1、第第3 3章章傳感器網絡的通信與組網技術傳感器網絡的通信與組網技術3.1 3.1 物理層物理層3.1.1 3.1.1 物理層概述物理層概述1 1、物理層的基本概念、物理層的基本概念 在計算機網絡中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸在計算機網絡中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸介質上傳輸數據的比特流。國際標準化組織介質上傳輸數據的比特流。國際標準化組織(IOS)(IOS)對開放系統互聯對開放系統互聯(OSI)(OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護和釋放數據鏈路實體參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護和釋放數據鏈路實體之間的二進制比特傳輸的物理連接

2、，提供機械的、電氣的、功能的和規程之間的二進制比特傳輸的物理連接，提供機械的、電氣的、功能的和規程性的特性。性的特性。 從定義可以看出，物理層的特點是負責在物理連接上傳輸二進制比從定義可以看出，物理層的特點是負責在物理連接上傳輸二進制比特流，并提供為建立、維護和釋放物理連接所需要的機械、電氣、功能和特流，并提供為建立、維護和釋放物理連接所需要的機械、電氣、功能和規程的特性。規程的特性。物理層的主要功能如下：物理層的主要功能如下： 為數據終端設備為數據終端設備(Data Terminal Equipment(Data Terminal Equipment，DTE)DTE)提供傳送數據的通路。提供

3、傳送數據的通路。 傳輸數據。傳輸數據。 其他管理工作。其他管理工作。1 1、物理層的基本概念、物理層的基本概念通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述：通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述： 機械特性機械特性。它規定了物理連接時使用的可接插連接器的形狀和尺寸，。它規定了物理連接時使用的可接插連接器的形狀和尺寸，連接器中的引腳數量和排列情況等。連接器中的引腳數量和排列情況等。 電氣特性電氣特性。它規定了在物理連接上傳輸二進制比特流時，線路上信號。它規定了在物理連接上傳輸二進制比特流時，線路上信號電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與

4、距離限制。 功能特性功能特性。它規定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。它規定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。物理接口信號線一般分為數據線、控制線、定時線和地線。物理接口信號線一般分為數據線、控制線、定時線和地線。 規程特性規程特性。它定義了信號線進行二進制比特流傳輸線的一組操作過程，。它定義了信號線進行二進制比特流傳輸線的一組操作過程，包括各信號線的工作規則和時序。包括各信號線的工作規則和時序。1 1、物理層的基本概念、物理層的基本概念 無線通信物理層的主要技術包括無線通信物理層的主要技術包括介質的選擇介質的選擇、頻段的選擇頻段的選擇、調制調制技術和擴頻技術技術和擴頻技術

5、。 (1) (1)介質和頻段選擇介質和頻段選擇 無線通信的介質包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信無線通信的介質包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信介質，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據波長的不同，電磁波介質，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據波長的不同，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絡中使用最廣泛。線網絡中使用最廣泛。2 2、無線通信物理層的主要技術、無線通信物理層的主要技術 無線電波是容易產生，可以傳播很遠，可以穿過建筑物，無線電波是容易產生，可以傳播很遠，可以穿過建筑物，

6、因而被廣泛地用于室內或室外的無線通信。無線電波是全因而被廣泛地用于室內或室外的無線通信。無線電波是全方向傳播信號的，它能向任意方向發送無線信號，所以發方向傳播信號的，它能向任意方向發送無線信號，所以發射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對準。射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對準。2 2、無線通信物理層的主要技術、無線通信物理層的主要技術 無線電波的傳播特性與頻率相關。如果采用較低頻率，則它能輕無線電波的傳播特性與頻率相關。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源距離易地通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距離r r的增大而急劇減小，的增大而急劇減小，大致為

7、大致為1/r1/r3 3。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，且受障礙物阻。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。無線電波易受發動機和其它電子設備的干擾。擋的影響。無線電波易受發動機和其它電子設備的干擾。 另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，用戶之間的相互串擾也是另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，用戶之間的相互串擾也是需要關注的問題，所以每個國家和地區都有關于無線頻率管制方面的需要關注的問題，所以每個國家和地區都有關于無線頻率管制方面的使用授權規定。使用授權規定。2 2、無線通信物理層的主要技術、無線通信物理層的主要技術 (2) (2)調制技術調制技術 調制和解調技術是無線通

8、信系統的關鍵技術之一。通常信號源的調制和解調技術是無線通信系統的關鍵技術之一。通常信號源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘枺蚨獙⒒鶐盘栟D換為相信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘枺蚨獙⒒鶐盘栟D換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進行信道傳輸。通常對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進行信道傳輸。通常將帶通信號稱為已調信號，而基帶信號稱為調制信號。將帶通信號稱為已調信號，而基帶信號稱為調制信號。2 2、無線通信物理層的主要技術、無線通信物理層的主要

9、技術 調制對通信系統的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調制調制對通信系統的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調制和解調往往在很大程度上決定著通信系統的質量。根據調制中采用的基帶和解調往往在很大程度上決定著通信系統的質量。根據調制中采用的基帶信號的類型，可以將調制分為信號的類型，可以將調制分為模擬調制模擬調制和和數字調制數字調制。 模擬調制模擬調制是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。 數字調制數字調制是用數字基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使

10、高頻是用數字基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著數字基帶信號的變化而變化。目前通信系統都在由模擬制式向數載波隨著數字基帶信號的變化而變化。目前通信系統都在由模擬制式向數字制式過渡，因此數字調制已經成為了主流的調制技術。字制式過渡，因此數字調制已經成為了主流的調制技術。2 2、無線通信物理層的主要技術、無線通信物理層的主要技術 (2)(2)調制技術調制技術 根據原始信號所控制參量的不同，調制分為根據原始信號所控制參量的不同，調制分為幅度調制幅度調制（AMAM）、）、頻頻率調制率調制（FMFM）和）和相位調制相位調制（PMPM）。）。 當數字調制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時，由

11、于該序列只存當數字調制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時，由于該序列只存在在“有電有電”和和“無電無電”兩種狀態，因而可以采用電鍵控制，被稱為鍵兩種狀態，因而可以采用電鍵控制，被稱為鍵控信號，所以上述數字信號的調幅、調頻、調相分別又被稱為幅移鍵控信號，所以上述數字信號的調幅、調頻、調相分別又被稱為幅移鍵控控(ASK)(ASK)、頻移鍵控、頻移鍵控(FSK)(FSK)和相移鍵控和相移鍵控(PSK)(PSK)。(2)(2)調制技術調制技術2 2、無線通信物理層的主要技術、無線通信物理層的主要技術 11幅移鍵控幅移鍵控頻移鍵控頻移鍵控 調制信號調制信號 (兩個狀態兩個狀態)相移鍵控相移鍵控載波信號載波

12、信號(高頻正弦波高頻正弦波)(2)(2)調制技術調制技術2 2、無線通信物理層的主要技術、無線通信物理層的主要技術 20 20世紀世紀8080年代以來，人們十分重視調制技術在無線通信年代以來，人們十分重視調制技術在無線通信系統中的應用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜特性更好的數系統中的應用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜特性更好的數字調制方式。由于振幅鍵控信號的抗噪聲性能不夠理想，因字調制方式。由于振幅鍵控信號的抗噪聲性能不夠理想，因而目前在無線通信中廣泛應用的調制方法是頻率鍵控和相位而目前在無線通信中廣泛應用的調制方法是頻率鍵控和相位鍵控。鍵控。(2)(2)調制技術調制技術2 2、無線通信物理層的主

13、要技術、無線通信物理層的主要技術 擴頻又稱為擴展頻譜，擴頻通信技術是一種信息傳擴頻又稱為擴展頻譜，擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現，與所傳信息數據無關；成，用編碼及調制的方法來實現，與所傳信息數據無關；在接收端用同樣的碼進行相關同步接收、解擴和恢復所在接收端用同樣的碼進行相關同步接收、解擴和恢復所傳信息數據。傳信息數據。(3)(3)擴頻技術擴頻技術2 2、無線通信物理層的主要技術、無線

14、通信物理層的主要技術 擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種：擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴頻直接序列擴頻(DSSS)(DSSS)、跳頻跳頻(FHSS)(FHSS)、跳時跳時(THSS)(THSS)和和寬帶線寬帶線性調頻擴頻性調頻擴頻(SS(SS，簡稱切普擴頻，簡稱切普擴頻) )。 擴頻通信與一般無線通信系統相比，主要是在發射端增加了擴擴頻通信與一般無線通信系統相比，主要是在發射端增加了擴頻調制，而在接收端增加了擴頻解調。頻調制，而在接收端增加了擴頻解調。 擴頻技術的擴頻技術的優點優點包括：易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用包括：易于重復使用頻率，提高了無線頻

15、譜利用率率; ;抗干擾性強，誤碼率低抗干擾性強，誤碼率低; ;隱蔽性好，對各種窄帶通信系統的干擾隱蔽性好，對各種窄帶通信系統的干擾很小很小; ;可以實現碼分多址可以實現碼分多址; ; 抗多徑干擾抗多徑干擾; ; 能精確地定時和測距能精確地定時和測距; ; 適合適合數字話音和數據傳輸，以及開展多種通信業務數字話音和數據傳輸，以及開展多種通信業務; ; 安裝簡便，易于維安裝簡便，易于維護。護。(3)(3)擴頻技術擴頻技術2 2、無線通信物理層的主要技術、無線通信物理層的主要技術 無線傳感器網絡作為無線通信網絡中的一種類型，因此它無線傳感器網絡作為無線通信網絡中的一種類型，因此它包含了上述介紹的無線

16、通信物理層技術的特點。包含了上述介紹的無線通信物理層技術的特點。 目前無線傳感器網絡的通信傳輸介質主要是目前無線傳感器網絡的通信傳輸介質主要是無線電波無線電波、紅紅外線外線和和光波光波三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇擇“工業、科學和醫療工業、科學和醫療”(Industrial(Industrial，Scientific and Scientific and Medical, ISM)Medical, ISM)頻段。頻段。ISMISM頻段的優點在于它是自由頻段，無須頻段的優點在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實現起來靈活方便。注

17、冊，可選頻譜范圍大，實現起來靈活方便。ISMISM頻段的缺點主頻段的缺點主要是功率受限，另外與現有多種無線通信應用存在相互干擾問要是功率受限，另外與現有多種無線通信應用存在相互干擾問題。題。3 3、無線傳感器網絡物理層的特點、無線傳感器網絡物理層的特點3.1.2 3.1.2 傳感器網絡物理層的設計傳感器網絡物理層的設計1 1、傳輸介質、傳輸介質 目前無線傳感器網絡采用的主要傳輸介質包括無線電、目前無線傳感器網絡采用的主要傳輸介質包括無線電、紅外線和光波等。紅外線和光波等。 在無線電頻率選擇方面，在無線電頻率選擇方面，ISMISM頻段是一個很好的選擇。頻段是一個很好的選擇。因為因為ISMISM頻

18、段在大多數國家屬于無須注冊的公用頻段。頻段在大多數國家屬于無須注冊的公用頻段。 無線傳感器網絡節點之間通信的另一種手段是紅外技無線傳感器網絡節點之間通信的另一種手段是紅外技術。紅外通信的優點是無須注冊，并且抗干擾能力強。術。紅外通信的優點是無須注冊，并且抗干擾能力強。 紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發送者和接紅外通信的主要缺點是穿透能力差，要求發送者和接收者之間存在視距關系。這導致了紅外難以成為無線傳感收者之間存在視距關系。這導致了紅外難以成為無線傳感器網絡的主流傳輸介質，而只能在一些特殊場合得到應用。器網絡的主流傳輸介質，而只能在一些特殊場合得到應用。3.1.2 3.1.2 傳感器網絡

19、物理層的設計傳感器網絡物理層的設計1 1、傳輸介質、傳輸介質 對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網絡對通信傳輸介質可能有對于一些特殊場合的應用情況，傳感器網絡對通信傳輸介質可能有特別的要求。例如，艦船應用可能要求使用水性傳輸介質，譬如能穿透特別的要求。例如，艦船應用可能要求使用水性傳輸介質，譬如能穿透水面的長波。復雜地形和戰場應用會遇到信道不可靠和嚴重干擾等問題。水面的長波。復雜地形和戰場應用會遇到信道不可靠和嚴重干擾等問題。 另外，一些傳感器節點的天線可能在高度和發射功率方面比不上周另外，一些傳感器節點的天線可能在高度和發射功率方面比不上周圍的其它無線設備，為了保證這些低發射功率的傳感器網絡

20、節點正常完圍的其它無線設備，為了保證這些低發射功率的傳感器網絡節點正常完成通信任務，要求所選擇的傳輸介質能支持健壯的編碼和調制機制。成通信任務，要求所選擇的傳輸介質能支持健壯的編碼和調制機制。3.1.2 3.1.2 傳感器網絡物理層的設計傳感器網絡物理層的設計1 1、傳輸介質、傳輸介質2 2、物理層幀結構、物理層幀結構 物理幀的第一個字段是前導碼，字節數一般取物理幀的第一個字段是前導碼，字節數一般取4 4，用于收發器進行碼，用于收發器進行碼片或者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字節，表示同步片或者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字節，表示同步結束，數據包開始傳輸。幀頭與

21、前導碼構成了同步頭。結束，數據包開始傳輸。幀頭與前導碼構成了同步頭。 幀長度字段通常由一個字節的低幀長度字段通常由一個字節的低7 7位表示，其值就是后續的物理層位表示，其值就是后續的物理層PHYPHY負載的長度，因此它的后續負載的長度，因此它的后續PHYPHY負載的長度不會超過負載的長度不會超過127127個字節。個字節。 物理幀物理幀PHYPHY的負載長度可變，稱為物理服務數據單元的負載長度可變，稱為物理服務數據單元(PHY Service (PHY Service Data Unite, PSDU)Data Unite, PSDU)，攜帶，攜帶PHYPHY數據包的數據，數據包的數據，PSD

22、UPSDU域是物理層的載荷域是物理層的載荷 。3.1.2 3.1.2 傳感器網絡物理層的設計傳感器網絡物理層的設計3 3、物理層設計技術、物理層設計技術 物理層需要考慮編碼調制技術、通信速率和通信頻段等問題：物理層需要考慮編碼調制技術、通信速率和通信頻段等問題： 編碼調制技術影響占用頻率帶寬、通信速率、收發機結構和功率編碼調制技術影響占用頻率帶寬、通信速率、收發機結構和功率等一系列的技術參數。比較常見的編碼調制技術包括幅移鍵控、頻移鍵等一系列的技術參數。比較常見的編碼調制技術包括幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴頻技術?？?、相移鍵控和各種擴頻技術。 提高數據傳輸速率可以減少數據收發的時間，對

23、于節能具有意義，提高數據傳輸速率可以減少數據收發的時間，對于節能具有意義，但需要同時考慮提高網絡速度對誤碼的影響。一般用單個比特的收發能但需要同時考慮提高網絡速度對誤碼的影響。一般用單個比特的收發能耗來定義數據傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。耗來定義數據傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。3.1.2 3.1.2 傳感器網絡物理層的設計傳感器網絡物理層的設計 在低速無線個域網在低速無線個域網(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4標準中，定義的物理層是在標準中，定義的物理層是在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個載波

24、頻段收發數據。在這三個頻段都使用三個載波頻段收發數據。在這三個頻段都使用了直接序列擴頻方式。了直接序列擴頻方式。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標準非常適合無線傳感器網絡的特點，是傳感器網絡標準非常適合無線傳感器網絡的特點，是傳感器網絡物理層協議標準的最有力競爭者之一。目前基于該標準的射頻芯片也相物理層協議標準的最有力競爭者之一。目前基于該標準的射頻芯片也相繼推出，例如繼推出，例如ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420無線通信芯片。無線通信芯片。3 3、物理層設計技術、物理層設計技術3.1.2 3.1.2 傳感器網絡物理層的設計傳感器網絡物理層

25、的設計 總的來看，針對無線傳感器網絡的特點，現有的物理層總的來看，針對無線傳感器網絡的特點，現有的物理層設計基本采用結構簡單的調制方式，在頻段選擇上主要集中設計基本采用結構簡單的調制方式，在頻段選擇上主要集中在在433433464MHz464MHz、902902928MHz928MHz和和2.42.42.5GHz2.5GHz的的ISMISM波段。波段。3 3、物理層設計技術、物理層設計技術3.1.2 3.1.2 傳感器網絡物理層的設計傳感器網絡物理層的設計3.2 MAC3.2 MAC協議協議3.2.1 MAC3.2.1 MAC協議概述協議概述 無線頻譜是無線通信的介質，這種廣播介質屬于稀缺資源

26、。在無無線頻譜是無線通信的介質，這種廣播介質屬于稀缺資源。在無線傳感器網絡中，可能有多個節點設備同時接入信道，導致分組之間線傳感器網絡中，可能有多個節點設備同時接入信道，導致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數據，從而浪費了信道資源，相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數據，從而浪費了信道資源，導致網絡吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設計導致網絡吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設計介質訪問控制介質訪問控制(Medium Access Control(Medium Access Control，MAC)MAC)協議。所謂協議。所謂MACMAC協議就是通過一組規協議就是通過一組規

27、則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質。則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質。(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信道；使用單一共享信道還是多個信道；(3) (3) 采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。采用固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式。目前無線傳感器網絡目前無線傳感器網絡MACMAC協議可以按照下列條件進行分類：協議可以按照下列條件進行分類：3.2.1 MAC3.2.1 MAC協議概述協議概述 根據固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式，將傳感器根據固定分配信道方式還是隨機訪問信道方式，將傳感器網絡的

28、網絡的MACMAC協議分為以下三種：協議分為以下三種： (1) (1) 時分復用無競爭接入方式時分復用無競爭接入方式。無線信道時分復用。無線信道時分復用(Time (Time Division Multiple AccessDivision Multiple Access，TDMA)TDMA)方式給每個傳感器節點分方式給每個傳感器節點分配固定的無線信道使用時段，避免節點之間相互干擾。配固定的無線信道使用時段，避免節點之間相互干擾。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協議概述協議概述 (2) (2) 隨機競爭接入方式隨機競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機競爭。如果采用無線信道的隨機競爭接入方式

29、，節點在需要發送數據時隨機使用無線信道，盡量接入方式，節點在需要發送數據時隨機使用無線信道，盡量減少節點間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問減少節點間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問(Carrier Sense Multiple Access(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)CSMA)的的MACMAC協議。協議。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協議概述協議概述 (3) (3) 競爭與固定分配相結合的接入方式競爭與固定分配相結合的接入方式。通過混合。通過混合采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現節點間無沖突采用頻分復用或者碼分復用等方式，實現

30、節點間無沖突的無線信道分配。的無線信道分配。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協議概述協議概述 基于競爭的隨機訪問基于競爭的隨機訪問MACMAC協議采用按需使用信道的方式，它的基本協議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是當節點需要發送數據時，通過競爭方式使用無線信道，如果發思想是當節點需要發送數據時，通過競爭方式使用無線信道，如果發送的數據產生了碰撞，就按照某種策略重發數據，直到數據發送成功送的數據產生了碰撞，就按照某種策略重發數據，直到數據發送成功或放棄發送。或放棄發送。 典型的基于競爭的隨機訪問典型的基于競爭的隨機訪問MACMAC協議是載波偵聽多路訪問協議是載波偵聽多路訪問(CSMA)

31、(CSMA)接接入方式。在無線局域網入方式。在無線局域網IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協議的分布式協調工作模式中，協議的分布式協調工作模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA with Collision (CSMA with Collision AvoidanceAvoidance，CSMA/CACSMA/CA) )協議，它是基于競爭的無線網絡協議，它是基于競爭的無線網絡MACMAC協議的典型協議的典型代表。代表。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協議概述協議概述 所謂的所謂的CSMA/CACSMA/CA機制機

32、制是指在信號傳輸之前，發射機先偵聽介質中是否是指在信號傳輸之前，發射機先偵聽介質中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數據傳輸狀態；有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數據傳輸狀態；若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。這種介質訪問控若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。這種介質訪問控制層的方案簡化了實現自組織網絡應用的過程。制層的方案簡化了實現自組織網絡應用的過程。 在在IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC協議基礎上，人們設計出適用于傳感器網絡的多協議基礎上，人們設計出適用于傳感器網絡的多種種MACMAC協議。協議。

33、 下面首先介紹下面首先介紹IEEE 802.1l MACIEEE 802.1l MAC協議的內容，然后介紹一種適用于無協議的內容，然后介紹一種適用于無線傳感器網絡的典型線傳感器網絡的典型MACMAC協議。協議。3.2.1 MAC3.2.1 MAC協議概述協議概述3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議協議 IEEE 802.11 MAC IEEE 802.11 MAC協議分為協議分為分布式協調功能分布式協調功能(DCF)(DCF)和和點協點協調功能調功能(PCF)(PCF)兩種訪問控制方式，其中兩種訪問控制方式，其中DCFDCF方式是方式是IEE

34、E IEEE 802.11802.11協議的基本訪問控制方式。協議的基本訪問控制方式。 PCF PCF 通過訪問接入點來協調節點的數據收發，通過設置通過訪問接入點來協調節點的數據收發，通過設置好的一定間隔時間查詢當前哪些節點有數據發送的請求。好的一定間隔時間查詢當前哪些節點有數據發送的請求。 PCF PCF 是基于優先級的無競爭訪問。是基于優先級的無競爭訪問。 在在DCFDCF工作方式下，載波偵聽機制通過工作方式下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽物理載波偵聽和和虛虛擬載波偵聽擬載波偵聽來確定無線信道的狀態。物理載波偵聽由物理層來確定無線信道的狀態。物理載波偵聽由物理層提供，虛擬載波偵聽由提供，虛

35、擬載波偵聽由MACMAC層提供。層提供。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議協議32 當源節點和目的節點握手完成后，便開始進行當源節點和目的節點握手完成后，便開始進行datadata數據的發送。目數據的發送。目的節點接收到數據后，向源節點發出一個的節點接收到數據后，向源節點發出一個ACKACK應答幀。當源節點接收到應答幀。當源節點接收到ACKACK后，繼續發送后，繼續發送datadata分組，目的節點收到后回復分組，目的節點收到后回復ACKACK。直到所有數據分。直到所有數據分組發送完畢，源節點釋放信道占有權供其他節點競爭。同理，在組發送完畢

36、，源節點釋放信道占有權供其他節點競爭。同理，在datadata數數據幀和據幀和ACKACK應答幀里仍然攜帶的數據傳輸持續時間，其他的節點可根據應答幀里仍然攜帶的數據傳輸持續時間，其他的節點可根據此數據傳輸持續時間值設定休眠定時器，在傳輸結束后立即醒來監聽信此數據傳輸持續時間值設定休眠定時器，在傳輸結束后立即醒來監聽信道，如果有數據要發送就競爭信道。道，如果有數據要發送就競爭信道。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議協議33 源節點在發出源節點在發出RTSRTS幀或幀或datadata幀后的一段時間內沒有收到幀后的一段時間內沒有收到CTSCTS

37、應答，則說明發送失敗，節點立即重傳未收到應答的應答，則說明發送失敗，節點立即重傳未收到應答的RTSRTS幀或幀或datadata幀。幀。 如果如果3 3次發送仍未收到應答，節點放棄發送，轉入睡眠次發送仍未收到應答，節點放棄發送，轉入睡眠，在下一個偵聽周期醒來重新競爭信道。，在下一個偵聽周期醒來重新競爭信道。3.2.2 IEEE 802.11 MAC3.2.2 IEEE 802.11 MAC協議協議3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協議：協議：S-MACS-MAC協議協議 S-MAC S-MAC協議協議(Sensor MAC)(Sensor MAC)是在是在802.1l MAC802.

38、1l MAC協議的基礎協議的基礎上，針對傳感器網絡的節省能量需求而提出的。上，針對傳感器網絡的節省能量需求而提出的。 S-MAC S-MAC協議的適用條件是傳感器網絡的協議的適用條件是傳感器網絡的數據傳輸量不大數據傳輸量不大，網絡內部能夠進行網絡內部能夠進行數據融合數據融合以減少數據通信量，網絡能容以減少數據通信量，網絡能容忍一定程度的忍一定程度的通信延遲通信延遲。 它的設計目標是提供良好的擴展性，減少節點能耗。它的設計目標是提供良好的擴展性，減少節點能耗。 通常無線傳感器網絡的無效能耗主要來源于如下四種原通常無線傳感器網絡的無效能耗主要來源于如下四種原因：因： 空閑監聽空閑監聽 ：節點等待接

39、收：節點等待接收 數據沖突數據沖突 ：相鄰節點同時發送數據：相鄰節點同時發送數據 串擾串擾 ：接收和處理無關數據：接收和處理無關數據 控制開銷控制開銷 ：RTSRTS，CTSCTS，ACKACK3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協議：協議：S-MACS-MAC協議協議 （1 1）周期性偵聽和睡眠機制）周期性偵聽和睡眠機制 S-MACS-MAC協議將時間分為幀，幀長度由應用程序決定。幀內協議將時間分為幀，幀長度由應用程序決定。幀內分監聽工作階段和睡眠階段。監聽分監聽工作階段和睡眠階段。監聽/ /睡眠階段的持續時間要睡眠階段的持續時間要根據應用情況進行調整。當節點處于睡眠階段時，關閉無線

40、根據應用情況進行調整。當節點處于睡眠階段時，關閉無線電波，以節省能量。電波，以節省能量。 相鄰節點之間盡量保持各自的監聽相鄰節點之間盡量保持各自的監聽/ /睡眠時間表一致（睡眠時間表一致（時時間同步間同步）。）。 具有相同時間表的節點組成一個具有相同時間表的節點組成一個虛擬簇虛擬簇。3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協議：協議：S-MACS-MAC協議協議通過廣播通過廣播SYNC包保持同步包保持同步某些節點可以同時屬于兩個或多個虛擬簇某些節點可以同時屬于兩個或多個虛擬簇 （2 2）流量自適應偵聽機制）流量自適應偵聽機制 其基本思想是在一次通信過程中，通信節點的鄰居在通信其基本思想是在

41、一次通信過程中，通信節點的鄰居在通信結束后不立即進入睡眠狀態，而是保持偵聽一段時間。結束后不立即進入睡眠狀態，而是保持偵聽一段時間。 如果節點在這段時間內接收到如果節點在這段時間內接收到RTSRTS分組，則可以立刻接收分組，則可以立刻接收數據，無須等到下一次調度偵聽周期，從而減少了數據分組數據，無須等到下一次調度偵聽周期，從而減少了數據分組的傳輸延遲。的傳輸延遲。 如果在這段時間內沒有接收到如果在這段時間內沒有接收到RTSRTS分組，則轉入睡眠狀態分組，則轉入睡眠狀態直到下一次調度偵聽周期。直到下一次調度偵聽周期。3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協議：協議：S-MACS-MAC協議

42、協議 （3 3）沖突和串音避免機制）沖突和串音避免機制 為了減少沖突和避免串音，為了減少沖突和避免串音，S-MACS-MAC協議采用了與協議采用了與802.11 MAC802.11 MAC協議類似的虛擬和物理載波監聽機制，以及協議類似的虛擬和物理載波監聽機制，以及RTS/CTSRTS/CTS握手交互機握手交互機制。兩者的區別在于當鄰居節點處于通信過程時，執行制。兩者的區別在于當鄰居節點處于通信過程時，執行S-MACS-MAC協協議的節點進入睡眠狀態。議的節點進入睡眠狀態。3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協議：協議：S-MACS-MAC協議協議（4 4）消息傳遞機制）消息傳遞機制 由

43、于無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比，短消息傳輸由于無線信道的傳輸差錯與消息長度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長消息。成功的概率要大于長消息。 將長消息分為若干個短消息，采用一次將長消息分為若干個短消息，采用一次RTS/CTSRTS/CTS交互的握交互的握手機制預約這個長消息發送的時間，集中連續發送全部短消息。手機制預約這個長消息發送的時間，集中連續發送全部短消息。這樣既可以減少控制報文的開銷，又可以提高消息發送的成功這樣既可以減少控制報文的開銷，又可以提高消息發送的成功率。率。3.2.3 3.2.3 典型典型MACMAC協議：協議：S-MACS-MAC協議協議3.3 3.3 路由協議路由

44、協議3.3.1 3.3.1 路由協議概述路由協議概述 路由選擇路由選擇(routing)(routing)是指選擇互連網絡從源節點向目的節是指選擇互連網絡從源節點向目的節點傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個中間節點。點傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個中間節點。 路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的路由協議負責將數據分組從源節點通過網絡轉發到目的節點，它包括兩個功能：節點，它包括兩個功能： 尋找源節點和目的節點間的優化路徑；尋找源節點和目的節點間的優化路徑； 將數據分組沿著優化路徑正確轉發。將數據分組沿著優化路徑正確轉發。 與傳統網絡的路由協議相比，無線傳感器網絡的路由協與傳統

45、網絡的路由協議相比，無線傳感器網絡的路由協議具有以下特點：議具有以下特點：（1 1）能量優先）能量優先（2 2）基于局部拓撲信息）基于局部拓撲信息（3 3）以數據為中心）以數據為中心（4 4）應用相關）應用相關3.3.1 3.3.1 路由協議概述路由協議概述 在根據具體應用設計路由協議時，必須滿足如下要求：在根據具體應用設計路由協議時，必須滿足如下要求：（1 1）能量高效）能量高效（2 2）可擴展性）可擴展性（3 3）穩健性）穩健性（4 4）快速收斂性）快速收斂性3.3.1 3.3.1 路由協議概述路由協議概述從各種應用的角度出發，將路由協議分為四類：從各種應用的角度出發，將路由協議分為四類：

46、（1 1）能量感知路由協議）能量感知路由協議l高效利用網絡能量是無線傳感器網絡路由協議的一個顯高效利用網絡能量是無線傳感器網絡路由協議的一個顯著特征。著特征。l將強調高效利用能量的一類路由協議劃歸為能量感知路將強調高效利用能量的一類路由協議劃歸為能量感知路由協議。由協議。l能量感知的路由協議從數據傳輸的能量消耗出發，討論能量感知的路由協議從數據傳輸的能量消耗出發，討論最少能量消耗和最長網絡生存期等問題。最少能量消耗和最長網絡生存期等問題。3.3.1 3.3.1 路由協議概述路由協議概述（2 2）基于查詢的路由協議）基于查詢的路由協議 在諸如環境檢測、戰場評估等應用中，需要不斷查詢傳感在諸如環境

47、檢測、戰場評估等應用中，需要不斷查詢傳感器節點采集的數據。在匯聚節點（查詢節點）發出任務查詢器節點采集的數據。在匯聚節點（查詢節點）發出任務查詢命令，傳感器網絡的終端探測節點向監控中心報告采集的數命令，傳感器網絡的終端探測節點向監控中心報告采集的數據。在這類監控和檢測的應用問題中，通信流量主要是查詢據。在這類監控和檢測的應用問題中，通信流量主要是查詢節點和傳感器探測節點之間的命令和數據傳輸，同時傳感器節點和傳感器探測節點之間的命令和數據傳輸，同時傳感器探測節點的采集信息通常要進行數據融合，通過減少通信流探測節點的采集信息通常要進行數據融合，通過減少通信流量來節省能量，即數據融合技術與路由協議的

48、設計相結合。量來節省能量，即數據融合技術與路由協議的設計相結合。3.3.1 3.3.1 路由協議概述路由協議概述（3 3）地理位置路由協議）地理位置路由協議 在諸如目標跟蹤的應用問題中，往往需要喚醒距離被跟在諸如目標跟蹤的應用問題中，往往需要喚醒距離被跟蹤目標最近的傳感器節點，以便得到關于目標的更精確位置蹤目標最近的傳感器節點，以便得到關于目標的更精確位置等相關信息。在這類與坐標位置有關的應用問題中，通常需等相關信息。在這類與坐標位置有關的應用問題中，通常需要知道目的節點的精確或者大致地理位置。把節點的位置信要知道目的節點的精確或者大致地理位置。把節點的位置信息作為路由選擇的依據，不僅能夠完成

49、節點的路由選擇功能，息作為路由選擇的依據，不僅能夠完成節點的路由選擇功能，還可以降低系統專門維護路由協議的能耗。還可以降低系統專門維護路由協議的能耗。3.3.1 3.3.1 路由協議概述路由協議概述（4 4）可靠的路由協議）可靠的路由協議 傳感器網絡的某些應用對通信的服務質量有較高要求，可傳感器網絡的某些應用對通信的服務質量有較高要求，可能在可靠性和實時性等方面有特別要求。例如，采用視頻傳感能在可靠性和實時性等方面有特別要求。例如，采用視頻傳感器進行戰場環境監測時，希望傳輸的視頻圖像能夠盡可能的流器進行戰場環境監測時，希望傳輸的視頻圖像能夠盡可能的流暢些。但傳感器網絡的無線鏈路穩定性一般難以保

50、證，通信信暢些。但傳感器網絡的無線鏈路穩定性一般難以保證，通信信道質量比較低，網絡拓撲變化頻繁，要滿足用戶的某些方面的道質量比較低，網絡拓撲變化頻繁，要滿足用戶的某些方面的服務質量指標，需要考慮可靠的路由協議設計技術。服務質量指標，需要考慮可靠的路由協議設計技術。3.3.1 3.3.1 路由協議概述路由協議概述3.3.2 3.3.2 典型路由協議：定向擴散路由典型路由協議：定向擴散路由 定向擴散（定向擴散（Directed DiffusionDirected Diffusion，DDDD）路由協議是一種基）路由協議是一種基于查詢的路由機制。于查詢的路由機制。 擴散節點通過興趣信息發出查詢任務，采用洪泛方式傳播擴散節點通過興趣信息發出查詢任務，采用洪泛方式傳播興趣信息到