無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)第三章

1、第第3 3章章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信 3.13.1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) 3.1.13.1.1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 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，如圖個(gè)層次，如圖3-13-1所示。從所示。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。應(yīng)用層。除物理層和應(yīng)用層外，其余每層都和相鄰上下兩層進(jìn)行通信。 3.1.2

2、3.1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分層結(jié)構(gòu) n從無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的角度來(lái)看，傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的體系由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議從無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的角度來(lái)看，傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的體系由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)和應(yīng)用支撐平臺(tái)三個(gè)部分組成、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)和應(yīng)用支撐平臺(tái)三個(gè)部分組成( (如圖如圖3-23-2所示所示) )。 1. 1. 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 n類似于傳統(tǒng)類似于傳統(tǒng)InternetInternet網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IPTCP/IP協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路 層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成，如圖層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成，如圖3-33-3所

3、示。所示。MACMAC層和物理層協(xié)議層和物理層協(xié)議 采用的是國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)采用的是國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)(The Institute of Electrical and (The Institute of Electrical and Electronics EngineersElectronics Engineers，IEEE)IEEE)制定的制定的IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4協(xié)議。協(xié)議。 nIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)是針對(duì)低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal (Low-Rate W

4、ireless Personal Area NetworkArea Network，LR-WPAN)LR-WPAN)制定的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率制定的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率 傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個(gè)人或家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間傳輸、低成本作為重點(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)。低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡(luò)特征與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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)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)。

5、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 2. 2. 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái) n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，包括拓?fù)淇刂?、服?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動(dòng)管理、理，包括拓?fù)淇刂啤⒎?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動(dòng)管理、 網(wǎng)絡(luò)管理等。網(wǎng)絡(luò)管理等。 n(1)(1)拓?fù)淇刂啤Ｍ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)管理各態(tài)，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，

6、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?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)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。 n(2)(2)服務(wù)質(zhì)量管理。服務(wù)質(zhì)量管理。 服務(wù)質(zhì)量管埋在各協(xié)議層設(shè)計(jì)隊(duì)列管理、優(yōu)先級(jí)機(jī)服務(wù)質(zhì)量管埋在各協(xié)議層設(shè)計(jì)隊(duì)列管理、優(yōu)先級(jí)機(jī) 制或者帶寬預(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)制或者帶寬預(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

7、。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質(zhì)量與用戶之間以及網(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 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。 n(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。

8、每個(gè)協(xié)議層次中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)量的使用。每個(gè)協(xié)議層次中都要增加能量控制代碼，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) n(4)(4)安全管理。安全管理。 由于結(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性和無(wú)線信道的不由于結(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性和無(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，采用諸如擴(kuò)頻通信、接入認(rèn)證傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，采用諸如擴(kuò)頻通信、接入認(rèn)證/ /鑒權(quán)、數(shù)字水印和鑒權(quán)、數(shù)字水印和 數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。

9、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。 n(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)，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) 管理用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚結(jié)點(diǎn)的路由，還可以使傳管理用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚結(jié)點(diǎn)的路由，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) n(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)上的設(shè)備和傳輸系統(tǒng)進(jìn)行有效網(wǎng)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)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)議各層嵌入各監(jiān)視、控制、診斷和測(cè)試所采用的技術(shù)和方法。

10、它要求協(xié)議各層嵌入各 種信息接口，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)中各種信息接口，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。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) n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， 包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過(guò)應(yīng)用服務(wù)接口和網(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。 3.23.2物

11、理層物理層 3.2.13.2.1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 n在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì) 上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization (International Organization for Standardizationfor Standardization，ISO)ISO)對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)(Open System (Open System Interconne

12、ctionInterconnection，OSI)OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立 、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)、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。從定義可以看出，物理層的特械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。從定義可以看出，物理層的特 點(diǎn)是負(fù)責(zé)在物理鏈接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放點(diǎn)是負(fù)責(zé)在物理鏈接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放 物理鏈接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程的特性。物理鏈接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)

13、程的特性。 n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 Terminal Equipment(Data Terminal Equipment，DTE)DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的提供傳送數(shù)據(jù)的 通路。通路。 (2) (2)傳輸數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)。 (3) (3)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 n通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理接口的四個(gè)特性進(jìn)行了描述，這四個(gè)特性的內(nèi)通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理接口的四個(gè)特性進(jìn)行了描述，這四個(gè)特性的內(nèi) 容是指：容是指： n(1)(1)機(jī)械特性。機(jī)械特性。 n(2)(2)電氣特性。電氣特性。 n(

14、3)(3)功能特性。功能特性。 n(4)(4)規(guī)程特性。規(guī)程特性。 1 1物理層的基本概念物理層的基本概念 2. 2. 無(wú)線通信物理層的主要技術(shù)無(wú)線通信物理層的主要技術(shù) n無(wú)線通信物理層的主要技術(shù)包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技無(wú)線通信物理層的主要技術(shù)包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技 術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。 n(1)(1)介質(zhì)和頻段選擇介質(zhì)和頻段選擇 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。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，電信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無(wú)線通信。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，電 磁波分為

15、無(wú)線電波、微波、紅外線和光波等，其中無(wú)線電波在無(wú)線磁波分為無(wú)線電波、微波、紅外線和光波等，其中無(wú)線電波在無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。無(wú)線電波的傳播特性與頻率相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。無(wú)線電波的傳播特性與頻率相關(guān)。 n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。通常信號(hào)源的編碼信調(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。通常信號(hào)源的編碼信 息息( (即信源即信源) )含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號(hào)?；鶐Ш兄绷鞣至亢皖l率較低的頻率分量，稱為基帶信號(hào)。基帶 信號(hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因而要將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)基帶頻率而信號(hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因而要將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)基帶頻率而 言頻

16、率非常高的帶通信號(hào)，以便于進(jìn)行信道傳輸。通常將帶通信號(hào)稱為言頻率非常高的帶通信號(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)，而基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。 n調(diào)制技術(shù)通過(guò)改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅調(diào)制技術(shù)通過(guò)改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅 度的變化而變化。解調(diào)是將基帶信號(hào)從載波中提取出來(lái)以便預(yù)定的接收度的變化而變化。解調(diào)是將基帶信號(hào)從載波中提取出來(lái)以便預(yù)定的接收 者者( (信宿信宿) )處理和理解的過(guò)程。處理和理解的過(guò)程。 (2) (2) 調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) n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)制根據(jù)原始信

17、號(hào)所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制(Amplitude (Amplitude ModulationModulation，AM)AM)、頻率調(diào)制、頻率調(diào)制(Frequency Modulation(Frequency Modulation，F(xiàn)M)FM)和相位調(diào)制和相位調(diào)制 (Phase Modulation(Phase Modulation，PM)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。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)，由于該序列只存在列時(shí)，由于該序列只存在“有電有電”和和“無(wú)電無(wú)電”兩種狀態(tài)，因而可以采用兩種狀態(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

18、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分電鍵控制，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 別又被稱為幅移鍵控別又被稱為幅移鍵控(Amplitude Shift Keying(Amplitude Shift Keying，ASK)ASK)、頻移鍵控、頻移鍵控 (Frequency Shift Keying(Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK)FSK)和相移鍵控和相移鍵控(Phase Shift Keying(Phase Shift Keying， PSK)PSK)。 (2) (2) 調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù) n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，擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜

19、，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；頻帶的擴(kuò)展是通 過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù) 無(wú)關(guān)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。無(wú)關(guān)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。 n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(Direct (Direct

20、 Sequence Spread SpectrumSequence Spread Spectrum，DSSS)DSSS)、跳頻、跳頻(Frequency Hopping Spread (Frequency Hopping Spread SpectrumSpectrum，F(xiàn)HSS)FHSS)、跳時(shí)、跳時(shí)(Time Hopping Spread Spectrum(Time Hopping Spread Spectrum，THSS)THSS)和寬帶線和寬帶線 性調(diào)頻擴(kuò)頻性調(diào)頻擴(kuò)頻(chirp Spread Spectrum(chirp Spread Spectrum，chirp-SSchirp-SS

21、，簡(jiǎn)稱切普擴(kuò)頻，簡(jiǎn)稱切普擴(kuò)頻) )。 (3)(3)擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù) n無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低能耗、低成本、微型化等特點(diǎn)，以及具體應(yīng)用的特?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低能耗、低成本、微型化等特點(diǎn)，以及具體應(yīng)用的特 殊需求給物理層的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮以下問(wèn)題：殊需求給物理層的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮以下問(wèn)題： n(1)(1)調(diào)制機(jī)制。調(diào)制機(jī)制。 n(2)(2)與上層協(xié)議結(jié)合的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。與上層協(xié)議結(jié)合的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。 n(3)(3)硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)。 3. 3. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn) 3.2.23.2.2傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)

22、 1 1傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) n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。波等。 n在無(wú)線電頻率選擇方面，在無(wú)線電頻率選擇方面，ISM ISM 頻段是一個(gè)很好的選擇。因?yàn)轭l段是一個(gè)很好的選擇。因?yàn)镮SMISM頻頻 段在大多數(shù)國(guó)家屬于無(wú)需注冊(cè)的公用頻段。段在大多數(shù)國(guó)家屬于無(wú)需注冊(cè)的公用頻段。 n表表3.13.1列出了列出了ISM ISM 應(yīng)用中的可用頻段。其中一些頻率已經(jīng)用于無(wú)繩電話系應(yīng)用中的可用頻段。其中一些頻率已經(jīng)用于無(wú)繩電話系 統(tǒng)和無(wú)線局域網(wǎng)。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，無(wú)線電接收機(jī)需要滿足體統(tǒng)和無(wú)線局域網(wǎng)。對(duì)于無(wú)線

23、傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，無(wú)線電接收機(jī)需要滿足體 積小、成本低和功率小的要求。積小、成本低和功率小的要求。 1 1傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) n無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(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)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(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(wú)須注冊(cè)，并且抗干擾能力強(qiáng)。基于紅外線的接收機(jī)成本更低，也點(diǎn)是無(wú)須注冊(cè)，并且抗干擾能力強(qiáng)?；诩t外線的接收機(jī)成本更低，也 很容易設(shè)計(jì)。目前很多便攜式電腦、很容易設(shè)計(jì)。目前很多便攜式電腦、PDAPDA和移動(dòng)電話都提供紅外數(shù)據(jù)傳輸和移動(dòng)電話都提供紅外數(shù)據(jù)傳輸 的標(biāo)準(zhǔn)接口。紅外通信的主要缺點(diǎn)是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者的標(biāo)準(zhǔn)接口。紅外通信的主要缺

24、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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流傳輸之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致了紅外難以成為無(wú)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。介質(zhì)，而只能在一些特殊場(chǎng)合得到應(yīng)用。 1 1傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 2 2物理層幀結(jié)構(gòu)物理層幀結(jié)構(gòu) n表表3-23-2描述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)普遍使用的一種物理層幀結(jié)構(gòu)。由于目描述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)普遍使用的一種物理層幀結(jié)構(gòu)。由于目 前還沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)化的物理層結(jié)構(gòu)，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)都是在該物理層前還沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)化的物理層結(jié)構(gòu)，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)都是在該物理層 幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)

25、。 n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)行碼片或，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)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(kāi)始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。束，數(shù)據(jù)包開(kāi)始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。 n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(guò)負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)127127

26、個(gè)字節(jié)。個(gè)字節(jié)。 n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 UniteUnite，PSDU)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。 2 2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) n物理層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的硬件加密、調(diào)制解調(diào)、發(fā)送與接收，是決定傳物理層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的硬件加密、調(diào)制解調(diào)、發(fā)送與接收，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)。物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)

27、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 以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量。為了確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的平以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量。為了確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的平 穩(wěn)性能，該層一般需要與穩(wěn)性能，該層一般需要與MACMAC層進(jìn)行密切交互。層進(jìn)行密切交互。 n 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： n(1)(1)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(jiàn)的編碼調(diào)制技術(shù)包括幅移鍵控、頻移鍵控、系列的技術(shù)參數(shù)。比較常見(jiàn)的

28、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)。相移鍵控和各種擴(kuò)頻技術(shù)。 n(2)(2)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。一般用單個(gè)比特的收發(fā)能耗需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對(duì)誤碼的影響。一般用單個(gè)比特的收發(fā)能耗 來(lái)定義數(shù)據(jù)傳輸對(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。來(lái)定義數(shù)據(jù)傳輸對(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。 3 3物理層設(shè)計(jì)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)技術(shù) 3.33.3數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 n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)

29、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?？傮w而言，數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)多路數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)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、數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)探測(cè)、媒體訪問(wèn)和誤差控制，從而確保通信網(wǎng)絡(luò)中可靠的結(jié)構(gòu)探測(cè)、媒體訪問(wèn)和誤差控制，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

30、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。 n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)： n（1)1)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。鏈接以獲得基本的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。 n（2)2)為了使無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)公平有效地共享通信資源，需要對(duì)共享媒體的為了使無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)公平有效地共享通信資源，需要對(duì)共享媒體的 訪問(wèn)進(jìn)行管理。訪問(wèn)進(jìn)行管理。 1 1媒體訪問(wèn)控制媒體訪問(wèn)控制 n無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳感

31、網(wǎng)絡(luò)的MACMAC協(xié)議必須具有固定能量保護(hù)、移動(dòng)性管理和失效恢復(fù)協(xié)議必須具有固定能量保護(hù)、移動(dòng)性管理和失效恢復(fù) 策略。策略。 n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 n一般而基于一般而基于ARQARQ的誤差控制主要采用重新傳送恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包的誤差控制主要采用重新傳送恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包/ /幀。雖幀。雖

32、 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，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，具有低復(fù)雜度編碼與解碼方式的簡(jiǎn)單誤差控制耗大量處理資源。因此，具有低復(fù)雜度編碼與解碼方式的簡(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

33、差控制的最佳解決方案。 2 2誤差控制誤差控制 3.43.4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)下列原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層通常根據(jù)下列原則進(jìn)行設(shè)計(jì)： n (1) (1) 能量有效性是必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題；能量有效性是必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題； n (2) (2) 多數(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心；多數(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心； n (3) (3) 理想的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用基于屬性的尋址和位置感知方式；理想的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用基于屬性的尋址和位置感知方式； n (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； n

34、(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。 n網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)原則之一是易于與其他網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，如圖網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)原則之一是易于與其他網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，如圖3-53-5所示，所示，SinkSink節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn) 作為其他網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，是通信中樞。用戶可根據(jù)查詢目的或應(yīng)用類型通作為其他網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，是通信中樞。用戶可根據(jù)查詢目的或應(yīng)用類型通 過(guò)過(guò)InternetInternet或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)查詢無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)?；蛐l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)查詢無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。 3.43.4網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 n網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展水平見(jiàn)表網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展水平見(jiàn)表3-33-3，表中列

35、舉的方案采用了上述的一些設(shè)，表中列舉的方案采用了上述的一些設(shè) 計(jì)原則。計(jì)原則。SMECNSMECN生成了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能量有效的分網(wǎng)圖，目的是在保持網(wǎng)生成了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能量有效的分網(wǎng)圖，目的是在保持網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通性的條件下使能耗最小化。另外，定向擴(kuò)散協(xié)議是一種數(shù)據(jù)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通性的條件下使能耗最小化。另外，定向擴(kuò)散協(xié)議是一種數(shù)據(jù) 中心的分發(fā)協(xié)議，采用基于屬性的命名方案進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢和收集。中心的分發(fā)協(xié)議，采用基于屬性的命名方案進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢和收集。 3.43.4網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 3.5 3.5 傳輸層協(xié)議傳輸層協(xié)議 一般而言，傳輸層的主要目標(biāo)是：一般而言，傳輸層的主要目標(biāo)是： n采用多路技術(shù)和分

36、離技術(shù)作為應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的橋梁；采用多路技術(shù)和分離技術(shù)作為應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的橋梁； n根據(jù)應(yīng)用層的特定可靠度需求在源節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)間提供帶有誤差控制根據(jù)應(yīng)用層的特定可靠度需求在源節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)間提供帶有誤差控制 機(jī)制的數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)；機(jī)制的數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)； n通過(guò)流動(dòng)和擁塞機(jī)制調(diào)節(jié)注入網(wǎng)絡(luò)的信息量。通過(guò)流動(dòng)和擁塞機(jī)制調(diào)節(jié)注入網(wǎng)絡(luò)的信息量。 3.5.1 Event-to-Sink3.5.1 Event-to-Sink傳輸傳輸 n無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸層的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸層的Event-to-SinkEvent-to-Sink可靠度是必要的，包括了事件特可靠度是必要的，包括了事件特 征到征到SinkSink節(jié)點(diǎn)的

37、可靠通信，而不是針對(duì)區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)生成的單個(gè)傳感報(bào)節(jié)點(diǎn)的可靠通信，而不是針對(duì)區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)生成的單個(gè)傳感報(bào) 告告/ /數(shù)據(jù)包進(jìn)行基于數(shù)據(jù)包的可靠傳遞。圖數(shù)據(jù)包進(jìn)行基于數(shù)據(jù)包的可靠傳遞。圖3-63-6說(shuō)明了以收集事件到說(shuō)明了以收集事件到SinkSink 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流的識(shí)別符為基礎(chǔ)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流的識(shí)別符為基礎(chǔ)的Event-to-SinkEvent-to-Sink可靠傳輸概念?？煽總鬏敻拍?。 n與常規(guī)與常規(guī)End-to-EndEnd-to-End可靠度傳輸層協(xié)議不同，事件到中心節(jié)點(diǎn)可靠傳輸可靠度傳輸層協(xié)議不同，事件到中心節(jié)點(diǎn)可靠傳輸 (ESRT(ESRT，Event-to-Sink Reliable Tra

38、nsport)Event-to-Sink Reliable Transport)協(xié)議以協(xié)議以Event-to-SinkEvent-to-Sink可可 靠度概念為基礎(chǔ)，提供了不需要任何中介存儲(chǔ)的可靠事件探測(cè)?？慷雀拍顬榛A(chǔ)，提供了不需要任何中介存儲(chǔ)的可靠事件探測(cè)。ESRTESRT是是 一種新的數(shù)據(jù)解決方案，其目的是在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中用最少的能量花費(fèi)一種新的數(shù)據(jù)解決方案，其目的是在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中用最少的能量花費(fèi) 完成可靠事件探測(cè)。其中包括擁塞控制部分，可實(shí)現(xiàn)可靠和節(jié)能的雙重完成可靠事件探測(cè)。其中包括擁塞控制部分，可實(shí)現(xiàn)可靠和節(jié)能的雙重 目標(biāo)。同時(shí)，目標(biāo)。同時(shí)，ESRTESRT不需要各個(gè)傳感器的標(biāo)識(shí)符

39、，僅需要事件不需要各個(gè)傳感器的標(biāo)識(shí)符，僅需要事件IDID。十分重。十分重 要的一點(diǎn)是，要的一點(diǎn)是，ESRTESRT算法主要在算法主要在SinkSink節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行，使資源有限的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行，使資源有限的無(wú)線傳感 節(jié)點(diǎn)需要完成的工作量最小化。節(jié)點(diǎn)需要完成的工作量最小化。 3.5.1 Event-to-Sink3.5.1 Event-to-Sink傳輸傳輸 3.63.6應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)用層協(xié)議 3.6.13.6.1傳感器管理協(xié)議傳感器管理協(xié)議 n系統(tǒng)管理通過(guò)采用傳感器管理協(xié)議系統(tǒng)管理通過(guò)采用傳感器管理協(xié)議(SMP(SMP，Sensor Management Sensor Management Pr

40、otocol)Protocol)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與其他很多網(wǎng)絡(luò)不同與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與其他很多網(wǎng)絡(luò)不同 ，節(jié)點(diǎn)沒(méi)有全局，節(jié)點(diǎn)沒(méi)有全局IDID，而且一般缺少基礎(chǔ)設(shè)施。因此，而且一般缺少基礎(chǔ)設(shè)施。因此，SMPSMP需要采用基于屬需要采用基于屬 性的命名和基于位置的選址對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)。性的命名和基于位置的選址對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)。 SMPSMP是提供軟件操作的管理協(xié)議，這些軟件操作是以下管理任務(wù)所必需的：是提供軟件操作的管理協(xié)議，這些軟件操作是以下管理任務(wù)所必需的： 將與數(shù)據(jù)聚集、基于屬性的命名和聚類相關(guān)的規(guī)則引入無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)；將與數(shù)據(jù)聚集、基于屬性的命名和聚類相關(guān)的

41、規(guī)則引入無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)； 交換與位置搜尋相關(guān)的數(shù)據(jù)；交換與位置搜尋相關(guān)的數(shù)據(jù)； 無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步；無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步； 移動(dòng)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)；移動(dòng)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)； 打開(kāi)和關(guān)閉無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)；打開(kāi)和關(guān)閉無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)； 查詢無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，重新設(shè)置無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；查詢無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，重新設(shè)置無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)； 認(rèn)證、密碼分配與數(shù)據(jù)通信安全。認(rèn)證、密碼分配與數(shù)據(jù)通信安全。 3.6.13.6.1傳感器管理協(xié)議傳感器管理協(xié)議 3.6.23.6.2任務(wù)分派與數(shù)據(jù)廣播協(xié)議任務(wù)分派與數(shù)據(jù)廣播協(xié)議 n無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重要操作是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重要操作是“興趣興趣”分發(fā)。用戶向無(wú)線傳感節(jié)

42、點(diǎn)、分發(fā)。用戶向無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)、 節(jié)點(diǎn)的子集或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送其節(jié)點(diǎn)的子集或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送其“興趣興趣”內(nèi)容。此內(nèi)容。此“興趣興趣”內(nèi)容可與觀察對(duì)內(nèi)容可與觀察對(duì) 象的某種屬性相關(guān)，或者與一個(gè)觸發(fā)事件相關(guān)。另一種方式是對(duì)可用數(shù)據(jù)象的某種屬性相關(guān)，或者與一個(gè)觸發(fā)事件相關(guān)。另一種方式是對(duì)可用數(shù)據(jù) 進(jìn)行廣播。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)將可用數(shù)據(jù)廣播給用戶，而用戶查詢其感興趣的進(jìn)行廣播。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)將可用數(shù)據(jù)廣播給用戶，而用戶查詢其感興趣的 數(shù)據(jù)。應(yīng)用層協(xié)議為用戶軟件提供了數(shù)據(jù)。應(yīng)用層協(xié)議為用戶軟件提供了“興趣興趣”分發(fā)的有效接口的，對(duì)較低分發(fā)的有效接口的，對(duì)較低 層操作層操作( (例如路由例如路由) )十分有用。十分有用。

43、 3.6.33.6.3傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議 n傳感器查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議傳感器查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議(SQDDP(SQDDP，Sensor Query and Data Sensor Query and Data Dissemination Protocol)Dissemination Protocol)為用戶應(yīng)用提供了問(wèn)題查詢、查詢響應(yīng)和搜為用戶應(yīng)用提供了問(wèn)題查詢、查詢響應(yīng)和搜 集答復(fù)的接口。這些查詢一般不向特定節(jié)點(diǎn)發(fā)送，而是采用了基于屬性集答復(fù)的接口。這些查詢一般不向特定節(jié)點(diǎn)發(fā)送，而是采用了基于屬性 或位置的命名?；蛭恢玫拿?。 n傳感器查詢和任務(wù)語(yǔ)言傳感器查詢和任務(wù)

44、語(yǔ)言(SQTL(SQTL，Sensor Query and Tasking Language)Sensor Query and Tasking Language) 提供了更多服務(wù)種類。提供了更多服務(wù)種類。 SQTLSQTL支持支持3 3種事件，這些事件用關(guān)鍵詞種事件，這些事件用關(guān)鍵詞receivereceive、everyevery和和expireexpire定義。定義。 n關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞receivereceive規(guī)定了收到一個(gè)消息時(shí)由無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)生成的事件；規(guī)定了收到一個(gè)消息時(shí)由無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)生成的事件； n關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞everyevery規(guī)定了采用計(jì)時(shí)器定時(shí)而周期性產(chǎn)生的事件；規(guī)定了采用計(jì)時(shí)

45、器定時(shí)而周期性產(chǎn)生的事件； n關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞expireexpire規(guī)定了計(jì)時(shí)器超時(shí)引發(fā)的事件。規(guī)定了計(jì)時(shí)器超時(shí)引發(fā)的事件。 n若無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)收到預(yù)期消息，而且消息包含一個(gè)腳本，則運(yùn)行此腳本若無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)收到預(yù)期消息，而且消息包含一個(gè)腳本，則運(yùn)行此腳本 。雖然已經(jīng)定義了。雖然已經(jīng)定義了SQTLSQTL，但可為各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)不同類別的，但可為各種應(yīng)用開(kāi)發(fā)不同類別的SQDDPSQDDP。每種應(yīng)。每種應(yīng) 用中，用中，SQDDPSQDDP都有特定的執(zhí)行方式。都有特定的執(zhí)行方式。 3.6.33.6.3傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議傳感器查詢與數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議 3.73.7無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)

46、3.7.1.3.7.1.分層設(shè)計(jì)方法分層設(shè)計(jì)方法 n有線因特網(wǎng)或者是傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有線因特網(wǎng)或者是傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)( ( 如蜂窩和無(wú)線局域網(wǎng)，以及移動(dòng)自如蜂窩和無(wú)線局域網(wǎng)，以及移動(dòng)自 組織網(wǎng)絡(luò)組織網(wǎng)絡(luò)) )中，大多數(shù)設(shè)計(jì)者都采用中，大多數(shù)設(shè)計(jì)者都采用 分層設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想分層設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想 。圖。圖3-73-7給出了給出了 一個(gè)采用分層設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的無(wú)線一個(gè)采用分層設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)協(xié)議棧示意圖，其中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)協(xié)議棧示意圖，其中每個(gè) 相鄰層次之間可以實(shí)現(xiàn)一定的自適相鄰層次之間可以實(shí)現(xiàn)一定的自適 應(yīng)調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化原有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化原有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 。 所謂跨層設(shè)計(jì)的定義，是針對(duì)特定

47、的分層結(jié)構(gòu)而言的，一切不符合參考分層所謂跨層設(shè)計(jì)的定義，是針對(duì)特定的分層結(jié)構(gòu)而言的，一切不符合參考分層 通信結(jié)構(gòu)的協(xié)議設(shè)計(jì)稱為跨層設(shè)計(jì)。通信結(jié)構(gòu)的協(xié)議設(shè)計(jì)稱為跨層設(shè)計(jì)。 對(duì)于跨層設(shè)計(jì)的概念，再給出了三種補(bǔ)充解釋。對(duì)于跨層設(shè)計(jì)的概念，再給出了三種補(bǔ)充解釋。 n不符合分層結(jié)構(gòu)的例子包括創(chuàng)建協(xié)議層間新的接口，重新定義協(xié)議層不符合分層結(jié)構(gòu)的例子包括創(chuàng)建協(xié)議層間新的接口，重新定義協(xié)議層 的邊界，基于另外一個(gè)層設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)協(xié)議層，以及聯(lián)合調(diào)節(jié)的邊界，基于另外一個(gè)層設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)協(xié)議層，以及聯(lián)合調(diào)節(jié) 跨層參數(shù)等?？鐚訁?shù)等。 n分層結(jié)構(gòu)的破壞也意味著放棄在不同層獨(dú)立設(shè)計(jì)協(xié)議的奢望?？鐚釉O(shè)分層結(jié)

48、構(gòu)的破壞也意味著放棄在不同層獨(dú)立設(shè)計(jì)協(xié)議的奢望?？鐚釉O(shè) 計(jì)的協(xié)議提供了其他層處理的一些條件。計(jì)的協(xié)議提供了其他層處理的一些條件。 n跨層設(shè)計(jì)是定義為一種協(xié)議設(shè)計(jì)的方法。然而，采用這種方法設(shè)計(jì)的跨層設(shè)計(jì)是定義為一種協(xié)議設(shè)計(jì)的方法。然而，采用這種方法設(shè)計(jì)的 協(xié)議大家通常稱為跨層設(shè)計(jì)。協(xié)議大家通常稱為跨層設(shè)計(jì)。 3.7.23.7.2跨層設(shè)計(jì)方法跨層設(shè)計(jì)方法 通常，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)的信息交互主要有以下三個(gè)途徑。通常，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)的信息交互主要有以下三個(gè)途徑。 n協(xié)議層之間直接進(jìn)行通信；協(xié)議層之間直接進(jìn)行通信； n通過(guò)共享信息或數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行信息交互；通過(guò)共享信息或數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行信息交互；

49、n采用全新的數(shù)據(jù)抽象結(jié)構(gòu)，如采用與分層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)完全不同的堆結(jié)采用全新的數(shù)據(jù)抽象結(jié)構(gòu)，如采用與分層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)完全不同的堆結(jié) 構(gòu)來(lái)組織協(xié)議。構(gòu)來(lái)組織協(xié)議。 3.7.23.7.2跨層設(shè)計(jì)方法跨層設(shè)計(jì)方法 n圖圖3-83-8給出了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理給出了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理 想跨層設(shè)計(jì)模型。各個(gè)協(xié)議層之間相互想跨層設(shè)計(jì)模型。各個(gè)協(xié)議層之間相互 依賴，彼此協(xié)作，目標(biāo)就是盡系統(tǒng)所能依賴，彼此協(xié)作，目標(biāo)就是盡系統(tǒng)所能 ，最大限度地滿足用戶應(yīng)用的需求?？?，最大限度地滿足用戶應(yīng)用的需求?？?以看出，跨層設(shè)計(jì)除了包括各個(gè)協(xié)議層以看出，跨層設(shè)計(jì)除了包括各個(gè)協(xié)議層 間的自適應(yīng)問(wèn)題，而且還包括了各個(gè)層間的自適應(yīng)

50、問(wèn)題，而且還包括了各個(gè)層 之間相互協(xié)作和共享信息和資源，以便之間相互協(xié)作和共享信息和資源，以便 獲取最佳性能準(zhǔn)則，如最小的連接鏈路獲取最佳性能準(zhǔn)則，如最小的連接鏈路 維護(hù)成本、更低的延遲和最長(zhǎng)的系統(tǒng)壽維護(hù)成本、更低的延遲和最長(zhǎng)的系統(tǒng)壽 命等。命等。 3.7.23.7.2跨層設(shè)計(jì)方法跨層設(shè)計(jì)方法 nB.RamanB.Raman等人提出了幾種不同的跨層設(shè)計(jì)組合解決方案，并且證實(shí)了對(duì)于等人提出了幾種不同的跨層設(shè)計(jì)組合解決方案，并且證實(shí)了對(duì)于 特定的應(yīng)用，如藍(lán)牙無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，相比傳統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)方法，跨層特定的應(yīng)用，如藍(lán)牙無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，相比傳統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)方法，跨層 優(yōu)化確實(shí)帶來(lái)了更好的系統(tǒng)性能。它們

51、采用的跨層設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵就是優(yōu)化確實(shí)帶來(lái)了更好的系統(tǒng)性能。它們采用的跨層設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵就是 把握了四個(gè)要素：采用按需操作；對(duì)高層需求的感知；緩存了業(yè)務(wù)的描把握了四個(gè)要素：采用按需操作；對(duì)高層需求的感知；緩存了業(yè)務(wù)的描 述以及采用了相同范圍內(nèi)的操作。圖述以及采用了相同范圍內(nèi)的操作。圖3-93-9就是跨層設(shè)計(jì)和組合優(yōu)化前后的就是跨層設(shè)計(jì)和組合優(yōu)化前后的 協(xié)議棧對(duì)比圖。協(xié)議棧對(duì)比圖。 3.7.23.7.2跨層設(shè)計(jì)方法跨層設(shè)計(jì)方法 3.7.33.7.3跨層設(shè)計(jì)的必要性跨層設(shè)計(jì)的必要性 n1 1無(wú)線信道的動(dòng)態(tài)性無(wú)線信道的動(dòng)態(tài)性 n2 2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量受限無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量受限 n3 3傳

52、統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端傳統(tǒng)通信系統(tǒng)分層參考模型的弊端 n圖圖3-103-10給出了一個(gè)采用分層和跨層設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)給出了一個(gè)采用分層和跨層設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 對(duì)比。對(duì)比。 3.7.33.7.3跨層設(shè)計(jì)的必要性跨層設(shè)計(jì)的必要性 3.7.43.7.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)主要技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)主要技術(shù) 根據(jù)優(yōu)化參數(shù)選取的不同和系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)和應(yīng)用的不同，常見(jiàn)的跨層根據(jù)優(yōu)化參數(shù)選取的不同和系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)和應(yīng)用的不同，常見(jiàn)的跨層 設(shè)計(jì)技術(shù)主要理論方法分為以下幾種。設(shè)計(jì)技術(shù)主要理論方法分為以下幾種。 n分析法：通過(guò)拉格朗日乘子法、凸優(yōu)化等把問(wèn)題近似簡(jiǎn)化，得到

53、快速分析法：通過(guò)拉格朗日乘子法、凸優(yōu)化等把問(wèn)題近似簡(jiǎn)化，得到快速 收斂算法和分析結(jié)果。收斂算法和分析結(jié)果。 n最優(yōu)控制法：通過(guò)最優(yōu)控制，可以將無(wú)線通信系統(tǒng)的跨層優(yōu)化轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制法：通過(guò)最優(yōu)控制，可以將無(wú)線通信系統(tǒng)的跨層優(yōu)化轉(zhuǎn)化為 約束優(yōu)化類問(wèn)題。約束優(yōu)化類問(wèn)題。 n博弈論法：在多用戶的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)并不了解其它節(jié)博弈論法：在多用戶的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)并不了解其它節(jié) 點(diǎn)的狀態(tài)，因而無(wú)法協(xié)同共享網(wǎng)絡(luò)資源，只能以分布式方式從自身利益點(diǎn)的狀態(tài)，因而無(wú)法協(xié)同共享網(wǎng)絡(luò)資源，只能以分布式方式從自身利益 角度出發(fā)來(lái)競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)的有限資源?？梢酝ㄟ^(guò)博弈論中的納氏均衡理論來(lái)角度出發(fā)來(lái)競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)的有限資源。可以通過(guò)博弈論中的納氏均衡理論來(lái) 協(xié)調(diào)各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的行為，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的最佳性能。協(xié)調(diào)各個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的行為，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)的最佳性能。 n動(dòng)態(tài)規(guī)劃法：由于無(wú)線通信環(huán)境的動(dòng)態(tài)時(shí)變性，可通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法實(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法：由于無(wú)線通信環(huán)境的動(dòng)態(tài)時(shí)變性，可通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法實(shí) 時(shí)選擇最優(yōu)策略，如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)路由的跨層設(shè)計(jì)。時(shí)選擇最優(yōu)策