1、第第5 5次課次課 WSN WSN通信與組網(wǎng)技術(shù)通信與組網(wǎng)技術(shù)(1)(1)學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握WSN協(xié)議結(jié)構(gòu)了解傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)了解數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議了解網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議4 4.1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)4 4.1.1.1.1傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議OSIOSI參考模型參考模型 如圖如圖4 4-1-1所示所示開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參考模型開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)參考模型( OSI )( OSI )共有共有7 7個(gè)層次個(gè)層次, ,從底向上依從底向上依次是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。除次是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。除物理層

2、和應(yīng)用層物理層和應(yīng)用層外，其余每層都和相鄰上下兩層進(jìn)行通信。外，其余每層都和相鄰上下兩層進(jìn)行通信。4 4.1.2.1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu)從從無(wú)線聯(lián)網(wǎng)無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的角度來(lái)看，傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的體系由分層的的角度來(lái)看，傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的體系由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)絡(luò)管理平臺(tái)和和應(yīng)用支撐平臺(tái)應(yīng)用支撐平臺(tái)三個(gè)部分組成三個(gè)部分組成( (如圖如圖4 4-2-2所示所示) )。1. 1. 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議類(lèi)似于傳統(tǒng)類(lèi)似于傳統(tǒng)InternetInternet網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)中的T TCP/IPCP/IP協(xié)議體系，它由協(xié)議體系，它由物理層物理層、數(shù)據(jù)鏈

3、路數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和和應(yīng)用層應(yīng)用層組成組成( (如圖如圖3-23-2所示所示););如圖如圖3-33-3所示。所示。MACMAC層和物理層協(xié)議采用的是國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)層和物理層協(xié)議采用的是國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)(The Institute of Electrical and Electronics Engineers(The Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)IEEE)制定的制定的IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4協(xié)議。協(xié)議。IEEE 802.15.4IEEE 802

4、.15.4是針對(duì)是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal (Low-Rate Wireless Personal Area NetworkArea Network，LR-WPANLR-WPAN) )制定的標(biāo)準(zhǔn)。制定的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗能量消耗、低速率傳輸?shù)退俾蕚鬏敗⒌统杀镜统杀咀鳛橹攸c(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)?；蚣彝シ秶鷥?nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。IEEE IEEE 802.15.4802.15.4的網(wǎng)絡(luò)特征與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處，所以的網(wǎng)絡(luò)特征與無(wú)線傳

5、感器網(wǎng)絡(luò)存在很多相似之處，所以許多研究機(jī)構(gòu)把它作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信平臺(tái)。許多研究機(jī)構(gòu)把它作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信平臺(tái)。1. 1. 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議(1)(1)物理層。物理層。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層負(fù)責(zé)信號(hào)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層負(fù)責(zé)信號(hào)的調(diào)制調(diào)制和和數(shù)據(jù)的收發(fā)數(shù)據(jù)的收發(fā)，所采用的傳輸介質(zhì)主要有所采用的傳輸介質(zhì)主要有無(wú)線電、紅外線、光波無(wú)線電、紅外線、光波等。等。(2)(2)數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀數(shù)據(jù)成幀、幀檢、幀檢測(cè)、測(cè)、介質(zhì)訪問(wèn)介質(zhì)訪問(wèn)和差錯(cuò)控制。介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議保證可靠的和差錯(cuò)控制。介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議保證可靠的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

6、和和點(diǎn)點(diǎn)對(duì)對(duì)多點(diǎn)通信多點(diǎn)通信，差錯(cuò)控制差錯(cuò)控制保證源結(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息可以完整無(wú)誤地到保證源結(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息可以完整無(wú)誤地到達(dá)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)。達(dá)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)。1. 1. 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議(3)(3)網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，通常大多數(shù)結(jié)，通常大多數(shù)結(jié)點(diǎn)無(wú)法直接與網(wǎng)絡(luò)通信，需要通過(guò)中間結(jié)點(diǎn)以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳點(diǎn)無(wú)法直接與網(wǎng)絡(luò)通信，需要通過(guò)中間結(jié)點(diǎn)以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚結(jié)點(diǎn)。送至匯聚結(jié)點(diǎn)。(4)(4)傳輸層。傳輸層。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，主要通過(guò)主要通過(guò)匯匯聚結(jié)點(diǎn)采集

7、傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)聚結(jié)點(diǎn)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)，并使用衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)，并使用衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)或者其他的鏈路（或者其他的鏈路（RS232RS232）與外部網(wǎng)絡(luò)通信，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要）與外部網(wǎng)絡(luò)通信，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。部分。1. 1. 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議2. 2. 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)主要是對(duì)傳感器結(jié)點(diǎn)自身的管理和用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)主要是對(duì)傳感器結(jié)點(diǎn)自身的管理和用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，包括理，包括拓?fù)淇刂仆負(fù)淇刂?、服?wù)質(zhì)量管理服務(wù)質(zhì)量管理、能量管理能量管理、安全管理安全管理、移動(dòng)管理移動(dòng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)管理等。等。(1

8、)(1)拓?fù)淇刂仆負(fù)淇刂啤?一些傳感器結(jié)點(diǎn)為了節(jié)約能量會(huì)在某些時(shí)刻進(jìn)入休眠狀一些傳感器結(jié)點(diǎn)為了節(jié)約能量會(huì)在某些時(shí)刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的態(tài)，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，而需要通過(guò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)管理各而需要通過(guò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)管理各結(jié)點(diǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使網(wǎng)絡(luò)保持暢通，數(shù)據(jù)能夠有效傳輸。拓?fù)淇刂评媒Y(jié)點(diǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使網(wǎng)絡(luò)保持暢通，數(shù)據(jù)能夠有效傳輸。拓?fù)淇刂评面溌穼印⒙酚蓪油瓿赏負(fù)渖?，反過(guò)來(lái)又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)鏈路層、路由層完成拓?fù)渖?，反過(guò)來(lái)又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化化MACMAC協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。(2)(2)服務(wù)質(zhì)量管理。服務(wù)質(zhì)量管

9、理。 服務(wù)質(zhì)量管埋服務(wù)質(zhì)量管埋在各協(xié)議層設(shè)計(jì)在各協(xié)議層設(shè)計(jì)隊(duì)列管理、優(yōu)先級(jí)機(jī)隊(duì)列管理、優(yōu)先級(jí)機(jī)制制或者或者帶寬預(yù)留帶寬預(yù)留等機(jī)制，并對(duì)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理。它是網(wǎng)絡(luò)等機(jī)制，并對(duì)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理。它是網(wǎng)絡(luò)與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)量質(zhì)量約定。為了滿足用戶的要求，傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠?yàn)橛脩籼峁┳銐虻馁Y約定。為了滿足用戶的要求，傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠?yàn)橛脩籼峁┳銐虻馁Y源，以用戶可接受的性能指標(biāo)工作。源，以用戶可接受的性能指標(biāo)工作。(3)(3)能量管理。能量管理。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中電源能量是各個(gè)結(jié)點(diǎn)最寶

10、貴的資源。為在傳感器網(wǎng)絡(luò)中電源能量是各個(gè)結(jié)點(diǎn)最寶貴的資源。為了使傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間盡可能長(zhǎng)，需要合理、有效地控制結(jié)點(diǎn)對(duì)能了使傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間盡可能長(zhǎng)，需要合理、有效地控制結(jié)點(diǎn)對(duì)能量的使用。每個(gè)協(xié)議層次中都要增加量的使用。每個(gè)協(xié)議層次中都要增加能量控制能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)代碼，并提供給操作系統(tǒng)進(jìn)行能量分配決策。進(jìn)行能量分配決策。2. 2. 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)協(xié)議層結(jié)構(gòu)(4)(4)安全管理。安全管理。 由于結(jié)點(diǎn)由于結(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署隨機(jī)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性和無(wú)線信道的不和無(wú)線信道的不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機(jī)制無(wú)法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中適用，因而需要設(shè)計(jì)新型的穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機(jī)制

11、無(wú)法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中適用，因而需要設(shè)計(jì)新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，采用諸如傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，采用諸如擴(kuò)頻通信、接入認(rèn)證擴(kuò)頻通信、接入認(rèn)證/ /鑒權(quán)、數(shù)字水印和鑒權(quán)、數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加密等數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。技術(shù)。(5)(5)移動(dòng)管理。移動(dòng)管理。 在某些傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境中，結(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)，在某些傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境中，結(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)，移動(dòng)移動(dòng)管理用來(lái)管理用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制監(jiān)測(cè)和控制結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚結(jié)點(diǎn)的的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚結(jié)點(diǎn)的路由路由，還可以使傳，還可以使傳感器結(jié)點(diǎn)跟蹤它的鄰居。感器結(jié)點(diǎn)跟蹤它的鄰居。2. 2. 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)(6)(6)網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理。 網(wǎng)絡(luò)管理是對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)上的網(wǎng)

12、絡(luò)管理是對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備和傳輸系統(tǒng)進(jìn)設(shè)備和傳輸系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)視、控制、診斷和測(cè)試所行有效監(jiān)視、控制、診斷和測(cè)試所采用的技術(shù)和方法。它要求協(xié)采用的技術(shù)和方法。它要求協(xié)議各層嵌入各種議各層嵌入各種信息接口信息接口，并定時(shí)收集協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)和流量信息，并定時(shí)收集協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)協(xié)議組件的運(yùn)行。協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)協(xié)議組件的運(yùn)行。2. 2. 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)3. 3. 應(yīng)用支撐平臺(tái)應(yīng)用支撐平臺(tái)應(yīng)用支撐平臺(tái)建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上，應(yīng)用支撐平臺(tái)建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上，包括一系列基于包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟

13、件，通過(guò)應(yīng)用，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)接口服務(wù)接口和網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理接口來(lái)為終端用戶提供各種具體應(yīng)用的支持。絡(luò)管理接口來(lái)為終端用戶提供各種具體應(yīng)用的支持。4 4.2.2物理層物理層4 4.2.1.2.1物理層的概述物理層的概述 1 1物理層的基本概念物理層的基本概念 現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備和傳輸介質(zhì)的種類(lèi)非常多，現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備和傳輸介質(zhì)的種類(lèi)非常多，而通信手段也有許多不同的方式。而通信手段也有許多不同的方式。物理層的作用物理層的作用正是要正是要盡可能地屏蔽掉這些差異。盡可能地屏蔽掉這些差異。物理層的主要功能如下：物理層的主要功能如下：(1)(1)為數(shù)據(jù)終端設(shè)備為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Termin

14、al Equipment(Data Terminal Equipment，DTE)DTE)提供傳送數(shù)據(jù)提供傳送數(shù)據(jù)的的通路通路；(2)(2)傳輸傳輸數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)；(3)(3)其他其他管理工作管理工作。物理層還負(fù)責(zé)其他一些管理工作，如信道狀態(tài)評(píng)。物理層還負(fù)責(zé)其他一些管理工作，如信道狀態(tài)評(píng)估、能量檢測(cè)等。估、能量檢測(cè)等。1 1物理層的基本概念物理層的基本概念 1 1介質(zhì)選擇和頻率分配介質(zhì)選擇和頻率分配u 無(wú)線通信的介質(zhì)包括無(wú)線通信的介質(zhì)包括電磁波和聲波電磁波和聲波。電磁波是主要的。電磁波是主要的無(wú)線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下無(wú)線通信。無(wú)線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下無(wú)線通信。u 按照波長(zhǎng)進(jìn)行分

15、類(lèi)，電磁波可分為無(wú)線電波、微波、按照波長(zhǎng)進(jìn)行分類(lèi)，電磁波可分為無(wú)線電波、微波、紅外線、毫米波以及光波等。紅外線、毫米波以及光波等。2 2通信信道分配通信信道分配u 通信信道通信信道是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐罚谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中信道分是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?，在?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中信道分為為物理信道物理信道和和邏輯信道邏輯信道。u 物理信道按傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同分為物理信道按傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型的不同分為數(shù)字信道數(shù)字信道和和模擬模擬信道信道，還可根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同分為有線信道和無(wú)線，還可根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同分為有線信道和無(wú)線信道。信道。4.2.24.2.2通信信道分配通信信道分配 調(diào)制與解調(diào)技術(shù)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)是無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一

16、。是無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。u 調(diào)制調(diào)制是指將來(lái)自于信源的基帶信號(hào)通過(guò)改變是指將來(lái)自于信源的基帶信號(hào)通過(guò)改變高頻載波高頻載波的幅的幅度、相位或頻率，隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化，使之度、相位或頻率，隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化，使之適用于網(wǎng)絡(luò)信道通信的已調(diào)信號(hào)或頻帶信號(hào)。適用于網(wǎng)絡(luò)信道通信的已調(diào)信號(hào)或頻帶信號(hào)。u 解調(diào)解調(diào)則是將基帶信號(hào)從載波中則是將基帶信號(hào)從載波中提取提取出來(lái)以便接受處理和理出來(lái)以便接受處理和理解的過(guò)程。解的過(guò)程。4.2.3調(diào)制解調(diào)方式調(diào)制解調(diào)方式4 4.2.2.4 4WSNWSN物理層的設(shè)計(jì)物理層的設(shè)計(jì)1 1傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用

17、的主要傳輸介質(zhì)主要傳輸介質(zhì)包括包括無(wú)線電無(wú)線電、紅外線和光波等紅外線和光波等。表3.1列出了ISM應(yīng)用中的可用頻段。 ISM(Industrial Scientific Medical) Band，此頻段( 2.42.4835GHz)主要是開(kāi)放給工業(yè)，科學(xué)、醫(yī)學(xué)，三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，該頻段是依據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)所定義出來(lái)，屬于Free License，并沒(méi)有所謂使用授權(quán)的限制。 ISM頻段在各國(guó)的規(guī)定并不統(tǒng)一。如在美國(guó)有三個(gè)頻段902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz und 5725-5850 MHz，而在歐洲900MHz的頻段則有部份用于GSM通信。2.4GHz為

18、各國(guó)共同的ISM頻段。因此無(wú)線局域網(wǎng)，藍(lán)牙，ZigBee等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，均可工作在2.4GHz頻段上。 2 2物理層幀結(jié)構(gòu)物理層幀結(jié)構(gòu) 表表3-23-2描述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)描述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)普遍普遍使用的一種使用的一種物理層幀結(jié)構(gòu)物理層幀結(jié)構(gòu)。3 3物理層設(shè)計(jì)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)技術(shù)物理層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的物理層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的硬件加密硬件加密、調(diào)制解調(diào)調(diào)制解調(diào)、發(fā)送與接收發(fā)送與接收，是決定，是決定傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的體積、成本和能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的體積、成本和能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的能量消耗盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量。獲得較大的鏈路容量。

19、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(wèn)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(wèn)題：(1)(1)編碼調(diào)制編碼調(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)。等一系列的技術(shù)參數(shù)。 (2)(2)提高數(shù)據(jù)傳輸速率提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間，可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間，在低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)在低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個(gè)載波頻

20、段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個(gè)頻段都使三個(gè)載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個(gè)頻段都使用了用了直接序列擴(kuò)頻方式直接序列擴(kuò)頻方式。IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)非常適合無(wú)線傳感器網(wǎng)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)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。目前絡(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。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼射頻芯片也相繼推出，例如推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420無(wú)線無(wú)線通信芯片。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

21、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結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的調(diào)制方式，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。3 3物理層設(shè)計(jì)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)技術(shù)4 4.3.3數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)除了需要傳輸層機(jī)制實(shí)現(xiàn)高等級(jí)誤差和擁塞控制外，還需無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)除了需要傳輸層機(jī)制實(shí)現(xiàn)高等級(jí)誤差和擁塞控制外，還需要數(shù)據(jù)鏈路層功能。總體而言，數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)要數(shù)據(jù)鏈路層功能?？傮w而言，數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)多路數(shù)據(jù)流多路數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)探測(cè)、結(jié)構(gòu)探測(cè)、媒體訪問(wèn)媒體訪問(wèn)和

22、和誤差控制誤差控制，從而確保通信網(wǎng)絡(luò)中可靠的，從而確保通信網(wǎng)絡(luò)中可靠的Point-to-Point-to-PointPoint與與Point-to-MultipointPoint-to-Multipoint連接。然而，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)作與面向應(yīng)連接。然而，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)作與面向應(yīng)用的性質(zhì)，以及無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的物理約束用的性質(zhì)，以及無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的物理約束( (例如能量和處理能力約束例如能量和處理能力約束) )決決定了完成這些功能的方式。定了完成這些功能的方式。多跳自組織無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)多跳自組織無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)MACMAC層協(xié)議需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：層協(xié)議需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：u （1)1)對(duì)于感知區(qū)域內(nèi)密集布置節(jié)

23、點(diǎn)的多跳無(wú)線通信，需要建立數(shù)對(duì)于感知區(qū)域內(nèi)密集布置節(jié)點(diǎn)的多跳無(wú)線通信，需要建立數(shù)據(jù)通信鏈接以獲得基本的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)通信鏈接以獲得基本的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。u （2)2)為了使無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)為了使無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)公平有效公平有效地共享通信資源，需要對(duì)共享地共享通信資源，需要對(duì)共享媒體的訪問(wèn)進(jìn)行管理。媒體的訪問(wèn)進(jìn)行管理。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的MACMAC協(xié)議必須具有固定協(xié)議必須具有固定能量保護(hù)能量保護(hù)、移動(dòng)性管理移動(dòng)性管理和和失效恢復(fù)策略。失效恢復(fù)策略。 考慮現(xiàn)有的考慮現(xiàn)有的MACMAC解決方案，主要包含以下幾種訪問(wèn)方式：解決方案，主要包含以下幾種訪問(wèn)方式：(1)(1)基于基于TDMATDMA的媒體

24、訪問(wèn)的媒體訪問(wèn) (2)(2)基于混合基于混合TDMA/FDMATDMA/FDMA的媒體訪問(wèn)的媒體訪問(wèn) (3)(3)基于基于CSMACSMA媒體訪問(wèn)媒體訪問(wèn) 1 1媒體訪問(wèn)控制媒體訪問(wèn)控制 一般而基于一般而基于ARQARQ的誤差控制主要采用的誤差控制主要采用重新傳送重新傳送恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包/ /幀。雖幀。雖然其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層利用了基于然其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層利用了基于ARQARQ的誤差控制方案，但由于無(wú)的誤差控制方案，但由于無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)能量與處理資源的不足，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中線傳感節(jié)點(diǎn)能量與處理資源的不足，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中ARQARQ的有效性受的有效性受到了限制。另外

25、，到了限制。另外，F(xiàn)ECFEC方案具有固有的解碼復(fù)雜性，需要無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)消方案具有固有的解碼復(fù)雜性，需要無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)消耗大量處理資源。因此，具有耗大量處理資源。因此，具有低復(fù)雜度編碼與解碼低復(fù)雜度編碼與解碼方式的簡(jiǎn)單誤差控制方式的簡(jiǎn)單誤差控制碼可能是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中誤差控制的最佳解決方案。碼可能是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中誤差控制的最佳解決方案。2 2誤差控制誤差控制4 4.4.4網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層通常根據(jù)下列無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層通常根據(jù)下列原則原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：進(jìn)行設(shè)計(jì)： (1) (1) 能量有效性能量有效性是必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題；是必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題； (2) (2) 多數(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以多數(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心數(shù)據(jù)為中心； (3) (3) 理想的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用理想的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用基于屬性的尋址基于屬性的尋址和位置感知方式；和位置感知方式； (4) (4) 數(shù)據(jù)聚集僅在不妨礙無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的協(xié)作效應(yīng)時(shí)是有效的；數(shù)據(jù)聚集僅在不妨礙無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的協(xié)作效應(yīng)時(shí)是有效的； (5) (5) 路由協(xié)議易于與其它網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議易于與其它網(wǎng)絡(luò)( (例如例如Internel)Internel)相結(jié)合。相結(jié)合。為了與信息或數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，需要根據(jù)為了與信息或數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，需要根據(jù)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心技術(shù)設(shè)計(jì)路由技術(shù)設(shè)計(jì)路由協(xié)議協(xié)議。數(shù)據(jù)中心路由協(xié)議采用基于屬性的命名，即根據(jù)觀察對(duì)。數(shù)據(jù)中心路由