無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)明教程第2版第3章

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)明教程（第2版）,崔遜學(xué) 左從菊 編著,第 3 章 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù),3,本章內(nèi)容,3.1 物理層3.1.1 物理層概述3.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)3.2 MAC協(xié)議3.2.1 MAC協(xié)議概述3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議3.2.3 典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議3.3 路由協(xié)議3.3.1 路由協(xié)議概述3.3.2 典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由,4,3.1 物理層,物理層的基本概念：物理層是建立、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。,3.1.1 物理層概述,物理層的主要功能：,為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal 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。,3.1.1 物理層概述,物理接口的四個(gè)特性：,機(jī)械特性,電氣特性,功能特性,規(guī)程特性,規(guī)定了連接器的形狀、尺寸、引腳數(shù)量和排列情況等。,規(guī)定了線路信號(hào)電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。,規(guī)定了各條信號(hào)線的功能分配和確切定義。,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。,3.1.1 物理層概述,無(wú)線通信物理層的主要技術(shù)：,3.1.1 物理層概述,介質(zhì)頻段選擇,調(diào)制技術(shù),擴(kuò)頻技術(shù),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。,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,擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，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)。,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn)傳輸介質(zhì)主要是無(wú)線電波、紅外線和光波三種類型。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。,3.1.1 物理層概述,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。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。,3.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì),2、物理層幀結(jié)構(gòu),物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼,第二個(gè)字段是幀頭,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。,3.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì),3、物理層設(shè)計(jì)技術(shù),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)。 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。,3.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì),3.2 MAC 協(xié)議,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 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)。,3.2.1 MAC協(xié)議概述,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：,3.2.1 MAC協(xié)議概述,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：,3.2.1 MAC協(xié)議概述,MAC協(xié)議,隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式,競(jìng)爭(zhēng)與固定分配相結(jié)合的接入方式,時(shí)分復(fù)用無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入方式,IEEE 802.11 MAC協(xié)議兩種訪問(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。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,DCF,PCF,IEEE 802.11 MAC協(xié)議,分布式協(xié)調(diào)功能,點(diǎn)協(xié)調(diào)功能,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。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,IEEE 802.11 MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔(InterFrame Space，IFS)，用來(lái)提供訪問(wèn)無(wú)線信道的優(yōu)先級(jí)：,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,（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。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,隨機(jī)退避時(shí)間按下面公式進(jìn)行計(jì)算： 退避時(shí)間=Random()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。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,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)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。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,802.11 MAC協(xié)議的應(yīng)答與預(yù)留機(jī)制,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：,3.2.3 典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議,無(wú)效能耗,（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。,3.2.3 典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議,S-MAC協(xié)議的虛擬簇示意圖,（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)。,3.2.3 典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議,（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。,3.2.3 典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議,S-MAC與IEEE 802.11 MAC協(xié)議的突發(fā)分組傳送,3.3 路由協(xié)議,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)。包括兩個(gè)功能：,3.3.1 路由協(xié)議概述,應(yīng)用相關(guān),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),能量高效,可擴(kuò)展性,穩(wěn)健性,能量?jī)?yōu)先,基于局部拓?fù)湫畔?以數(shù)據(jù)為中心,快速收斂性,特點(diǎn),要求,3.3.1 路由協(xié)議概述,我們從各種應(yīng)用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類：,3.3.1 路由協(xié)議概述,定向擴(kuò)散（Directed Diffusion，DD）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機(jī)制。 定向擴(kuò)散路由機(jī)制可以分為周期性的興趣擴(kuò)散、梯度建立和路徑加強(qiáng)三個(gè)階段:,3.3.2 典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由,每個(gè)節(jié)點(diǎn)在本地保存一個(gè)興趣列表，對(duì)于每一個(gè)興趣內(nèi)容，列表中都有一個(gè)表項(xiàng)記錄發(fā)來(lái)該興趣消息的鄰居節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時(shí)間戳等任務(wù)相關(guān)信息，以建立該節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。每個(gè)興趣可能對(duì)應(yīng)多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)梯度信息。,（1）興趣擴(kuò)散階段,在路由協(xié)議的興趣擴(kuò)散階段，匯聚節(jié)點(diǎn)周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播興趣消息。興趣消息中含有任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數(shù)。,當(dāng)傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到與興