無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第2、3章(傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù))

1、第二章第二章傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù) 通常傳感器節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍只通常傳感器節(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)有限的通信能力條件下，完成探測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。無線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵的傳輸。無線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗的影響節(jié)點(diǎn)能耗的影響通信單元在不同工作狀態(tài)下的功耗傳感器節(jié)點(diǎn)的大部分能量消耗在無線通信模塊 。2.1 2.1 物理層物理層1.1.物理層概念物理層概念物理層：為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護(hù)物

2、理層：為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護(hù)和釋放提供的機(jī)械的、電氣的、功能和規(guī)程性的手段。和釋放提供的機(jī)械的、電氣的、功能和規(guī)程性的手段。 從定義可以看出，物理層的特點(diǎn)是負(fù)責(zé)在物理連從定義可以看出，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。物理連接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程。物理層的主要功能物理層的主要功能 為數(shù)據(jù)終端設(shè)備為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal (Data Terminal EquipmentEquipment，DTE)DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。提供傳

3、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。機(jī)械特性機(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。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。寸，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(jìn)制比特流時(shí)，線路上。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。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。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

4、分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時(shí)線和地線。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。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程，包括各信號(hào)線的工作規(guī)則和時(shí)序。過程，包括各信號(hào)線的工作規(guī)則和時(shí)序。物理接口的四個(gè)特性物理接口的四個(gè)特性 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、解調(diào)技術(shù)調(diào)制、解調(diào)技術(shù)超寬帶和擴(kuò)頻技術(shù)超寬帶和擴(kuò)頻技術(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)n無線通信的主要技術(shù)無線通信的主要技術(shù)無線通信物理層協(xié)議無線通信物理層協(xié)議介質(zhì)

5、、介質(zhì)、頻段頻段選擇選擇調(diào)制、解調(diào)調(diào)制、解調(diào)技術(shù)技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)電磁波電磁波聲波聲波無線電波無線電波毫米波毫米波紅外線紅外線微波，光波微波，光波模擬調(diào)制模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻 跳頻跳頻 跳時(shí)跳時(shí)線性調(diào)頻線性調(diào)頻 典型通信典型通信技術(shù)技術(shù)超寬帶技術(shù)（超寬帶技術(shù)（UWBUWB） 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)，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根的無線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫據(jù)波長(zhǎng)的不同

6、，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無線電波在無線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。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。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) 無線電波容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可無線電波容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可以穿過建筑物，因而被廣泛地用于室內(nèi)或室以穿過建筑物，因而被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無線通信。無線電波是全方向傳播信號(hào)外的無線通信。無線電波是全方向傳播信號(hào)的，它能向任意方向發(fā)送無線信號(hào)，所以發(fā)的，它能向任意方向發(fā)送無線信號(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)。確的對(duì)準(zhǔn)。 無線電波的

7、傳播特性與頻率相關(guān)。如果采用較低頻率，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，但電波能量隨著與信號(hào)源距離則它能輕易地通過障礙物，但電波能量隨著與信號(hào)源距離r r的增大而急劇減小，大致為的增大而急劇減小，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響。無線電波易則它趨于直線傳播，且受障礙物阻擋的影響。無線電波易受發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾。受發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾。 另外，由于無線電波的傳輸距離較遠(yuǎn)，用戶之間的相另外，由于無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)注的問題，所以每個(gè)國(guó)家和地區(qū)都有

8、關(guān)互串?dāng)_也是需要關(guān)注的問題，所以每個(gè)國(guó)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。于無線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定。頻段分配名稱甚低頻低頻中頻高頻甚高頻超高頻特高頻極高頻符號(hào)VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF頻率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超長(zhǎng)波長(zhǎng)波中波短波米波分米波厘米波毫米波波長(zhǎng)1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm傳播特性空間波為主地波為主地波與天波天波與地波空間波空間波空間波空間波主要

9、用途海岸潛艇通信;遠(yuǎn)距離通信;超遠(yuǎn)距離導(dǎo)航越洋通信;中距離通信;地下巖層通信;遠(yuǎn)距離導(dǎo)航船用通信; 業(yè)余無線電通信;移動(dòng)通信;中距離導(dǎo)航遠(yuǎn)距離短波通信;國(guó)際定點(diǎn)通信電離層散射(30-60MHz);流星余跡通信; 人造電離層通信(30-144MHz); 對(duì)空間飛行體通信; 移動(dòng)通信小容量微波中繼通 信; (352-420MHz); 對(duì)流層散射通信(700-10000MHz);中容量微波通信(1700-2400MHz)大容量微波中繼通信(3600-4200MHz);大容量微波中繼通信(5850-8500MHz);數(shù)字通信; 衛(wèi)星通信;國(guó)際海事衛(wèi)星通信(1500-1600MHz)再入大氣層時(shí)的通信;

10、波導(dǎo)通信在通信系統(tǒng)中在通信系統(tǒng)中調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)是一種基本的技術(shù)。是一種基本的技術(shù)。 調(diào)制調(diào)制是指用一個(gè)信號(hào)去控制另一個(gè)信號(hào)的某一個(gè)是指用一個(gè)信號(hào)去控制另一個(gè)信號(hào)的某一個(gè)參量的過程。參量的過程。被控制的信號(hào)稱為被控制的信號(hào)稱為載波載波 ( Carrier Wave )。變換器變換器發(fā)送系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)信道信道接收系統(tǒng)接收系統(tǒng)變換器變換器消息消息信號(hào)信號(hào)信號(hào)信號(hào)消息消息調(diào)制調(diào)制解調(diào)解調(diào)2 2、調(diào)制、解調(diào)技術(shù)、調(diào)制、解調(diào)技術(shù)n基帶信號(hào)：沒有經(jīng)過高頻調(diào)制的信號(hào)。比如語音基帶信號(hào)：沒有經(jīng)過高頻調(diào)制的信號(hào)。比如語音、圖像、數(shù)據(jù)。有時(shí)也指經(jīng)過信源編碼或時(shí)分復(fù)、圖像、數(shù)據(jù)。有時(shí)也指經(jīng)過信源編碼或時(shí)分復(fù)用的信

11、號(hào)，頻率較低。用的信號(hào)，頻率較低。n基帶傳輸：基帶信號(hào)不經(jīng)過調(diào)制直接傳輸?；鶐鬏敚夯鶐盘?hào)不經(jīng)過調(diào)制直接傳輸。n調(diào)制：為了有效傳輸，在發(fā)射機(jī)將基帶信號(hào)調(diào)制調(diào)制：為了有效傳輸，在發(fā)射機(jī)將基帶信號(hào)調(diào)制到較高頻率進(jìn)行發(fā)送稱為調(diào)制。到較高頻率進(jìn)行發(fā)送稱為調(diào)制。概念簡(jiǎn)介概念簡(jiǎn)介通常信號(hào)源的編碼信息（即信源）含有直流分量和通常信號(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，稱為頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號(hào)基帶信號(hào)。基帶信號(hào)往?；鶐盘?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)對(duì)基帶頻率而言頻率非常

12、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)。帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。概念簡(jiǎn)介概念簡(jiǎn)介調(diào)調(diào)制制技術(shù)在通信中的作用技術(shù)在通信中的作用1.1.信號(hào)和信道的匹配信號(hào)和信道的匹配2.2.電波有效輻射電波有效輻射3.3.頻率分配頻率分配4.4.減小干擾減小干擾幾種最基本的調(diào)制方法幾種最基本的調(diào)制方法n調(diào)制就是進(jìn)行波形變換（頻譜變換）。 n最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：n調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。 n調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。n調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。n對(duì)

13、基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法調(diào)制方式用途 連續(xù)波調(diào)制 線性調(diào)制常規(guī)雙邊帶調(diào)副AM廣播抑制載波雙邊帶調(diào)幅DSB立體聲廣播單邊帶調(diào)幅SSB載波通信、無線電臺(tái)、數(shù)傳殘留邊帶調(diào)幅VSB廣播電視、數(shù)傳、傳真非線性調(diào)制頻率調(diào)制FM微波中繼、衛(wèi)星通信、廣播相位調(diào)制PM中間調(diào)制方式 數(shù)字調(diào)制幅度鍵控ASK數(shù)據(jù)傳輸頻率鍵控FSK數(shù)據(jù)傳輸相位鍵控PSK、DPSK、QPSK數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字微波、空間通信其它高效數(shù)字調(diào)制QAM、MSK數(shù)字微波、空間通信 脈沖調(diào)制脈沖模擬調(diào)制脈幅調(diào)制PAM中間調(diào)制方式、遙測(cè)脈寬調(diào)制PDM（PWM）中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測(cè)、光纖傳輸脈沖數(shù)字調(diào)制脈碼調(diào)制PCM市話、空間通信增量調(diào)制DM、

14、CVSD、DVSD軍用電話差分脈碼調(diào)制DPCM電視電話、圖像編碼其它方式ADPCM、APC、LPC中低速數(shù)字電話各種調(diào)制方式性能比較如表各種調(diào)制方式性能比較如表4-44-4所示所示 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)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。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)制中采用的基帶信號(hào)的類型，可以將調(diào)制分為根據(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(hào)對(duì)高頻載波的某一參量進(jìn)行控是用模擬基帶信號(hào)對(duì)高

15、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。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)字制式過渡，因此數(shù)字調(diào)制已經(jīng)成為了統(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)。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)制幅度調(diào)制（Amplitude Modulation,

16、AMAmplitude Modulation, AM）、）、頻率調(diào)制頻率調(diào)制（Frequency Frequency Modulation, FMModulation, FM）和）和相位調(diào)制相位調(diào)制（Phase Modulation, PMPhase Modulation, PM）。）。 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)，由于該序列只存在該序列只存在“有電有電”和和“無電無電”兩種狀態(tài)，因而可以采兩種狀態(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、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

17、稱為幅移鍵控調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱為幅移鍵控(Amplitude Shift (Amplitude Shift Keying, ASK)Keying, ASK)、頻移鍵控、頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)(Frequency Shift Keying, FSK)和相移鍵控和相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)(Phase Shift Keying, PSK)。 20 20世紀(jì)世紀(jì)8080年代以來，人們十分重視調(diào)制技術(shù)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

18、更好的數(shù)字調(diào)制方式。由于振幅鍵高、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，因而目前在無線控信號(hào)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)制方法是頻率鍵控和相位鍵通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制方法是頻率鍵控和相位鍵控?？?。 擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，它的定義如下：擴(kuò)頻擴(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)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)，與

19、所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(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)。復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。3 3、擴(kuò)頻和超寬帶技術(shù)、擴(kuò)頻和超寬帶技術(shù)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的特點(diǎn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的特點(diǎn)n抗干擾能力強(qiáng)，誤碼率低?？垢蓴_能力強(qiáng)，誤碼率低。n保密性強(qiáng)。保密性強(qiáng)。n功率譜密度低，對(duì)其他通信系統(tǒng)及對(duì)人體的干擾功率譜密度低，對(duì)其他通信系統(tǒng)及對(duì)人體的干擾影響小，具有良好的隱蔽性能。影響小，具有良好的隱蔽性能。n易于實(shí)現(xiàn)大容量多址通信。易于實(shí)現(xiàn)大容量多址通信。n能精確定時(shí)與測(cè)距，可廣泛用于雷達(dá)、導(dǎo)航、通能精確定時(shí)與測(cè)距，可廣泛用于雷達(dá)、導(dǎo)

20、航、通信、測(cè)距等系統(tǒng)信、測(cè)距等系統(tǒng) 擴(kuò)頻技術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：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)頻直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum, (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)DSSS)、跳頻跳頻(Frequency Hopping Spread Spectrum, (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)FHSS)、跳時(shí)跳時(shí)(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)(Time Hopping Spre

21、ad Spectrum, THSS)和和寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻(chirp Spread Spectrum, chirp-SS(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，簡(jiǎn)稱切普擴(kuò)頻簡(jiǎn)稱切普擴(kuò)頻) )。（1 1）直接序列擴(kuò)頻（）直接序列擴(kuò)頻（DS-SSDS-SS） 通過直接通過直接用偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生的隨機(jī)序列用偽隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生的隨機(jī)序列與多個(gè)基帶信號(hào)脈沖數(shù)據(jù)相乘與多個(gè)基帶信號(hào)脈沖數(shù)據(jù)相乘來擴(kuò)展基帶來擴(kuò)展基帶數(shù)據(jù)。其偽噪聲系列由偽噪聲生成器產(chǎn)生數(shù)據(jù)。其偽噪聲系列由偽噪聲生成器產(chǎn)生。PNPN碼中的每一個(gè)脈沖或符號(hào)位稱為碼片碼中的每一個(gè)脈沖或符號(hào)位稱為碼片（chipchi

22、p）。）。n在相移調(diào)制前進(jìn)行模在相移調(diào)制前進(jìn)行模2 2運(yùn)算。在接收端可能運(yùn)算。在接收端可能會(huì)采用相干或差分會(huì)采用相干或差分PSKPSK解調(diào)。解調(diào)。（2 2）跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（）跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（FH-SSFH-SS）n跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（FH-SSFH-SS）在一定的傳輸時(shí)間內(nèi)跳）在一定的傳輸時(shí)間內(nèi)跳換頻率。頻率的跳躍安排可認(rèn)為是一串隨時(shí)間變換頻率。頻率的跳躍安排可認(rèn)為是一串隨時(shí)間變化并具有偽隨機(jī)特性的調(diào)制信號(hào)數(shù)據(jù)?；⒕哂袀坞S機(jī)特性的調(diào)制信號(hào)數(shù)據(jù)。n一串可能的跳躍序列被稱為一串可能的跳躍序列被稱為跳躍集跳躍集（hopsethopset）。）。跳躍發(fā)生在頻帶上跨越一系列的信道。每一個(gè)信跳躍發(fā)生

23、在頻帶上跨越一系列的信道。每一個(gè)信道由具有中心頻點(diǎn)的頻帶區(qū)域而構(gòu)成。在這個(gè)頻道由具有中心頻點(diǎn)的頻帶區(qū)域而構(gòu)成。在這個(gè)頻帶內(nèi)能夠在相干的載波頻率上足夠進(jìn)行窄帶編碼帶內(nèi)能夠在相干的載波頻率上足夠進(jìn)行窄帶編碼調(diào)制（通常為調(diào)制（通常為FSKFSK）。）。（3）跳時(shí)擴(kuò)頻）跳時(shí)擴(kuò)頻（time hopping spread spectrum ）n以偽隨機(jī)序列選擇時(shí)序發(fā)送信號(hào)的擴(kuò)頻技以偽隨機(jī)序列選擇時(shí)序發(fā)送信號(hào)的擴(kuò)頻技術(shù)。術(shù)。n是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上跳變。首先把時(shí)間軸分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)間軸分成許多時(shí)片。在一幀內(nèi)哪個(gè)時(shí)片發(fā)射信號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制?？梢园焉湫?/p>

24、號(hào)由擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行控制?？梢园烟鴷r(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多跳時(shí)理解為：用一定碼序列進(jìn)行選擇的多時(shí)片的時(shí)移鍵控。由于采用了窄得多的時(shí)時(shí)片的時(shí)移鍵控。由于采用了窄得多的時(shí)片去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)說來，信號(hào)的頻譜也片去發(fā)送信號(hào)，相對(duì)說來，信號(hào)的頻譜也就展寬了。就展寬了。（4 4）線性調(diào)頻）線性調(diào)頻（chirp Spread Spectrumchirp Spread Spectrum）nChirp信號(hào)常用于雷達(dá)系統(tǒng)中，用于克服雷達(dá)系統(tǒng)中探測(cè)距離和分辨力的矛盾。n雷達(dá)信號(hào)是一個(gè)很窄的脈沖信號(hào)（類似于通信中的沖激無線電信號(hào)）。雷達(dá)的距離分辨力取決于該脈沖的寬度，為了獲得好的距離分辨力，脈沖的持續(xù)時(shí)間越

25、短越好。n為了保證遠(yuǎn)的探測(cè)距離，雷達(dá)要發(fā)射出足夠的信號(hào)能量，因此必須在很短的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，用很大的功率發(fā)射信號(hào)。n為了克服這個(gè)困難，線性調(diào)頻技術(shù)開始應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)。線性調(diào)頻又被稱為Chirp，它是把一段線性掃頻的脈沖作為發(fā)射信號(hào)，發(fā)射信號(hào)的帶寬主要取決于掃頻的頻率范圍，而與脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間無關(guān)。 超寬帶無線技術(shù)超寬帶無線技術(shù)超寬帶UWB無線技術(shù)，即脈沖無線電技術(shù)，使用1 GHz以上的帶寬，與傳統(tǒng)通信技術(shù)不同的是，UWB是一種無載波通信技術(shù)，即它不采用載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此它的頻譜范圍很寬，適用于高速、近距離的無線個(gè)人通信。據(jù)資料表明，UWB信號(hào)的有效傳輸距離在1

26、0m以內(nèi)，傳輸速率可達(dá)500 Mbits，UWB系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)間很短(約為020ns15 ns)，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以很低，在高速通信時(shí)系統(tǒng)的耗電量?jī)H為幾百W至幾十mW。與IEEE8021 l相比，在短距離內(nèi)，UWB的通信速率可以達(dá)到上千兆，是IEEE80211的幾十倍。 的應(yīng)用特點(diǎn)的應(yīng)用特點(diǎn) 高速、大容量，用于無線接入。相對(duì)于藍(lán)牙（10米距離）等窄帶體制有明顯優(yōu)勢(shì)。 低功率譜密度，信號(hào)不易截獲，有隱避性。 強(qiáng)抗多徑能力，方便接收。 強(qiáng)定位能力，利于機(jī)器人視覺。 強(qiáng)穿透能力，能穿透墻壁或其他障礙物。 設(shè)備簡(jiǎn)單，主要由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，成本低。有關(guān)有關(guān)UWBUWB

27、的的歷史1950196019701980199020002003 2003 相繼出現(xiàn)不同體制相繼出現(xiàn)不同體制UWBUWB應(yīng)用的芯片組和系統(tǒng)應(yīng)用的芯片組和系統(tǒng)20022002 FCC FCC允許允許UWBUWB民用通信系統(tǒng)投入使用民用通信系統(tǒng)投入使用19981998 FCC FCC發(fā)布發(fā)布UWBUWB技術(shù)應(yīng)用調(diào)查通告技術(shù)應(yīng)用調(diào)查通告19941994 第一套公開的第一套公開的UWBUWB通信系統(tǒng)出現(xiàn)通信系統(tǒng)出現(xiàn)19901990 OSD/DARPA OSD/DARPA發(fā)布超寬帶技術(shù)評(píng)估報(bào)告發(fā)布超寬帶技術(shù)評(píng)估報(bào)告19861986 第一套第一套”短脈沖短脈沖”UWBUWB通信系統(tǒng)問世通信系統(tǒng)問世(Ros

28、s/Fontana)(Ross/Fontana)19731973 第一個(gè)第一個(gè)UWBUWB通信專利（通信專利（RossRoss）1960s1960s Harmuth Harmuth、RossRoss、RobbinsRobbins和和EttenEtten做了大量基礎(chǔ)研究做了大量基礎(chǔ)研究1950s1950s UWB UWB技術(shù)始于微波網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)響應(yīng)研究技術(shù)始于微波網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)響應(yīng)研究超寬帶的歷史 在FCC(Federal Communications Commission)批準(zhǔn)之前經(jīng)歷了四年的辯論 IEEE兩大競(jìng)爭(zhēng)方案中經(jīng)歷了四年的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng) 多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)方案歸為一種標(biāo)準(zhǔn): 多頻帶OFDM (MB-OFD

29、M)批準(zhǔn)無牌照的批準(zhǔn)無牌照的 UWB規(guī)則制定的提議規(guī)則制定的提議調(diào)查調(diào)查超寬帶超寬帶兩大兩大陣營(yíng)陣營(yíng)形成形成推出第一個(gè)推出第一個(gè)WiMedia產(chǎn)品產(chǎn)品超寬帶超寬帶兩大陣營(yíng)形成兩大陣營(yíng)形成宣布成立宣布成立 SIG與與合并合并成立成立MBOA 放棄請(qǐng)求放棄請(qǐng)求通過批準(zhǔn)通過批準(zhǔn)Ecma對(duì)提議對(duì)提議進(jìn)行審查進(jìn)行審查發(fā)布基于發(fā)布基于WiMedia UWB的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn) UWB UWB 的性能的性能UWB 是傳輸數(shù)據(jù)的無線個(gè)域網(wǎng) (WPAN) 技術(shù)更快低成本低功耗范圍范圍(m)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)802.11a/b/g/n.11n promises 100Mbps 100m服務(wù)質(zhì)量，流動(dòng)室內(nèi)高清晰室內(nèi)高清晰UW

30、B藍(lán)牙藍(lán)牙 UWB短距離短距離高速下載110Mbps 10m480Mbps 2m200Mbps 4mData Rate (Mbps)1000100101110100FCC2004.4發(fā)布的UWB頻譜和應(yīng)用規(guī)定探測(cè)室內(nèi)的物體和人員活動(dòng)通信、測(cè)量用途信號(hào)頻帶應(yīng)用環(huán)境3.110.6Ghz高速家用網(wǎng)絡(luò)、規(guī)定的測(cè)量設(shè)備車載雷達(dá)系統(tǒng)2229Ghz探測(cè)車輛周圍的物體避免碰撞等探地雷達(dá)3.110.6Ghz探測(cè)地下埋藏物并成像探墻雷達(dá)3.110.6Ghz探測(cè)墻內(nèi)的埋藏物并成像穿墻雷達(dá)1.9910.6Ghz監(jiān)視1.9910.6Ghz監(jiān)視某區(qū)域內(nèi)的人、物或干擾醫(yī)療3.110.6Ghz檢查人體或動(dòng)物體內(nèi)器官FCC 規(guī)

31、則規(guī)則 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(jī)結(jié)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)。比較常見的編碼調(diào)制技術(shù)包括構(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、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴(kuò)頻技術(shù)。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。一般具有意義，但需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對(duì)

32、誤碼的影響。一般用單個(gè)比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對(duì)能量的效率，單比特用單個(gè)比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。能耗越小越好。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì) 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(diǎn)。此它包含了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點(diǎn)。 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)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種類型。無線電波的通信限制較少，通常三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇人們選

33、擇“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療”(Industrial(Industrial，Scientific and Medical, ISM)Scientific and Medical, ISM)頻段。頻段。ISMISM頻段的優(yōu)點(diǎn)在頻段的優(yōu)點(diǎn)在于它是自由頻段，無須注冊(cè)，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來于它是自由頻段，無須注冊(cè)，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。靈活方便。ISMISM頻段的缺點(diǎn)主要是功率受限，另外與現(xiàn)有頻段的缺點(diǎn)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。多種無線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)nISM波段ISM波段的特波段的

34、特點(diǎn)是無須申點(diǎn)是無須申請(qǐng)，利于降請(qǐng)，利于降低成本。低成本。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信的另一種手段是紅外技無線傳感器網(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)是無須注冊(cè)，并且抗干擾能力強(qiáng)。術(shù)。紅外通信的優(yōu)點(diǎn)是無須注冊(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線傳感收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致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(chǎng)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(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)

35、可對(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)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)重干擾等問題。重干擾等問題。 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(diǎn)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

36、點(diǎn)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。調(diào)制機(jī)制。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(gè)字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取4 4，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片，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，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)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。數(shù)據(jù)包開始傳輸。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)的低幀長(zhǎng)度字段通常由一個(gè)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(fù)負(fù)載的

37、長(zhǎng)度，因此它的后續(xù)載的長(zhǎng)度，因此它的后續(xù)PHYPHY負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過127127個(gè)字節(jié)。個(gè)字節(jié)。 物理幀物理幀PHYPHY的負(fù)載長(zhǎng)度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的負(fù)載長(zhǎng)度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY Service Data (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)包的數(shù)據(jù)，PSDUPSDU域是物理層的載荷域是物理層的載荷 。 在低速無線個(gè)域網(wǎng)在低速無線個(gè)域網(wǎng)(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在的物理層是在868MHz

38、868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個(gè)載波頻段收發(fā)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。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 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。目前是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)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，例如基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420無線通信芯片。無線通信芯片。 總的來看，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)

39、絡(luò)的特點(diǎn)，現(xiàn)有總的來看，針對(duì)無線傳感器網(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頻段選擇上主要集中在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波段。波段。2.2 MAC2.2 MAC協(xié)議協(xié)議2.2.1 MAC2.2.1 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(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)接入信道，導(dǎo)致分組之間線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可

40、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，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。為了解決這些問題，就需要設(shè)計(jì)介質(zhì)訪問控制導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設(shè)計(jì)介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)協(xié)議。所謂協(xié)議。所謂MACMAC協(xié)議就是通過一組規(guī)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)。則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。TCP/IPTCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)：協(xié)議基礎(chǔ)：OSIOSI

41、分層結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu)功能提供電氣連接和信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)與另一端的系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流層次應(yīng)用層表示層會(huì)話層傳輸層數(shù)據(jù)鏈路層物理層網(wǎng)絡(luò)層決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ?IP路徑確定、傳輸質(zhì)量控制 TCP、UDP通信進(jìn)程間安全性操作、名字識(shí)別、登錄等最終數(shù)據(jù)反映形式。如字符、圖形、語音網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序(1) (1) 采用分布式控制還是集中控制；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(gè)信道；使用單一共享信道還是多個(gè)信道；(3) (3) 采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式。采用固定分配信道方式還是隨機(jī)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

42、條件進(jìn)行分類：協(xié)議可以按照下列條件進(jìn)行分類： 根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的根據(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(shí)分復(fù)用無競(jìng)爭(zhēng)接入方式時(shí)分復(fù)用無競(jìng)爭(zhēng)接入方式。無線信道時(shí)分復(fù)用。無線信道時(shí)分復(fù)用(Time (Time Division Multiple AccessDivision Multiple Access，TDMA)TDMA)方式給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配方式給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。固定的無線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。 (2) (2) 隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入

43、方式。如果采用無線信道的隨機(jī)。如果采用無線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無線信競(jìng)爭(zhēng)接入方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無線信道，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多路訪問聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)CSMA)的的MACMAC協(xié)議。協(xié)議。 (3) (3) 競(jìng)爭(zhēng)與固定分配相結(jié)合的接入方式競(jìng)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無沖突采用頻分復(fù)用或者碼分

44、復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無沖突的無線信道分配。的無線信道分配。 基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)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(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競(jìng)爭(zhēng)方式使用無線信道，如本思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)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

45、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 (CSMA with Collision AvoidanceCollision Avoidance，CSMA/CA)CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競(jìng)爭(zhēng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它是基于競(jìng)爭(zhēng)的無線網(wǎng)絡(luò)MACMAC協(xié)議的典型代表。協(xié)議的典型代表。 所謂的所謂的CSMA/CACSMA/CA機(jī)制機(jī)制是指在信號(hào)傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽介質(zhì)是指在信號(hào)傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽介質(zhì)中是否有同信道載

46、波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)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。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)用的過程。這種介質(zhì)訪問控制層的方案簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程。 在在IEEE 802.11 MACIEEE 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)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

47、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)的典型用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型MACMAC協(xié)議。協(xié)議。IEEE 802.11 MACIEEE 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(diǎn)協(xié)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能調(diào)功能(Point Coordination Function(Point Coordination Function，PCF

48、)PCF)兩種訪兩種訪問控制方式，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。 n RTS/CTS RTS/CTS協(xié)議協(xié)議(Request To (Request To Send/Clear To Send)Send/Clear To Send)即請(qǐng)求發(fā)送即請(qǐng)求發(fā)送/ /允許允許發(fā)送協(xié)議，相當(dāng)于一種握手協(xié)議發(fā)送協(xié)議，相當(dāng)于一種握手協(xié)議. . n ACK (Acknowledgement ACK (Acknowledgement）接收站發(fā)）接收站發(fā)給發(fā)送站的一種傳輸控制字符，表示確給發(fā)送站的一種傳輸控制字

49、符，表示確認(rèn)發(fā)來的數(shù)據(jù)已經(jīng)接受無誤認(rèn)發(fā)來的數(shù)據(jù)已經(jīng)接受無誤 在在DCFDCF工作方式工作方式下，載波偵聽機(jī)制下，載波偵聽機(jī)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?wèi)B(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 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔(InterFrame (InterFrame SpaceSpace，IFS)IFS)，用來提

50、供訪問無線信道的優(yōu)先級(jí)：，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級(jí)：（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(diǎn)使用的幀間間隔。方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。（3 3）DIFS DIFS (DCF IFS)(DCF IFS)：DCFDCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。 根據(jù)根據(jù)CSMA/CACSMA/CA協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)分組時(shí)，它首先偵聽信道狀協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)分組時(shí)，它首先偵聽信道狀態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個(gè)幀間間隔時(shí)間態(tài)

51、。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個(gè)幀間間隔時(shí)間DIFSDIFS后，信道仍然空后，信道仍然空閑，則站點(diǎn)立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點(diǎn)始終偵聽信道，閑，則站點(diǎn)立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點(diǎn)始終偵聽信道，直到信道的空閑時(shí)間超過直到信道的空閑時(shí)間超過DIFSDIFS。當(dāng)信道最終空閑下來的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)進(jìn)。當(dāng)信道最終空閑下來的時(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)來避免發(fā)生碰撞。一步使用二進(jìn)制退避算法，進(jìn)入退避狀態(tài)來避免發(fā)生碰撞。當(dāng)信道空閑時(shí)間大于DIF時(shí) 使用信道DIFSPIFSSIFS信道忙競(jìng)爭(zhēng)窗口退避窗口下一幀時(shí)間槽時(shí)間DIFS推遲發(fā)送 隨機(jī)退避時(shí)間按下面公式進(jìn)行計(jì)算：隨機(jī)退避時(shí)間按下

52、面公式進(jìn)行計(jì)算： 退避時(shí)間退避時(shí)間=Random()=Random()aSlottimeaSlottime 其中，其中，Random()Random()是在競(jìng)爭(zhēng)窗口是在競(jìng)爭(zhēng)窗口00，CWCW內(nèi)均勻分布的偽內(nèi)均勻分布的偽隨機(jī)整數(shù)；隨機(jī)整數(shù)；CWCW是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，它的數(shù)值位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，它的數(shù)值位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的aCWminaCWmin和和aCWmaxaCWmax之間；之間；aSlottimeaSlottime是一個(gè)時(shí)槽時(shí)間，包括發(fā)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。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)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入退避

53、狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)退避計(jì)時(shí)器，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，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)間大于測(cè)到信道空閑時(shí)間大于DIFSDIFS后才繼續(xù)計(jì)時(shí)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)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)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。間的節(jié)點(diǎn)作為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勝者。節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)C節(jié)點(diǎn)D推遲推遲推遲競(jìng)爭(zhēng)窗口幀幀節(jié)點(diǎn)EDIF

54、S推遲競(jìng)爭(zhēng)窗口幀競(jìng)爭(zhēng)窗口幀幀競(jìng)爭(zhēng)窗口退避時(shí)間剩余退避時(shí)間 802.11 MAC 802.11 MAC協(xié)議通過協(xié)議通過立即主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制立即主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制和和預(yù)留機(jī)制預(yù)留機(jī)制提高性能。在主動(dòng)確提高性能。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)(DATA)時(shí)，必須向源時(shí)，必須向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀(ACK)(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)，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)送在發(fā)送ACKACK過程中不與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用過程中不與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用SIFS

55、SIFS幀間隔。主動(dòng)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。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。RTSDATACTSACK競(jìng) 爭(zhēng) 窗 口下 一 幀DIFSDIFS源 站 點(diǎn)SIFS目 的 站 點(diǎn)NAV(RTS)NAV(CTS)其 他 站 點(diǎn)66RTS-CTS握手機(jī)制 發(fā)送節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)發(fā)送前與接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次短控制消息的握手，接收 節(jié)點(diǎn)以短消息的方式通知鄰近節(jié)點(diǎn)它將進(jìn)行接收，既RTS-CTS方式。 鄰近節(jié)點(diǎn)在收到RTS幀和CTS幀后，在以后的一段時(shí)間內(nèi)抑制自己的傳 輸，從而避免對(duì)即將進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸造成碰撞。 盡管這種方式是以增加附加控

56、制開銷為代價(jià)的，但它是目前解決這個(gè) 問題的主要趨勢(shì)。RTSABCDCTSNAVNAV數(shù) 據(jù)ACK67 在請(qǐng)求幀RTS與清除幀CTS中都有一個(gè)字段表示這次數(shù)據(jù)交換需要的時(shí)間長(zhǎng)度，成為網(wǎng)絡(luò)分配矢量（NAV），其他幀的MAC頭也會(huì)捎帶這一信息。RTSABCDCTSNAVNAV數(shù) 據(jù)ACK NAV可看作一個(gè)計(jì)數(shù)器，以均勻速率遞減計(jì)數(shù)到零。當(dāng)計(jì)數(shù)器為零時(shí)，虛擬載波偵聽指示信道為空閑狀態(tài)；否則，指示信道為忙狀態(tài)。RTS-CTS握手機(jī)制68RTS-CTS握手機(jī)制和退避機(jī)制 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)數(shù)器，當(dāng)計(jì)時(shí)完成時(shí)計(jì)數(shù)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

57、中止計(jì)時(shí)，直到檢測(cè)到信道空閑。RTSABCDCTSNAVNAV數(shù) 據(jù)ACK 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。RTS典型典型MACMAC協(xié)議：協(xié)議：S-MACS-MAC協(xié)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-MACS-MAC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 802.1l MACMAC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。的。 S-MA

58、C 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，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)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)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)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良網(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。好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點(diǎn)能耗。 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?dāng)_串?dāng)_ 控制開銷控制開銷（1 1）周期性偵聽和睡眠機(jī)制）周期性偵聽和睡眠機(jī)制 S-MACS-MAC協(xié)

59、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(shí)間要根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)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)閉無線電波，以節(jié)省能量。當(dāng)行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于睡眠階段時(shí)，關(guān)閉無線電波，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。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。偵聽偵聽睡眠睡眠節(jié)點(diǎn)協(xié)同進(jìn)行周期性偵聽和睡眠的狀態(tài)切換，確保節(jié)點(diǎn)能同步進(jìn)行偵聽和睡眠調(diào)度。調(diào)度周期：周期性偵聽和睡眠的時(shí)間之和為一個(gè)調(diào)度周期。 具有相同調(diào)度

60、的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)所謂具有相同調(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)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，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(kuò)展性。協(xié)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