無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 第2、3章(傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信及組網(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)點的通信覆蓋范圍只通常傳感器節(jié)點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，完成探測數(shù)據(jù)有限的通信能力條件下，完成探測數(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)物理層對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層對節(jié)點能耗的影響節(jié)點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、維護物

2、理層：為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護和釋放提供的機械的、電氣的、功能和規(guī)程性的手段。和釋放提供的機械的、電氣的、功能和規(guī)程性的手段。 從定義可以看出，物理層的特點是負(fù)責(zé)在物理連從定義可以看出，物理層的特點是負(fù)責(zé)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、功能和規(guī)程。物理連接所需要的機械、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。機械特性機械特性。它規(guī)定了物理連接時使用的可接插連接器的形狀和尺。它規(guī)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(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制比特流時，線路上。它規(guī)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。信號電平高低、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線的功能分配和確切定。它規(guī)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

4、分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時線和地線。義。物理接口信號線一般分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時線和地線。規(guī)程特性規(guī)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。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(guī)則和時序。過程，包括各信號線的工作規(guī)則和時序。物理接口的四個特性物理接口的四個特性 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)超寬帶和擴頻技術(shù)超寬帶和擴頻技術(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)擴頻技術(shù)擴頻技術(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)制直接序列擴頻直接序列擴頻 跳頻跳頻 跳時跳時線性調(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)波長的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫據(jù)波長的不同

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，可無線電波容易產(chǎn)生，可以傳播很遠，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(fā)送無線信號，所以發(fā)的，它能向任意方向發(fā)送無線信號，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準(zhǔn)。確的對準(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源距離則它能輕易地通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距離r r的增大而急劇減小，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)動機和其它電子設(shè)備的干擾。受發(fā)動機和其它電子設(shè)備的干擾。 另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，用戶之間的相另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，用戶之間的相互串?dāng)_也是需要關(guān)注的問題，所以每個國家和地區(qū)都有

8、關(guān)互串?dāng)_也是需要關(guān)注的問題，所以每個國家和地區(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VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF頻率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超長波長波中波短波米波分米波厘米波毫米波波長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;遠距離通信;超遠距離導(dǎo)航越洋通信;中距離通信;地下巖層通信;遠距離導(dǎo)航船用通信; 業(yè)余無線電通信;移動通信;中距離導(dǎo)航遠距離短波通信;國際定點通信電離層散射(30-60MHz);流星余跡通信; 人造電離層通信(30-144MHz); 對空間飛行體通信; 移動通信小容量微波中繼通 信; (352-420MHz); 對流層散射通信(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;國際海事衛(wèi)星通信(1500-1600MHz)再入大氣層時的通信;

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)制是指用一個信號去控制另一個信號的某一個是指用一個信號去控制另一個信號的某一個參量的過程。參量的過程。被控制的信號稱為被控制的信號稱為載波載波 ( 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信號信號信號消息消息調(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：沒有經(jīng)過高頻調(diào)制的信號。比如語音基帶信號：沒有經(jīng)過高頻調(diào)制的信號。比如語音、圖像、數(shù)據(jù)。有時也指經(jīng)過信源編碼或時分復(fù)、圖像、數(shù)據(jù)。有時也指經(jīng)過信源編碼或時分復(fù)用的信

11、號，頻率較低。用的信號，頻率較低。n基帶傳輸：基帶信號不經(jīng)過調(diào)制直接傳輸?；鶐鬏敚夯鶐盘柌唤?jīng)過調(diào)制直接傳輸。n調(diào)制：為了有效傳輸，在發(fā)射機將基帶信號調(diào)制調(diào)制：為了有效傳輸，在發(fā)射機將基帶信號調(diào)制到較高頻率進行發(fā)送稱為調(diào)制。到較高頻率進行發(fā)送稱為調(diào)制。概念簡介概念簡介通常信號源的編碼信息（即信源）含有直流分量和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，稱為頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號基帶信號。基帶信號往?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘枺蚨獙⒒鶐盘栟D(zhuǎn)換為相往不能作為傳輸信號，因而要將基帶信號轉(zhuǎn)換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進對基帶頻率而言頻率非常

12、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(diào)信號，而基行信道傳輸。通常將帶通信號稱為已調(diào)信號，而基帶信號稱為調(diào)制信號。帶信號稱為調(diào)制信號。概念簡介概念簡介調(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.信號和信道的匹配信號和信道的匹配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)字信號而變化。 n調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。n調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。n對

13、基帶數(shù)字信號的幾種調(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、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、遙測脈寬調(diào)制PDM（PWM）中間調(diào)制方式脈位調(diào)制PPM遙測、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對高頻載波的某一參量進行控是用模擬基帶信號對高

15、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。制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字基帶信號對高頻載波的某一參量進行控是用數(shù)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(shù)字基帶信號的變化而變化。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)原始信號所控制參量的不同，調(diào)制分為根據(jù)原始信號所控制參量的不同，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)制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時，由于當(dāng)數(shù)字調(diào)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，所以上述數(shù)字信號的調(diào)幅、用電鍵控制，被稱為鍵控信號，所以上述數(shù)字信號的調(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。由于振幅鍵控信號的抗噪聲性能不夠理想，因而目前在無線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(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?？?。 擴頻又稱為擴展頻譜，它的定義如下：擴頻擴頻又稱為擴展頻譜，它的定義如下：擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的通信技術(shù)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的最小帶寬；頻帶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成，用編碼的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)，與

19、所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在及調(diào)制的方法來實現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴和恢接收端用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。3 3、擴頻和超寬帶技術(shù)、擴頻和超寬帶技術(shù)擴頻通信系統(tǒng)的特點擴頻通信系統(tǒng)的特點n抗干擾能力強，誤碼率低?？垢蓴_能力強，誤碼率低。n保密性強。保密性強。n功率譜密度低，對其他通信系統(tǒng)及對人體的干擾功率譜密度低，對其他通信系統(tǒng)及對人體的干擾影響小，具有良好的隱蔽性能。影響小，具有良好的隱蔽性能。n易于實現(xiàn)大容量多址通信。易于實現(xiàn)大容量多址通信。n能精確定時與測距，可廣泛用于雷達、導(dǎo)航、通能精確定時與測距，可廣泛用于雷達、導(dǎo)

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

21、ad Spectrum, THSS)和和寬帶線性調(diào)頻擴頻寬帶線性調(diào)頻擴頻(chirp Spread Spectrum, chirp-SS(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，簡稱切普擴頻簡稱切普擴頻) )。（1 1）直接序列擴頻（）直接序列擴頻（DS-SSDS-SS） 通過直接通過直接用偽隨機信號產(chǎn)生的隨機序列用偽隨機信號產(chǎn)生的隨機序列與多個基帶信號脈沖數(shù)據(jù)相乘與多個基帶信號脈沖數(shù)據(jù)相乘來擴展基帶來擴展基帶數(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碼中的每一個脈沖或符號位稱為碼片碼中的每一個脈沖或符號位稱為碼片（chipchi

22、p）。）。n在相移調(diào)制前進行模在相移調(diào)制前進行模2 2運算。在接收端可能運算。在接收端可能會采用相干或差分會采用相干或差分PSKPSK解調(diào)。解調(diào)。（2 2）跳頻擴頻技術(shù)（）跳頻擴頻技術(shù)（FH-SSFH-SS）n跳頻擴頻技術(shù)（跳頻擴頻技術(shù)（FH-SSFH-SS）在一定的傳輸時間內(nèi)跳）在一定的傳輸時間內(nèi)跳換頻率。頻率的跳躍安排可認(rèn)為是一串隨時間變換頻率。頻率的跳躍安排可認(rèn)為是一串隨時間變化并具有偽隨機特性的調(diào)制信號數(shù)據(jù)。化并具有偽隨機特性的調(diào)制信號數(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。每一個信跳躍發(fā)生

23、在頻帶上跨越一系列的信道。每一個信道由具有中心頻點的頻帶區(qū)域而構(gòu)成。在這個頻道由具有中心頻點的頻帶區(qū)域而構(gòu)成。在這個頻帶內(nèi)能夠在相干的載波頻率上足夠進行窄帶編碼帶內(nèi)能夠在相干的載波頻率上足夠進行窄帶編碼調(diào)制（通常為調(diào)制（通常為FSKFSK）。）。（3）跳時擴頻）跳時擴頻（time hopping spread spectrum ）n以偽隨機序列選擇時序發(fā)送信號的擴頻技以偽隨機序列選擇時序發(fā)送信號的擴頻技術(shù)。術(shù)。n是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時是使發(fā)射信號在時間軸上跳變。首先把時間軸分成許多時片。在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)間軸分成許多時片。在一幀內(nèi)哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制。可以把射信

24、號由擴頻碼序列去進行控制?？梢园烟鴷r理解為：用一定碼序列進行選擇的多跳時理解為：用一定碼序列進行選擇的多時片的時移鍵控。由于采用了窄得多的時時片的時移鍵控。由于采用了窄得多的時片去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也片去發(fā)送信號，相對說來，信號的頻譜也就展寬了。就展寬了。（4 4）線性調(diào)頻）線性調(diào)頻（chirp Spread Spectrumchirp Spread Spectrum）nChirp信號常用于雷達系統(tǒng)中，用于克服雷達系統(tǒng)中探測距離和分辨力的矛盾。n雷達信號是一個很窄的脈沖信號（類似于通信中的沖激無線電信號）。雷達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)時間越

25、短越好。n為了保證遠的探測距離，雷達要發(fā)射出足夠的信號能量，因此必須在很短的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，用很大的功率發(fā)射信號。n為了克服這個困難，線性調(diào)頻技術(shù)開始應(yīng)用于雷達系統(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，發(fā)射信號的帶寬主要取決于掃頻的頻率范圍，而與脈沖信號的持續(xù)時間無關(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、近距離的無線個人通信。據(jù)資料表明，UWB信號的有效傳輸距離在1

26、0m以內(nèi)，傳輸速率可達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，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百W至幾十mW。與IEEE8021 l相比，在短距離內(nèi)，UWB的通信速率可以達到上千兆，是IEEE80211的幾十倍。 的應(yīng)用特點的應(yīng)用特點 高速、大容量，用于無線接入。相對于藍牙（10米距離）等窄帶體制有明顯優(yōu)勢。 低功率譜密度，信號不易截獲，有隱避性。 強抗多徑能力，方便接收。 強定位能力，利于機器人視覺。 強穿透能力，能穿透墻壁或其他障礙物。 設(shè)備簡單，主要由數(shù)字電路實現(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)評估報告發(fā)布超寬帶技術(shù)評估報告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 第一個第一個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兩大競爭方案中經(jīng)歷了四年的標(biāo)準(zhǔn)之爭 多個競爭方案歸為一種標(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陣營形成形成推出第一個推出第一個WiMedia產(chǎn)品產(chǎn)品超寬帶超寬帶兩大陣營形成兩大陣營形成宣布成立宣布成立 SIG與與合并合并成立成立MBOA 放棄請求放棄請求通過批準(zhǔn)通過批準(zhǔn)Ecma對提議對提議進行審查進行審查發(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，流動室內(nèi)高清晰室內(nèi)高清晰UW

30、B藍牙藍牙 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)定探測室內(nèi)的物體和人員活動通信、測量用途信號頻帶應(yīng)用環(huán)境3.110.6Ghz高速家用網(wǎng)絡(luò)、規(guī)定的測量設(shè)備車載雷達系統(tǒng)2229Ghz探測車輛周圍的物體避免碰撞等探地雷達3.110.6Ghz探測地下埋藏物并成像探墻雷達3.110.6Ghz探測墻內(nèi)的埋藏物并成像穿墻雷達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、相移鍵控和各種擴頻技術(shù)。幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴頻技術(shù)。 提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，對于節(jié)能提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，對于節(jié)能具有意義，但需要同時考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對誤碼的影響。一般具有意義，但需要同時考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對

32、誤碼的影響。一般用單個比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對能量的效率，單比特用單個比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對能量的效率，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)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計 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。此它包含了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點。 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)點在頻段的優(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。靈活方便。ISMISM頻段的缺點主要是功率受限，另外與現(xiàn)有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(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)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計nISM波段ISM波段的特波段的

34、特點是無須申點是無須申請，利于降請，利于降低成本。低成本。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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)點之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)。紅外通信的優(yōu)點是無須注冊，并且抗干擾能力強。術(shù)。紅外通信的優(yōu)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(fā)送者和接紅外通信的主要缺點是穿透能力差，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合得到應(yīng)用。 對于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對通信傳輸介質(zhì)

35、可對于一些特殊場合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對通信傳輸介質(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波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會遇到信道不可靠和嚴(yán)如能穿透水面的長波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場應(yīng)用會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)制機制。調(diào)制機制。2 2、物理層幀結(jié)構(gòu)、物理層幀結(jié)構(gòu) 物理幀的第一個字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取物理幀的第一個字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取4 4，用于收發(fā)器進行碼片，用于收發(fā)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(jié)，表示同步結(jié)束，或者符號的同步。第二個字段是幀頭，長度通常為一個字節(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。 幀長度字段通常由一個字節(jié)的低幀長度字段通常由一個字節(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、長度，因此它的后續(xù)載的長度，因此它的后續(xù)PHYPHY負(fù)載的長度不會超過負(fù)載的長度不會超過127127個字節(jié)。個字節(jié)。 物理幀物理幀PHYPHY的負(fù)載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的負(fù)載長度可變，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 。 在低速無線個域網(wǎng)在低速無線個域網(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三個載波頻段收發(fā)三個載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個頻段都使用了直接序列擴頻方式。數(shù)據(jù)。在這三個頻段都使用了直接序列擴頻方式。 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，標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競爭者之一。目前是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競爭者之一。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，針對無線傳感器網(wǎng)

39、絡(luò)的特點，現(xiàn)有總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，現(xiàn)有的物理層設(shè)計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式，在的物理層設(shè)計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(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，可能有多個節(jié)點設(shè)備同時接入信道，導(dǎo)致分組之間線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可

40、能有多個節(jié)點設(shè)備同時接入信道，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通信進程間安全性操作、名字識別、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(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、條件進行分類：協(xié)議可以按照下列條件進行分類： 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) 時分復(fù)用無競爭接入方式時分復(fù)用無競爭接入方式。無線信道時分復(fù)用。無線信道時分復(fù)用(Time (Time Division Multiple AccessDivision Multiple Access，TDMA)TDMA)方式給每個傳感器節(jié)點分配方式給每個傳感器節(jié)點分配固定的無線信道使用時段，避免節(jié)點之間相互干擾。固定的無線信道使用時段，避免節(jié)點之間相互干擾。 (2) (2) 隨機競爭接入方式隨機競爭接入

43、方式。如果采用無線信道的隨機。如果采用無線信道的隨機競爭接入方式，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機使用無線信競爭接入方式，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機使用無線信道，盡量減少節(jié)點間的干擾。典型的方法是采用載波偵道，盡量減少節(jié)點間的干擾。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) 競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式競爭與固定分配相結(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，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突采用頻分復(fù)用或者碼分

44、復(fù)用等方式，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突的無線信道分配。的無線信道分配。 基于競爭的隨機訪問基于競爭的隨機訪問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)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線信道，如本思想是當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線信道，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。 典型的基于競爭的隨機訪問典型的基于競爭的隨機訪問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，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(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機制機制是指在信號傳輸之前，發(fā)射機先偵聽介質(zhì)是指在信號傳輸之前，發(fā)射機先偵聽介質(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，將直接進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。據(jù)傳輸狀態(tài)；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(zhì)訪問控制層的方案簡化了實現(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化了實現(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，人們設(shè)計出適用于傳感器網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上，人們設(shè)計出適用于傳感器網(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)和點協(xié)和點協(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)即請求發(fā)送即請求發(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，載波偵聽機制下，載波偵聽機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：，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級：（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)點使用的幀間間隔。方式下節(jié)點使用的幀間間隔。（3 3）DIFS DIFS (DCF IFS)(DCF IFS)：DCFDCF方式下節(jié)點使用的幀間間隔。方式下節(jié)點使用的幀間間隔。 根據(jù)根據(jù)CSMA/CACSMA/CA協(xié)議，當(dāng)節(jié)點要傳輸一個分組時，它首先偵聽信道狀協(xié)議，當(dāng)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態(tài)

51、。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個幀間間隔時間DIFSDIFS后，信道仍然空后，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，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直到信道的空閑時間超過DIFSDIFS。當(dāng)信道最終空閑下來的時候，節(jié)點進。當(dāng)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。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。當(dāng)信道空閑時間大于DIF時 使用信道DIFSPIFSSIFS信道忙競爭窗口退避窗口下一幀時間槽時間DIFS推遲發(fā)送 隨機退避時間按下面公式進行計算：隨機退避時間按下

52、面公式進行計算： 退避時間退避時間=Random()=Random()aSlottimeaSlottime 其中，其中，Random()Random()是在競爭窗口是在競爭窗口00，CWCW內(nèi)均勻分布的偽內(nèi)均勻分布的偽隨機整數(shù)；隨機整數(shù)；CWCW是整數(shù)隨機數(shù)，它的數(shù)值位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是整數(shù)隨機數(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是一個時槽時間，包括發(fā)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(yīng)時間等。射啟動時間、介質(zhì)傳播時延、檢測信道的響應(yīng)時間等。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在進入退避狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在進入退避

53、狀態(tài)時，啟動一個退避計時器，時，啟動一個退避計時器，當(dāng)計時達到退避時間后結(jié)束當(dāng)計時達到退避時間后結(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)檢測到信道空閑時才只有當(dāng)檢測到信道空閑時才進行計時。如果信道忙，退進行計時。如果信道忙，退避計時器中止計時，直到檢避計時器中止計時，直到檢測到信道空閑時間大于測到信道空閑時間大于DIFSDIFS后才繼續(xù)計時。當(dāng)多個節(jié)點后才繼續(xù)計時。當(dāng)多個節(jié)點推遲且進入隨機退避時，利推遲且進入隨機退避時，利用隨機函數(shù)選擇最小退避時用隨機函數(shù)選擇最小退避時間的節(jié)點作為競爭優(yōu)勝者。間的節(jié)點作為競爭優(yōu)勝者。節(jié)點A節(jié)點B節(jié)點C節(jié)點D推遲推遲推遲競爭窗口幀幀節(jié)點EDIF

54、S推遲競爭窗口幀競爭窗口幀幀競爭窗口退避時間剩余退避時間 802.11 MAC 802.11 MAC協(xié)議通過協(xié)議通過立即主動確認(rèn)機制立即主動確認(rèn)機制和和預(yù)留機制預(yù)留機制提高性能。在主動確提高性能。在主動確認(rèn)機制中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點收到一個發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀認(rèn)機制中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點收到一個發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀(DATA)(DATA)時，必須向源時，必須向源節(jié)點發(fā)送一個應(yīng)答幀節(jié)點發(fā)送一個應(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，確認(rèn)數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標(biāo)節(jié)點在發(fā)送在發(fā)送ACKACK過程中不與其它節(jié)點發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點使用過程中不與其它節(jié)點發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點使用SIFS

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

56、制開銷為代價的，但它是目前解決這個 問題的主要趨勢。RTSABCDCTSNAVNAV數(shù) 據(jù)ACK67 在請求幀RTS與清除幀CTS中都有一個字段表示這次數(shù)據(jù)交換需要的時間長度，成為網(wǎng)絡(luò)分配矢量（NAV），其他幀的MAC頭也會捎帶這一信息。RTSABCDCTSNAVNAV數(shù) 據(jù)ACK NAV可看作一個計數(shù)器，以均勻速率遞減計數(shù)到零。當(dāng)計數(shù)器為零時，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握手機制68RTS-CTS握手機制和退避機制 節(jié)點在進入退避狀態(tài)時啟動一個退避計數(shù)器，當(dāng)計時完成時計數(shù)退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當(dāng)檢測到信道空閑時才進行計時，如果信道忙，退避計時器

57、中止計時，直到檢測到信道空閑。RTSABCDCTSNAVNAV數(shù) 據(jù)ACK 當(dāng)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。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)計目標(biāo)是提供良好的擴展性，減少節(jié)點能耗。好的擴展性，減少節(jié)點能耗。 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制）周期性偵聽和睡眠機制 S-MACS-MAC協(xié)

59、議將時間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽協(xié)議將時間分為幀，幀長度由應(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)時間要根據(jù)應(yīng)用情況進睡眠階段的持續(xù)時間要根據(jù)應(yīng)用情況進行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。當(dāng)行調(diào)整。當(dāng)節(jié)點處于睡眠階段時，關(guān)閉無線電波，以節(jié)省能量。當(dāng)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。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。偵聽偵聽睡眠睡眠節(jié)點協(xié)同進行周期性偵聽和睡眠的狀態(tài)切換，確保節(jié)點能同步進行偵聽和睡眠調(diào)度。調(diào)度周期：周期性偵聽和睡眠的時間之和為一個調(diào)度周期。 具有相同調(diào)度

60、的節(jié)點形成一個所謂具有相同調(diào)度的節(jié)點形成一個所謂的虛擬簇，邊界節(jié)點記錄兩個或多個調(diào)的虛擬簇，邊界節(jié)點記錄兩個或多個調(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)議具有良好的可擴展性。協(xié)議具有良好的可擴展性。 為了適應(yīng)新加入節(jié)點，每個節(jié)點要為了適應(yīng)新加入節(jié)點，每個節(jié)點要定期廣播自己的調(diào)度信息，使新節(jié)點可定期廣播自己的調(diào)度信息，使新節(jié)點可以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點保持同步。如以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點保持同步。如果節(jié)點同時收到兩種不同的調(diào)度，如圖果節(jié)點同時收到兩種不同的調(diào)度，如圖所示的處于兩個不同調(diào)度