無線傳感器網(wǎng)絡簡明教程第2版第3章

無線傳感器網(wǎng)絡簡明教程（第2版）,崔遜學 左從菊 編著,第 3 章 傳感器網(wǎng)絡的通信與組網(wǎng)技術,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)絡物理層的設計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、維護和釋放數(shù)據(jù)鏈路實體之間的二進制比特傳輸?shù)奈锢磉B接。提供機械的、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,物理接口的四個特性：,機械特性,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)定了各條信號線的功能分配和確切定義。,定義了信號線進行二進制比特流傳輸線的一組操作過程。,3.1.1 物理層概述,無線通信物理層的主要技術：,3.1.1 物理層概述,介質(zhì)頻段選擇,調(diào)制技術,擴頻技術,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。,調(diào)制和解調(diào)技術是無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一,擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，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(shù)據(jù)。,無線傳感器網(wǎng)絡物理層的特點傳輸介質(zhì)主要是無線電波、紅外線和光波三種類型。ISM頻段的優(yōu)點在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實現(xiàn)起來靈活方便。ISM頻段的缺點主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應用存在相互干擾問題。,3.1.1 物理層概述,1、傳輸介質(zhì),目前無線傳感器網(wǎng)絡采用的主要傳輸介質(zhì)包括無線電、紅外線和光波等。在無線電頻率選擇方面，ISM頻段是一個很好的選擇。因為ISM頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。,3.1.2 傳感器網(wǎng)絡物理層的設計,2、物理層幀結構,物理幀的第一個字段是前導碼,第二個字段是幀頭,幀頭與前導碼構成了同步頭。幀長度字段通常由一個字節(jié)的低7位表示。,3.1.2 傳感器網(wǎng)絡物理層的設計,3、物理層設計技術,編碼調(diào)制技術影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機結構和功率等一系列的技術參數(shù)。 提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，對于節(jié)能具有意義，但需要同時考慮提高網(wǎng)絡速度對誤碼的影響。,3.1.2 傳感器網(wǎng)絡物理層的設計,3.2 MAC 協(xié)議,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)絡中，可能有多個節(jié)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(shù)據(jù)，從而浪費了信道資源，導致網(wǎng)絡吞吐量下降。為了解決這些問題，就需要設計介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control，MAC)協(xié)議。所謂MAC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)。,3.2.1 MAC協(xié)議概述,目前無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議可以按照下列條件進行分類：,3.2.1 MAC協(xié)議概述,本書根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議分為以下三種：,3.2.1 MAC協(xié)議概述,MAC協(xié)議,隨機競爭接入方式,競爭與固定分配相結合的接入方式,時分復用無競爭接入方式,IEEE 802.11 MAC協(xié)議兩種訪問控制方式，其中DCF方式是IEEE 802.11協(xié)議的基本訪問控制方式。,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,點協(xié)調(diào)功能,在DCF工作方式下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽和虛擬載波偵聽來確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層提供，虛擬載波偵聽由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)，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級：,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)點使用的幀間間隔。（3）DIFS (DCF IFS)：DCF方式下節(jié)點使用的幀間問隔。,根據(jù)CSMA/CA協(xié)議，當節(jié)點要傳輸一個分組時，它首先偵聽信道狀態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個幀間間隔時間DIFS后，信道仍然空閑，則站點立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點始終偵聽信道，直到信道的空閑時間超過DIFS。當信道最終空閑下來的時候，節(jié)點進一步使用二進制退避算法，進入退避狀態(tài)來避免發(fā)生碰撞。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,隨機退避時間按下面公式進行計算： 退避時間=Random()aSlottime 其中，Random()是在競爭窗口0，CW內(nèi)均勻分布的偽隨機整數(shù)；CW是整數(shù)隨機數(shù)，它的數(shù)值位于標準規(guī)定的aCWmin和aCWmax之間；aSlottime是一個時槽時間，包括發(fā)射啟動時間、介質(zhì)傳播時延、檢測信道的響應時間等。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,網(wǎng)絡節(jié)點在進入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計時器，當計時達到退避時間后結束退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當檢測到信道空閑時才進行計時。如果信道忙，退避計時器中止計時，直到檢測到信道空閑時間大于DIFS后才繼續(xù)計時。當多個節(jié)點推遲且進入隨機退避時，利用隨機函數(shù)選擇最小退避時間的節(jié)點作為競爭優(yōu)勝者。,802.11 MAC協(xié)議通過立即主動確認機制和預留機制業(yè)提高性能。在主動確認機制中，當目標節(jié)點收到一個發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀(DATA)時，必須向源節(jié)點發(fā)送一個應答幀(ACK)，確認數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標節(jié)點在發(fā)送ACK過程中不與其它節(jié)點發(fā)生沖突，目標節(jié)點使用SIFS幀間隔。主動確認機制只能用于有明確目標地址的幀，不能用于組播和廣播報文傳輸。,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,802.11 MAC協(xié)議的應答與預留機制,通常無線傳感器網(wǎng)絡的無效能耗主要來源于如下四種原因：,3.2.3 典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議,無效能耗,（1）周期性偵聽和睡眠機制 S-MAC協(xié)議將時間分為幀，幀長度由應用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽工作階段和睡眠階段。監(jiān)聽/睡眠階段的持續(xù)時間要根據(jù)應用情況進行調(diào)整。當節(jié)點處于睡眠階段時，關閉無線電波，以節(jié)省能量。當然節(jié)點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）流量自適應偵聽機制 流量自適應偵聽機制的基本思想是在一次通信過程中，通信節(jié)點的鄰居在通信結束后不立即進入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時間。如果節(jié)點在這段時間內(nèi)接收到RTS分組，則可以立刻接收數(shù)據(jù)，無須等到下一次調(diào)度偵聽周期，從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。如果在這段時間內(nèi)沒有接收到RTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽周期。（3）沖突和串音避免機制 為了減少沖突和避免串音，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)聽機制，以及RTS/CTS握手交互機制。兩者的區(qū)別在于當鄰居節(jié)點處于通信過程時，執(zhí)行S-MAC協(xié)議的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。,3.2.3 典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議,（4）消息傳遞機制 S-MAC協(xié)議采用了消息傳遞機制，可以很好地支持長消息的發(fā)送。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。,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)絡從源節(jié)點向目的節(jié)點傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個中間節(jié)點。包括兩個功能：,3.3.1 路由協(xié)議概述,應用相關,無線傳感器網(wǎng)絡,能量高效,可擴展性,穩(wěn)健性,能量優(yōu)先,基于局部拓撲信息,以數(shù)據(jù)為中心,快速收斂性,特點,要求,3.3.1 路由協(xié)議概述,我們從各種應用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類：,3.3.1 路由協(xié)議概述,定向擴散（Directed Diffusion，DD）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機制。 定向擴散路由機制可以分為周期性的興趣擴散、梯度建立和路徑加強三個階段:,3.3.2 典型路由協(xié)議：定向擴散路由,每個節(jié)點在本地保存一個興趣列表，對于每一個興趣內(nèi)容，列表中都有一個表項記錄發(fā)來該興趣消息的鄰居節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時間戳等任務相關信息，以建立該節(jié)點向匯聚節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)的梯度關系。每個興趣可能對應多個鄰居節(jié)點，每個鄰居節(jié)點對應一個梯度信息。,（1）興趣擴散階段,在路由協(xié)議的興趣擴散階段，匯聚節(jié)點周期性地向鄰居節(jié)點廣播興趣消息。興趣消息中含有任務類型、目標區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時間戳等參數(shù)。,當傳感器探測節(jié)點采集到與興