傳感器物理層及信道接入技術(shù)

物理層及信道接入技術(shù)課程目錄物理層相關(guān)技術(shù)

12信道接入技術(shù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)34ZigBee標(biāo)準(zhǔn)物理層相關(guān)技術(shù)物理層相關(guān)技術(shù)前言在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，物理層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹讓樱蛳轮苯优c傳輸介質(zhì)相連；物理層協(xié)議是各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)時(shí)必須遵循的底層協(xié)議；物理層的設(shè)計(jì)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能的決定因素。

1物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配物理層設(shè)計(jì)1.11.2

1物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配導(dǎo)體中電流強(qiáng)弱的改變會產(chǎn)生無線電波。利用這一現(xiàn)象，通過調(diào)制可以將信息加載到無線電波之上。當(dāng)電波通過空間傳播到達(dá)收信端，電波引起的電磁場變化又會在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，通過調(diào)制將信息從電流變化中提取出來，就達(dá)到信息傳遞的目的。1.1無線電波的定義無線電波是指在自由空間全方位傳播的射頻頻段的電磁波，可以很容易產(chǎn)生，也可以穿透建筑物體，因此被廣泛應(yīng)用于無線通信中。無線電波的原理

1物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配頻

率應(yīng)用范圍3～30kHz海岸潛艇通信，遠(yuǎn)程距離通信，超遠(yuǎn)程距離導(dǎo)航30～300kHz越洋通信，中距離通信，地下巖層通信，遠(yuǎn)距離導(dǎo)航0.3～3MHz船用通信，業(yè)余無線電通信，移動通信，中距離導(dǎo)航3～30MHz遠(yuǎn)距離短波通信，國際定點(diǎn)通信30～300MHz電離層散射，流星余跡通信，人造電離層通信，對空間飛行體通信，移動通信0.3～3GHz小容量微波中繼通信，對流層散射通信，中容量微波通信3～30GHz大容量微波中繼通信，數(shù)字通信，大容量微波中繼通信，衛(wèi)星通信，國際海事衛(wèi)星通信30～300GHz載入大氣層時(shí)的通信，波導(dǎo)通訊1.1

1中國無線電管理委員會的規(guī)定物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配ISM（Industrial-Scientific-Medical）頻段是指特別為工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)應(yīng)用而保留的頻率范圍。ISM頻段是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，發(fā)射功率要求在1W以下，無需任何許可證。ISM頻段頻

率說

明13.553～15.567MHz26.957～27.283MHz40.66～40.70MHz433～464MHz歐洲標(biāo)準(zhǔn)902～928MHz美國標(biāo)準(zhǔn)2.4～2.5GHz全球WPAN/WLAN5.725～5.875GHz全球WPAN/WLAN24～24.25GHz一些常用的ISM波段頻率及說明1.1

1物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配1.1頻段的選擇頻率的選擇直接決定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線尺寸、電感的集成度以及節(jié)點(diǎn)功耗。對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合來決定。

1物理層相關(guān)技術(shù)頻率分配物理層設(shè)計(jì)1.11.2

1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)1.2物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量物理層需要考慮的問題編碼調(diào)制技術(shù)通信速率通信頻段

1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)編碼調(diào)制技術(shù)1常見的編碼調(diào)制技術(shù)⑴窄帶調(diào)制技術(shù)⑵擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)⑶超寬帶UWB調(diào)制技術(shù)1.2

1ASKFSKPSK跳頻(FHSS)直接序列擴(kuò)頻(DSSS)擴(kuò)頻通信的工作原理：在發(fā)送端將傳送的信息用偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列SpreadSequence)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸;接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)：與傳統(tǒng)的窄帶通信方式相比，具有抗干擾、抗噪聲、功率頻譜低、具有保密性、隱蔽性和低截獲概率等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)超寬帶UWB調(diào)制技術(shù)是一種無需載波的調(diào)制技術(shù)，其超低的功耗和易于集成的特點(diǎn)非常適合短距離通信的WSN應(yīng)用，但是UWB需要較長的捕獲時(shí)間，即需要較長的前導(dǎo)碼，這將降低信號的隱蔽性，所以需要MAC層更好的協(xié)作。物理層相關(guān)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)分類窄帶擴(kuò)頻UWB成本343功耗254低傳輸范圍和低速率354抗干擾能力154抗背景噪聲能力252同步難易度322頻譜利用率245多播能力134編碼調(diào)制技術(shù)13種編碼調(diào)制技術(shù)性能比較1.2

1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間，對于節(jié)能有一定的好處；但需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對誤碼的影響。通信速率21.2

1一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。比特能耗越小越好。物理層相關(guān)技術(shù)

物理層設(shè)計(jì)通信頻率的選擇31.2考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本的要求，ISM波段是首要的選擇ISM波段在高頻和特高頻的頻率范圍上都有分布，但信號在不同的頻率上傳播特性、功率消耗以及對器件性能和天線的要求卻有很大區(qū)別。頻率的選擇是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能、成本的一個重要參數(shù).

1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)1.2從天線長度的角度在ISM13.5MHz，如果采用λ/4對偶天線，天線長度為5.6m，顯然要求這么長的天線很不適合小體積的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；對于ISM2.4GHz，其采用λ/4對偶天線，天線長度為3.1cm，這么高的頻率就可以將節(jié)點(diǎn)做得很小，也有利于天線的MEMS集成。

1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)1.2從功耗的角度在傳輸相同的有效距離時(shí)，載波頻率越高消耗能量越多，這是因?yàn)轭l率載波越高，對頻率合成器的要求也越高，而在射頻前端發(fā)射機(jī)中的頻率合成器是主要的功耗模塊;根據(jù)自由空間無線傳輸損耗理論可以知道，波長越短其傳輸損耗越大，也就意味著高頻率需要更大的發(fā)射功率來保證一定的傳輸距離。

1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)1.2從節(jié)點(diǎn)物理層集成化的角度雖然當(dāng)前的CMOS工藝已經(jīng)成為主流，但是對大電感的集成化還是一個非常大的挑戰(zhàn)，隨著深亞微米工藝的進(jìn)展，更高的頻率更易于電感的集成化設(shè)計(jì)，這對于未來節(jié)點(diǎn)的完全SOC設(shè)計(jì)是有利的，所以頻段的選擇是一個非常慎重的問題。

1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)1.2由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，所以針對不同的實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)該綜合成本、功耗、體積等因素進(jìn)行最優(yōu)選擇；美國聯(lián)邦通信委員會FCC認(rèn)為2.4GHz是當(dāng)前工藝條件下，將功耗需求、成本、體積等折中較好的一個頻段，并且是全球的ISM波段；但是，這個頻段也是現(xiàn)階段不同應(yīng)用設(shè)備可能造成相互干擾最嚴(yán)重的頻段：藍(lán)牙、WLAN、微波爐設(shè)備、無繩電話等都采用該頻段的頻率。

1物理層相關(guān)技術(shù)物理層設(shè)計(jì)1.2目前很多研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理層基本上都是在現(xiàn)有的器件工業(yè)水平上展開的，基本上采用結(jié)構(gòu)簡單的幅移鍵控ASK、頻移鍵控FSK、最小頻移鍵控MSK調(diào)制方式，在頻段的選擇上也都集中在433~464MHz、902~928MHz及2.4~2.5GHz的ISM波段上。

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1234信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述基于競爭的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)2.12.22.32.42.5

2信道接入技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線信道的使用方式是由媒體訪問控制(MAC)協(xié)議決定的，為了能夠使傳感器節(jié)點(diǎn)合理分配有限資源，避免眾多節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間發(fā)射信號時(shí)產(chǎn)生碰撞沖突，對于信道接入技術(shù)的研究也越來越多。2.1

2信道接入技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述目前，對大多數(shù)傳感器硬件平臺而言，無線通信模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)能量的主要消耗者，而MAC子層直接與物理層連接，即MAC協(xié)議直接控制著無線射頻收發(fā)器的活動，決定何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，所以MAC協(xié)議節(jié)能效率的好壞將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議時(shí)，需要著重考慮以下幾個方面：2.1

2信道接入技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述①能源的有效性②可擴(kuò)展性⑤可靠性④分布式算法③性能的綜合測評2.1

21,無線通信是傳感器能量的主要消耗因素；2,由于目前節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)問題并沒有得到很好解決，傳感器節(jié)點(diǎn)本身能量不能自動補(bǔ)充或者補(bǔ)充不足，節(jié)約能量成為傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)首要考慮的因素。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)眾多,并且節(jié)點(diǎn)數(shù)目分布密度的變化，節(jié)點(diǎn)的位置移動、新節(jié)點(diǎn)的加入，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動態(tài)性，需要MAC協(xié)議具有可擴(kuò)展性，以適應(yīng)這種動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)議的設(shè)計(jì)需要在多種性能間取得平衡，各項(xiàng)性能包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、帶寬利用率等方面。各性能間的平衡往往比單個性能更重要。因?yàn)橐粋€不平衡的協(xié)議即使在某一環(huán)境下表現(xiàn)好，很可能在另一環(huán)境下就會表現(xiàn)很差。比如一個協(xié)議如果太頻繁地關(guān)閉無線收發(fā)裝置來節(jié)能，不僅實(shí)時(shí)性和可靠性受到影響，包丟失引起的重傳也會反過來影響節(jié)能的效果。傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力和存儲能力受限，需要眾多節(jié)點(diǎn)協(xié)同來完成某項(xiàng)應(yīng)用任務(wù)，所以MAC協(xié)議運(yùn)行分布式的算法可以更有效地避免由某些節(jié)點(diǎn)的失效造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓等現(xiàn)象發(fā)生?？煽啃园o錯誤鏈路的仔細(xì)選擇、對數(shù)據(jù)包的檢測和修復(fù)等。在無線網(wǎng)絡(luò)中，包丟失主要是由緩沖器溢出和信號干擾造成的。避免緩沖器溢出是路由和MAC協(xié)議共同擔(dān)負(fù)的責(zé)任。信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述小結(jié)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入的研究，其關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的MAC協(xié)議。針對用戶不同的應(yīng)用需求，我們將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為3個大類。2.1

2信道接入技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述12.1基于競爭的MAC協(xié)議即節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用競爭機(jī)制，隨機(jī)地使用無線信道。要求在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須要考慮到如果發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，采用何種沖突避免策略來重發(fā)，直到所有重要的數(shù)據(jù)都能成功發(fā)送出去。

2信道接入技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述22.1基于固定分配的MAC協(xié)議即節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間是按照協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，這樣就避免了沖突，不需要擔(dān)心數(shù)據(jù)在信道中發(fā)生碰撞所造成的丟包問題。目前比較成熟的機(jī)制是時(shí)分復(fù)用（TDMA）。

2信道接入技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述32.1基于按需分配的MAC協(xié)議即根據(jù)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中所承擔(dān)數(shù)據(jù)量的大小來決定其占用信道的時(shí)間，目前主要有點(diǎn)協(xié)調(diào)和無線令牌環(huán)控制協(xié)議兩種方式。

2信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述基于競爭的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)2.12.22.32.42.5

2信道接入技術(shù)基于競爭的MAC協(xié)議嘗試通過使各傳感器節(jié)點(diǎn)以最小復(fù)雜度、獨(dú)立地進(jìn)行運(yùn)算的策略來保存能量。其基本思想是：傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，以某種競爭機(jī)制訪問無線信道；如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。最典型的基于競爭的隨機(jī)訪問MAC協(xié)議是載波偵聽多路訪問CSMA。IEEE802.11MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式，采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA/CA)協(xié)議,目前大部分基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都是在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)。基于競爭的信道接入技術(shù)概述02.2

2信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)IEEE802.11MAC協(xié)議

1

IEEE802.11MAC協(xié)議有點(diǎn)協(xié)調(diào)(PCF)和分布式協(xié)調(diào)(DCF)兩種訪問控制方式。適用范圍：PCF通過訪問接入點(diǎn)來協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)，通過設(shè)置好的一定間隔時(shí)間，查詢當(dāng)前哪些節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送的請求。

PCF是一種基于優(yōu)先級的無競爭訪問，顯然CSMA/CA協(xié)議不會采用此種控制方式；DCF是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)，其中物理載波偵聽由物理層提供，而虛擬載波偵聽由MAC層提供。2.2

2信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)IEEE802.11MAC協(xié)議

1圖1CSMA/CA中的虛擬載波偵聽2.2

2

請求幀，含NAV字段

清除幀，含NAV字段網(wǎng)絡(luò)分配矢量網(wǎng)絡(luò)分配矢量信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)S-MAC協(xié)議

2S-MAC是在IEEE802.11協(xié)議的基礎(chǔ)上針對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的需求設(shè)計(jì)的。為了降低由于碰撞重傳、串音、空閑偵聽和控制消息可能造成的能量消耗，S-MAC采用以下機(jī)制：2.2

2信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)S-MAC協(xié)議

2S-MAC協(xié)議采用以下機(jī)制:①S-MAC協(xié)議引入了周期性偵聽/睡眠的低占空比機(jī)制，通過控制節(jié)點(diǎn)的睡眠降低能量消耗。②S-MAC協(xié)議沿用IEEE802.11的RTS/CTS機(jī)制降低碰撞幾率。

③通過網(wǎng)絡(luò)分配矢量避免串音現(xiàn)象。④將長消息分割為若干短消息并集中突發(fā)傳送，減少協(xié)議控制消息的開銷。⑤S-MAC協(xié)議將時(shí)間分為若干幀，每幀包括同步階段、活動階段和睡眠階段。2.2

2信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)S-MAC協(xié)議

2圖2S-MAC協(xié)議的基本機(jī)制2.2

2信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)S-MAC協(xié)議

2優(yōu)點(diǎn):實(shí)現(xiàn)簡單，減少了空閑監(jiān)聽時(shí)間，避免了傳輸碰撞和串音現(xiàn)象，減少了協(xié)議控制開銷，節(jié)省了能量開銷。缺點(diǎn)：由于周期性睡眠的原因，S-MAC協(xié)議數(shù)據(jù)的延遲較大，在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，尤其是負(fù)載波動劇烈的情況下算法的效率將降低。2.2

2信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)S-MAC協(xié)議

2S-MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）數(shù)據(jù)包的嵌套結(jié)構(gòu)（2）堆棧結(jié)構(gòu)和功能（3）選擇和維護(hù)調(diào)度表（4）時(shí)間同步（5）帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（6）網(wǎng)絡(luò)分配矢量2.2

2信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)T-MAC協(xié)議

3圖3T-MAC協(xié)議的基本機(jī)制2.2

2信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)T-MAC協(xié)議

3圖4T-MAC中基本的數(shù)據(jù)交換2.2

2信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)T-MAC協(xié)議

3T-MAC協(xié)議提出了兩種方法解決早睡問題。第一種稱為未來請求發(fā)送（FRTS）,還有一種解決早睡問題的方法稱作滿緩沖區(qū)優(yōu)先（FullBufferPriority）。圖5T-MAC中早睡問題的兩種解決方案2.2

2信道接入技術(shù)基于競爭的信道接入技術(shù)Sift協(xié)議

4設(shè)計(jì)目標(biāo)對于檢測到事件的N個節(jié)點(diǎn)，使其中R個節(jié)點(diǎn)能在最短的時(shí)間內(nèi)無沖突成功發(fā)送出事件監(jiān)測消息，而抑制剩余N-R個節(jié)點(diǎn)的消息發(fā)送。2.2

2信道接入技術(shù)

基于競爭的信道接入技術(shù)Sift協(xié)議

4工作原理Sift協(xié)議使用了CW（競爭窗口長度）值固定的窗口，選擇合適的發(fā)送概率分布，為不同的時(shí)隙在整個競爭節(jié)點(diǎn)集中篩選出一個發(fā)送節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)選擇在第r個時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)的概率Pr為：

r

=

1,……,CW

2.2

2信道接入技術(shù)

基于競爭的信道接入技術(shù)2.2基于競爭的MAC協(xié)議的顯著優(yōu)點(diǎn)是簡明性和可擴(kuò)展性。簡明性：由于無須維護(hù)和共享狀態(tài)，基于競爭的MAC協(xié)議將消耗更少的處理資源，占用更小的內(nèi)存空間，減少傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)量。可擴(kuò)展性：由于無須獲得當(dāng)前的調(diào)度表或者加入其它傳感器節(jié)點(diǎn)組，通過調(diào)遣或移動的方式，新的傳感器節(jié)點(diǎn)可以更加迅速地添加到一個網(wǎng)絡(luò)中。

2信道接入技術(shù)

基于競爭的信道接入技術(shù)2.2缺點(diǎn)：由于沒有像基于預(yù)約的MAC協(xié)議那樣使用某種機(jī)制對信道利用情況進(jìn)行均衡，所以公平性就成為它的一個問題。

2信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述基于競爭的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)2.12.22.32.42.5

2信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)TDMA技術(shù)CDMA技術(shù)FDMA技術(shù)SDMA技術(shù)相比隨機(jī)競爭接入機(jī)制，時(shí)分復(fù)用方式的優(yōu)點(diǎn)：更能節(jié)省能量，因?yàn)槭∪チ烁偁帣C(jī)制的碰撞重傳問題；缺點(diǎn)：它需要嚴(yán)格的時(shí)間同步，并且通常用在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的網(wǎng)絡(luò)，它不能很好地處理傳感器節(jié)點(diǎn)移動和節(jié)點(diǎn)失效的情況，因此在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性方面存在嚴(yán)重不足。2.3

2信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)基于TDMA的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議:2.3（1）DEANA協(xié)議（2）TRAMA協(xié)議（3）DMAC協(xié)議

2信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)2.3（1）DEANA協(xié)議

2分布式能量感知節(jié)點(diǎn)活動協(xié)議-DistributedEnergy-AwareNodeActivation優(yōu)缺點(diǎn)：繼承了TDMA類協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，如無沖突丟包以及無競爭機(jī)制及其額外的開銷。通過對節(jié)點(diǎn)能源細(xì)粒度的控制，節(jié)省關(guān)鍵路徑上節(jié)點(diǎn)的能源，從而延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。傳感器節(jié)點(diǎn)只在自己占有時(shí)槽且無傳輸時(shí)，才能進(jìn)入睡眠；額外的區(qū)域選舉程序就算不增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，發(fā)包與收包也會消耗節(jié)點(diǎn)能量。信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)2.3（2）

TRAMA協(xié)議

2流量自適應(yīng)介質(zhì)訪問協(xié)議-TrafficAdaptiveMediumAccess是一種能源高效、無收發(fā)沖突的無線傳感器基于時(shí)槽(slot)的MAC協(xié)議特點(diǎn)：根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況協(xié)商預(yù)約時(shí)槽，可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的流量；避免了無消息發(fā)送的節(jié)點(diǎn)占用時(shí)槽；可以保證公平性，接收節(jié)點(diǎn)不會碰到收發(fā)沖突的情況；節(jié)能效果明顯、吞吐量更高。信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)2.3（3）DMAC協(xié)議

2Data-gatheringMAC針對S-MAC和T-MAC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)停頓問題而提出。特點(diǎn)：需要節(jié)點(diǎn)間嚴(yán)格的時(shí)間同步；實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，許多細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步深入研究。信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)

CDMA技術(shù)2.3

2基于CDMA方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議主要采用了CDMA的偽隨機(jī)碼分配算法，每個無線傳感器節(jié)點(diǎn)與其所有兩跳距離內(nèi)節(jié)點(diǎn)所分配的偽隨機(jī)碼都是兩兩正交的。通過這種方式來避免節(jié)點(diǎn)之間無線通信的相互干擾。為了實(shí)現(xiàn)這種編碼分配，需要在網(wǎng)絡(luò)中建立一個公共的信道，所有節(jié)點(diǎn)通過公共信道獲取其他節(jié)點(diǎn)的偽隨機(jī)碼，調(diào)整和發(fā)布自己的偽隨機(jī)碼。信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)

CDMA技術(shù)2.3

2傳統(tǒng)的無線信道中的CDMA技術(shù)，并不是用在能量有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)中就都是圍繞著將CDMA和其他技術(shù)相結(jié)合的方式。如與CSMA/CA相結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)大部分的能量都用于信道偵聽，并不是用在數(shù)據(jù)傳輸上。信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)

CDMA技術(shù)圖9向一個睡眠節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的信號時(shí)序過程2.3

21、喚醒收發(fā)模塊；2、通過鏈路偵聽模塊發(fā)送一個喚醒信號喚醒接收者；3、然后再通過數(shù)據(jù)收發(fā)模塊傳輸消息。信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)FDMA技術(shù)為了充分利用信道的帶寬，提出了信道的頻分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA)的概念。最大優(yōu)點(diǎn):

信道復(fù)用率高，容許復(fù)用的路數(shù)多，分路也很方便。主要缺點(diǎn):設(shè)備生產(chǎn)比較復(fù)雜，會因?yàn)V波器件特性不夠理想和信道內(nèi)存在非線性而產(chǎn)生路間干擾。2.3

2信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)SDMA技術(shù)空分多址(SpaceDivisionMultipleAccess,SDMA)是一種信道增容的方式，可以實(shí)現(xiàn)頻率的重復(fù)使用，充分利用頻率資源。空分多址還可以和其他多址方式相互兼容，從而實(shí)現(xiàn)組合的多址技術(shù)。在由中國提出的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA中就應(yīng)用了SDMA技術(shù)；此外在衛(wèi)星通信、光纖通信中也提出應(yīng)用SDMA。2.3

2信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)概述基于競爭的信道接入技術(shù)基于固定分配的信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)2.12.22.32.42.5

2信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)1．PCF方式圖10IEEE802.11MAC層協(xié)議結(jié)構(gòu)2.4

2競DCF為主要的媒體訪問控制方式，以CSMA/CA為主，以RTS/CTS為輔。PCF方式下，網(wǎng)絡(luò)中心接入點(diǎn)輪詢各個工作站實(shí)現(xiàn)挺協(xié)調(diào)由于在無線信道中難以檢測到信號之間的沖突，所以引入了退避機(jī)制作為降低錯誤率的辦法。PCF具有較小的延遲，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量最佳化，更好地支持無競爭的限時(shí)業(yè)務(wù)，如語音、視頻或多媒體業(yè)務(wù)等。信道接入技術(shù)按需分配的信道接入技術(shù)2．WTRP方式2.4

2無線令牌環(huán)（WirelessTokenRingProtocol,WTRP),是基于PCF方式，系統(tǒng)按照