因特網(wǎng)或衛(wèi)星傳輸?shù)接脩魯?shù)據(jù)處理中心。借助于節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的形式多樣的感知模塊測(cè)量所在環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。而節(jié)點(diǎn)的計(jì)算模塊則完成對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，再采用微波、無(wú)線、紅外和光等多種通訊形式，通過(guò)多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合及壓縮后，最后通過(guò)Internet或其它網(wǎng)絡(luò)通訊方式將監(jiān)測(cè)信息傳送到管理節(jié)點(diǎn)。同樣的，用戶也可以通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令的發(fā)布，通知傳感器節(jié)點(diǎn)收集指定區(qū)域的監(jiān)測(cè)信息。圖4.24給出了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。在圖4.24中，網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)組成了一個(gè)與SINK進(jìn)行通訊的數(shù)據(jù)鏈路，再由SINK把數(shù)據(jù)傳送到衛(wèi)星或者因特網(wǎng)，然后通過(guò)該鏈路和SINK進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并借此使數(shù)據(jù)到達(dá)最終用戶手中。圖4.24無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其最明顯的特色可以用六個(gè)字來(lái)概括即：“自組織，自愈合”。自組織是指在無(wú)線傳感網(wǎng)中不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要人為指定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其各個(gè)節(jié)點(diǎn)在部署之后可以自動(dòng)探測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)并形成網(wǎng)狀的最終匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的多跳路由，整個(gè)過(guò)程不需人為干預(yù)。同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)魯棒性，在任何節(jié)點(diǎn)損壞，或加入新節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)都可以自動(dòng)調(diào)節(jié)路由隨時(shí)適應(yīng)物理網(wǎng)絡(luò)的變化。這就是所謂的自愈合特性。4.3.3無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)具有二維結(jié)構(gòu)，即橫向的通信協(xié)議層和縱向的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理面。通信協(xié)議層可以劃