無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第講第三章

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第講第三章1第一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三

目視千里、耳聽八方是人類長久的夢想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)使人們離這一目標(biāo)前進(jìn)了很多，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細(xì)微就勉為其難了。將大量傳感器節(jié)點(diǎn)遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線電傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)信息盡收觀察者的眼中。這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的目標(biāo)，其實(shí)現(xiàn)依賴于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳輸方法，需要新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。2第二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三

通常傳感器節(jié)點(diǎn)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)鍵技術(shù)之一。3第三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三通信與組網(wǎng)技術(shù)通信處于傳感器網(wǎng)絡(luò)的最底層，包括物理層及MAC層；主要解決實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的點(diǎn)到點(diǎn)或則點(diǎn)到多點(diǎn)的傳輸問題，為上層組網(wǎng)提供通信服務(wù)；同時滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模、低成本、低功耗及魯棒性等要求。4第四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三通信與組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)以底層通信技術(shù)為基礎(chǔ)，建立一個可靠且具有嚴(yán)格功耗預(yù)算的通信網(wǎng)絡(luò)，向用戶提供服務(wù)支持；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量保障；在資源消耗與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能之間平衡。5第五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三3.1物理層3.1.1物理層概述1、物理層的基本概念在計(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。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)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)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)在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放物理連接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程的特性。6第六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三網(wǎng)絡(luò)中物理設(shè)備與傳輸介質(zhì)的種類很多，通信也有不同的方式；物理層要盡可能屏蔽掉這些差異，使數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這種差異；確保數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何完成本層的協(xié)議和服務(wù)，而不必考慮網(wǎng)絡(luò)具體的傳輸介質(zhì)。7第七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三物理層處于最底層，是整個開放系統(tǒng)的基礎(chǔ)，向下直接與物理傳輸介質(zhì)相連接;物理層協(xié)議是各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)時遵守的底層協(xié)議;實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備之間的二進(jìn)制比特流的透明傳輸;負(fù)責(zé)主機(jī)間傳輸數(shù)據(jù)位，為物理介質(zhì)上傳輸?shù)谋忍亓鹘⒁?guī)則，及需何種傳送技術(shù)在傳輸介質(zhì)上發(fā)送數(shù)據(jù);對數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽物理傳輸介質(zhì)的特性，以便對高層協(xié)議有最大的透明性，但定義了數(shù)據(jù)鏈路層所使用的訪問方法8第八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三物理層的主要功能如下：①為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DataTerminalEquipment，DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。數(shù)據(jù)通路可以是一個物理介質(zhì)，也可由多個物理介質(zhì)連接而成的。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸包括激活物理連接、傳送數(shù)據(jù)和終止物理鏈接。所謂“激活物理鏈接”就是不管有多少物理介質(zhì)參與，都需將通信的兩個數(shù)據(jù)終端設(shè)備連接起來，形成一通路。9第九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三物理層的主要功能如下：②傳輸數(shù)據(jù)。物理層要形成適合傳輸需要的實(shí)體，為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，保證數(shù)據(jù)能在物理層正確通過，并提供足夠的帶寬，以減少信道的擁塞。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞侥軡M足點(diǎn)到點(diǎn)、一點(diǎn)到多點(diǎn)、串行或并行、半雙工或全雙工、同步或異步傳輸?shù)男枰?0第十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三物理層的主要功能如下：③其他管理工作

如信道狀態(tài)評估、能量檢測等

11第十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三具體的物理層協(xié)議比較復(fù)雜

物理鏈接的方式很多：可以是點(diǎn)到點(diǎn)的，也可以是多點(diǎn)連接或廣播連接。

傳輸介質(zhì)種類非常多：如架空明線、平衡電纜、同軸電纜、光纖、雙絞線和無線信道等。12第十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三通信所用的互連設(shè)備是指數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備間的互連設(shè)備。具有一定數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備稱為“數(shù)據(jù)終端設(shè)備”，也稱為“物理設(shè)備”，如計(jì)算機(jī)、I／O設(shè)備終端等；介于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和傳輸介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)通信設(shè)備或電路連接設(shè)備，稱為“數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備”，如調(diào)制解調(diào)器等。13第十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三物理層通信過程中，數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備之間應(yīng)該既有數(shù)據(jù)信息傳輸，也有控制信息傳輸；制定相互之間的接口標(biāo)準(zhǔn)來協(xié)調(diào)工作。這些標(biāo)準(zhǔn)就是物理接口標(biāo)準(zhǔn)。14第十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對物理接口的四個特性進(jìn)行了描述：

①機(jī)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寸，連接器中的引腳數(shù)量和排列情況等。

②電氣特性。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進(jìn)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。

③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。

④規(guī)程特性。它定義了信號線進(jìn)行二進(jìn)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。15第十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三2、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)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)。

(1)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。16第十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三無線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可以穿過建筑物，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確的對準(zhǔn)。17第十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三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r的增大而急劇減小，大致為1/r3。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(fā)動機(jī)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(yuǎn)，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)都有關(guān)于無線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定。18第十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三(2)調(diào)制技術(shù)

調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)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，稱為基帶信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘?，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(jìn)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。19第十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三調(diào)制技術(shù)通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化。解調(diào)是將基帶信號從載波中提取出來以便預(yù)定的接收者(信宿)處理和理解的過程。20第二十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三

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。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)制和數(shù)字調(diào)制。

21第二十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三模擬調(diào)制是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字基帶信號對高頻載波的某一參量進(jìn)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)。22第二十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三根據(jù)原始信號所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制（AmplitudeModulation,AM）、頻率調(diào)制（FrequencyModulation,FM）和相位調(diào)制（PhaseModulation,PM）。當(dāng)數(shù)字調(diào)制信號為二進(jìn)制矩形全占空脈沖序列時，由于該序列只存在“有電”和“無電”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、調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱為幅移鍵控(AmplitudeShiftKeying,ASK)、頻移鍵控(FrequencyShiftKeying,FSK)和相移鍵控(PhaseShiftKeying,PSK)。23第二十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三20世紀(jì)80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，因而目前在無線通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制方法是頻率鍵控和相位鍵控。24第二十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三(3)擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，定義如下：是一種信息傳輸方式，其信號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)展是通過一個獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(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)。25第二十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三擴(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(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)；跳頻(FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSS)；跳時(TimeHoppingSpreadSpectrum,THSS)；寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻(chirpSpreadSpectrum,chirp-SS，簡稱切普擴(kuò)頻)。26第二十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三擴(kuò)頻通信與一般無線通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，而在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)。

擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率;抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低;隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小;可以實(shí)現(xiàn)碼分多址;抗多徑干擾;能精確地定時和測距;適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務(wù);安裝簡便，易于維護(hù)。27第二十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn)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(diǎn)。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是成本和功耗，因而物理層的設(shè)計(jì)對整個網(wǎng)絡(luò)的成功運(yùn)行來說是至關(guān)重要的。

采用了不適宜的調(diào)制方式、工作頻帶和編碼方案，即使設(shè)計(jì)出的網(wǎng)絡(luò)能夠勉強(qiáng)完成預(yù)定的功能，也未必滿足推廣應(yīng)用所需的成本和電池壽命方面的要求。28第二十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn)

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、紅外線和光波三種類型。無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療”(Industrial，ScientificandMedical,ISM)頻段。ISM頻段的優(yōu)點(diǎn)：自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。ISM頻段的缺點(diǎn)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。29第二十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過其它方式實(shí)現(xiàn)通信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。30第三十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三調(diào)制是無線通信系統(tǒng)的重要技術(shù)，它使得信號與信道匹配，增強(qiáng)電波的有效輻射，可以方便頻率分配、減小信號干擾；擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可進(jìn)行多址通信，安全性強(qiáng)，難以被敵方竊聽；對于傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)和擴(kuò)頻機(jī)制是實(shí)現(xiàn)可靠通信傳輸?shù)年P(guān)鍵。31第三十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三物理層設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題

調(diào)制機(jī)制：低能耗和低成本的特點(diǎn)要求調(diào)制機(jī)制盡量設(shè)計(jì)簡單，使得能量消耗最低。但另一方面無線通信本身的不可靠性，傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無線設(shè)備之間的無線電干擾，以及具體應(yīng)用的特殊需要使得調(diào)制機(jī)制必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力。與上層協(xié)議結(jié)合的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)：物理層位于協(xié)議最底層，是整個協(xié)議棧的基礎(chǔ)。它的設(shè)計(jì)對各上層內(nèi)容的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的影響，而跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)是傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。硬件設(shè)計(jì)：在傳感器網(wǎng)絡(luò)的整個協(xié)議棧中，物理層與硬件的關(guān)系最為密切，微型化、低功耗、低成本的傳感器單元、處理器單元和通信單元的有機(jī)集成是非常必要的。32第三十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三3.1.2傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì)1、傳輸介質(zhì)目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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?yàn)镮SM頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。33第三十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三ISM頻段的主要優(yōu)點(diǎn)ISM是自由頻段，可用頻帶寬，并且在全球范圍內(nèi)都具有可用性；沒有特定的標(biāo)準(zhǔn)，給設(shè)計(jì)適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能策略帶來了更多的設(shè)計(jì)靈活性和空間。ISM頻段存在一些使用上的問題，例如功率限制以及與現(xiàn)有的其他無線電應(yīng)用之間存在相互干擾等。34第三十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三ISM可用頻段35第三十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(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)是無須注冊，并且抗干擾能力強(qiáng)。

紅外通信的主要缺點(diǎn)是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致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。36第三十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三

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。另外，一些傳感器節(jié)點(diǎn)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)點(diǎn)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(jī)制。37第三十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三2、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4，用于收發(fā)器進(jìn)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，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7位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHY負(fù)載的長度，因此它的后續(xù)PHY負(fù)載的長度不會超過127個字節(jié)。物理幀PHY的負(fù)載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHYServiceDataUnite,PSDU)，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDU域是物理層的載荷

。38第三十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三3、物理層設(shè)計(jì)技術(shù)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：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(kuò)頻技術(shù)。②提高數(shù)據(jù)傳輸速率可減少數(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。39第三十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三在低速無線個域網(wǎng)(LR-PAN)的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在868MHz、915MHz、2.4GHz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(kuò)頻方式。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，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Chipcon公司的CC2430\CC2450無線通信芯片。40第四十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，現(xiàn)有的物理層設(shè)計(jì)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433～464MHz、902～928MHz和2.4～2.5GHz的ISM波段。41第四十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三3.2MAC協(xié)議3.2.1MAC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。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可能有多個節(jié)點(diǎn)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(fèi)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(jì)介質(zhì)訪問控制(MediumAccessControl，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)。42第四十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC協(xié)議決定著無線信道的使用方式，用來在傳感器結(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。MAC協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對網(wǎng)絡(luò)性能有較大影響，是保證傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。43第四十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三傳感器結(jié)點(diǎn)的能量、存儲、計(jì)算和通信帶寬等資源有限，單個結(jié)點(diǎn)的功能比較弱，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的豐富功能是由眾多結(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)的；多點(diǎn)通信在局部范圍需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)相互之間的無線信道分配，在設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)義時，需要著重考慮以下幾個問題：44第四十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三節(jié)省能量：結(jié)點(diǎn)一般以干電池等提供能量，能量通常難以補(bǔ)充，為長時間保證網(wǎng)絡(luò)有效工作，MAC協(xié)議在滿足應(yīng)用要求前提下，應(yīng)盡量節(jié)省使用結(jié)點(diǎn)的能量?？蓴U(kuò)展性：傳感器結(jié)點(diǎn)數(shù)目、分布密度等在網(wǎng)絡(luò)生存過程中不斷變化，結(jié)點(diǎn)位置也可能移動，還有新結(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的問題，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動態(tài)性。MAC協(xié)議應(yīng)具有可擴(kuò)展性，適應(yīng)動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)效率：網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和帶寬利用率等。上述問題重要性依次遞減。由于傳感器結(jié)點(diǎn)本身不能自動補(bǔ)充能量或能量補(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)的首要考慮因素。45第四十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的差異傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點(diǎn)能連續(xù)獲得能量供應(yīng)，整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)的變化范圍和變化頻率都比較小，MAC協(xié)議重點(diǎn)考慮結(jié)點(diǎn)使用帶寬的公平性，提高帶寬的利用率和增加網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議所注重的因素不同，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計(jì)適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。46第四十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)無線通信模塊的狀態(tài)發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、偵聽狀態(tài)和睡眠狀態(tài)；單位時間內(nèi)消耗能量按照上述順序依次減少，無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)消耗能量最多，在睡眠狀態(tài)消耗能量最少，接收狀態(tài)和偵聽狀態(tài)下的能量消耗稍小于發(fā)送狀態(tài)。47第四十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議無線信道使用策略為減少能量消耗，采用“偵聽/睡眠”交替策略，有數(shù)據(jù)收發(fā)時，開啟通信模塊進(jìn)行發(fā)送或偵聽；沒有數(shù)據(jù)需要收發(fā)，控制通信模塊進(jìn)入睡眠狀態(tài)，減少空閑偵聽造成的能量消耗。為使結(jié)點(diǎn)睡眠時不錯過發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，或減少結(jié)點(diǎn)的過度偵聽，結(jié)點(diǎn)間需協(xié)調(diào)它們的偵聽和睡眠周期。采用基于競爭的MAC協(xié)議，要考慮發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞的可能，根據(jù)信道使用信息調(diào)整發(fā)送時機(jī)。MAC協(xié)議應(yīng)簡單高效，避免協(xié)議本身開銷大、消耗過多能量。

48第四十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三(1)采用分布式控制還是集中控制；(2)使用單一共享信道還是多個信道；(3)采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式。傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議可以按照下列條件進(jìn)行分類：49第四十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三本書根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為以下三種：

(1)時分復(fù)用無競爭接入方式。無線信道時分復(fù)用(TDMA)方式給每個傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無線信道使用時段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。50第五十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三

(2)隨機(jī)競爭接入方式。如果采用無線信道的隨機(jī)競爭接入方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機(jī)使用無線信道，盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問(CSMA)的MAC協(xié)議。51第五十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三(3)競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過混合采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無沖突的無線信道分配。52第五十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三基于競爭的隨機(jī)訪問MAC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(diǎn)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)送成功或放棄發(fā)送。53第五十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三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)接入方式。在無線局域網(wǎng)IEEE802.11MAC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(CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的典型代表。54第五十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三

CSMA/CA機(jī)制：在信號傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽介質(zhì)中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機(jī)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(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程。

55第五十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三Atransmitsdataframe(a)DataFrameDataFrameABCCtransmitsdataframe&collideswithAatB(b)Csensesmedium,stationAishiddenfromCDataFrameBCA隱匿終端

B能收到A和C的信號，但C因距A遠(yuǎn)，收不到A的信號，對C而言，A是”隱匿的終端”，偵聽不到A的信號

NewMAC:CSMAwithCollisionAvoidanceCSMA/CAA和C發(fā)送的信號將在B處沖突，但C收不到A的信號，因而不能檢測出沖突56第五十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三CSMA/CA

載波偵聽/沖突避免如何解決“隱匿終端問題RTSArequeststosendBC(a)CTSCTSABCBannouncesAoktosend(b)DataFrameAsendsBCremainsquiet(c)A發(fā)RTS請求發(fā)送B發(fā)CTS允許A發(fā)送

A發(fā)數(shù)據(jù)幀C能夠收到CTS，因而保持靜默57第五十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三在IEEE802.11MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種MAC協(xié)議。58第五十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三3.2.2IEEE802.11MAC協(xié)議IEEE802.11MAC協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能(DistributedCoordinationFunction,DCF)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(PointCoordinationFunction，PCF)兩種訪問控制方式，其中DCF方式是IEEE802.11協(xié)議的基本訪問控制方式。59第五十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三由于無線信道中難以檢測到信號的碰撞，只能采用隨機(jī)退避的方式來減少數(shù)據(jù)碰撞的概率;在DCF工作方式下，結(jié)點(diǎn)偵聽到無線信道忙之后，采用CSMA／CA機(jī)制和隨機(jī)退避時間，實(shí)現(xiàn)無線信道的共享;定向通信采用立即的主動確認(rèn)(ACK幀)機(jī)制，如果沒有收到ACK幀，發(fā)送方會重傳數(shù)據(jù)。60第六十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三在DCF工作方式下，載波偵聽機(jī)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。61第六十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三IEEE802.11MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔(InterFrameSpace，IFS)，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級：

（1）SIFS(shortIFS)：最短幀間間隔。

（2）PIFS(PCFIFS)：PCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。（3）DIFS(DCFIFS)：DCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間問隔。62第六十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三根據(jù)CSMA/CA協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)立即開始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點(diǎn)始終偵聽信道，直到信道的空閑時間超過DIFS。當(dāng)信道最終空閑下來的時候，節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步使用二進(jìn)制退避算法，進(jìn)入退避狀態(tài)來避免發(fā)生碰撞。63第六十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三隨機(jī)退避時間按下面公式進(jìn)行計(jì)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(jī)整數(shù)；CW是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，它的數(shù)值位于標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)時間等。64第六十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計(jì)時器，當(dāng)計(jì)時達(dá)到退避時間后結(jié)束退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當(dāng)檢測到信道空閑時才進(jìn)行計(jì)時。如果信道忙，退避計(jì)時器中止計(jì)時，直到檢測到信道空閑時間大于DIFS后才繼續(xù)計(jì)時。當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)推遲且進(jìn)入隨機(jī)退避時，利用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時間的節(jié)點(diǎn)作為競爭優(yōu)勝者。65第六十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三802.11MAC協(xié)議通過立即主動確認(rèn)機(jī)制和預(yù)留機(jī)制業(yè)提高性能。在主動確認(rèn)機(jī)制中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)送一個應(yīng)答幀(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(diǎn)在發(fā)送ACK過程中不與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用SIFS幀間隔。主動確認(rèn)機(jī)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。66第六十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三3.2.3典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的比較典型的MAC協(xié)議，即S-MAC協(xié)議(SensorMAC)。這種協(xié)議是在802.1lMAC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。S-MAC協(xié)議適用條件：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(jìn)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(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點(diǎn)能耗。67第六十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原因：①空閑監(jiān)聽②數(shù)據(jù)沖突③串?dāng)_④控制開銷68第六十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三①空閑監(jiān)聽如果MAC協(xié)議采用競爭方式使用共享的無線信道，結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，可能引起多個結(jié)點(diǎn)間發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，這就需要重傳發(fā)送。結(jié)點(diǎn)不知道它的鄰居結(jié)點(diǎn)在何時會向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，因而通信模塊始終處于接收狀態(tài)，從而消耗無用的能量。69第六十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三②數(shù)據(jù)沖突鄰居結(jié)點(diǎn)同時向同一結(jié)點(diǎn)發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，信號相互干擾，導(dǎo)致接收方無法準(zhǔn)確接收，重發(fā)數(shù)據(jù)行為造成了能量浪費(fèi)。70第七十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三③串?dāng)_網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)會接收和處理無關(guān)的數(shù)據(jù)，這種串音現(xiàn)象造成結(jié)點(diǎn)的無線接收模塊和處理器模塊消耗較多的能量。71第七十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三④控制開銷控制報文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗了結(jié)點(diǎn)能量。如果控制消息過多，將消耗較多的網(wǎng)絡(luò)能量。72第七十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三S-MAC機(jī)制針對碰撞重傳、串音、空閑偵聽和控制消息等可能造成較多能耗的因素S-MAC采用如下機(jī)制：周期性偵聽／睡眠的低占空比工作方式，控制結(jié)點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)來降低結(jié)點(diǎn)能量的消耗；鄰居結(jié)點(diǎn)通過協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機(jī)制形成虛擬簇，減少結(jié)點(diǎn)的空閑偵聽時間；通過流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制，減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲；采用帶內(nèi)信令來減少重傳和避免偵聽不必要的數(shù)據(jù)；通過消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來減少控制消息的開銷和消息的傳遞延遲。73第七十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三（1）周期性偵聽和睡眠機(jī)制

S-MAC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/睡眠階段的持續(xù)時間根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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。74第七十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三為減少能量消耗，結(jié)點(diǎn)盡量處于低功耗的睡眠狀態(tài)；每個結(jié)點(diǎn)獨(dú)立地調(diào)度它的工作狀態(tài)，周期性地轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，在蘇醒后偵聽信道，判斷是否需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；為了便于相互通信，相鄰結(jié)點(diǎn)之間應(yīng)該盡量維持睡眠／偵聽調(diào)度周期的同步。

75第七十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三各結(jié)點(diǎn)用SYNC消息通告自己的調(diào)度信息，同時維護(hù)一個調(diào)度表，保存所有相鄰結(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息；結(jié)點(diǎn)啟動工作時，先偵聽一段固定長度時間，如在這段偵聽時間內(nèi)收到其他結(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息，則將它的調(diào)度周期設(shè)置為與鄰居結(jié)點(diǎn)相同，并在等待一段隨機(jī)時間后廣播它的調(diào)度信息；結(jié)點(diǎn)收到多個鄰居結(jié)點(diǎn)的不同調(diào)度信息時，可選擇第一個收到的調(diào)度信息，并記錄收到的所有調(diào)度信息；結(jié)點(diǎn)在偵聽時間內(nèi)沒有收到其他結(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息，則產(chǎn)生自己的調(diào)度周期并廣播。76第七十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生和通告自己的調(diào)度后，如果收到鄰居的不同調(diào)度，下面分兩種情況進(jìn)行處理：如沒有收到過與自己調(diào)度相同的鄰居的通告，則采納鄰居的調(diào)度，丟棄自己生成的調(diào)度；如果結(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到過與自己調(diào)度相同的其他鄰居的通告，則在調(diào)度表中記錄該調(diào)度信息，以便能夠與非同步的相鄰結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。77第七十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三具有相同調(diào)度的節(jié)點(diǎn)形成一個所謂的虛擬簇，邊界節(jié)點(diǎn)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，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得S-MAC協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性。

為了適應(yīng)新加入節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)要定期廣播自己的調(diào)度信息，使新節(jié)點(diǎn)可以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步。如果節(jié)點(diǎn)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)度區(qū)域重合部分的節(jié)點(diǎn)，那么這個節(jié)點(diǎn)可以選擇先收到的調(diào)度，并記錄另一個調(diào)度信息。78第七十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三（2）流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采用多跳通信進(jìn)行組網(wǎng)，而結(jié)點(diǎn)的周期性睡眠會導(dǎo)致通信延遲的累加。S-MAC協(xié)議采用了流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制，減少通信延遲的累加效應(yīng)。79第七十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制基本思想在一次通信過程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居在通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時間。如果節(jié)點(diǎn)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。80第八十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三（3）沖突和串音避免機(jī)制

為減少沖突和避免串音，S-MAC協(xié)議采用與802.11MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機(jī)制，以及RTS/CTS握手交互機(jī)制。兩者的區(qū)別在于當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)處于通信過程時，執(zhí)行S-MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

每個結(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，都要先進(jìn)行載波偵聽。只有虛擬或物理載波偵聽表示無線信道空閑時，才可以競爭通信過程。81第八十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三（4）消息傳遞機(jī)制

S-MAC協(xié)議采用了消息傳遞機(jī)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。消息傳遞機(jī)制根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手機(jī)制預(yù)約這個長消息發(fā)送的時間，集中連續(xù)發(fā)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(fā)送的成功率。82第八十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三S-MAC與IEEE802.11MAC協(xié)議的差異S-MAC協(xié)議的RTS／CTS控制消息和數(shù)據(jù)消息攜帶的時間是整個長消息傳輸?shù)氖Ｓ鄷r間;其他結(jié)點(diǎn)只要接收到一個消息，就能夠知道整個長消息的剩余時間，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)直至長消息發(fā)送完成。83第八十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三S-MAC與IEEE802.11MAC協(xié)議的差異IEEE802.11MAC協(xié)議考慮了網(wǎng)絡(luò)的公平性，RTS／CTS只預(yù)約下一個發(fā)送短消息的時間;其他結(jié)點(diǎn)在每個短消息發(fā)送完成后都不必醒來進(jìn)入偵聽狀態(tài);只要發(fā)送方?jīng)]有收到某個短消息的應(yīng)答，連接就會斷開，其他結(jié)點(diǎn)就可以開始競爭信道的使用權(quán)。84第八十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三3.3路由協(xié)議3.3.1路由協(xié)議概述路由選擇是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息的行為，并且信息至少通過一個中間節(jié)點(diǎn)。路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它包括兩個功能：

①尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑；

②將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。85第八十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：（1）能量優(yōu)先（2）基于局部拓?fù)湫畔ⅲ?）以數(shù)據(jù)為中心（4）應(yīng)用相關(guān)86第八十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三（1）能量優(yōu)先由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量非常有限，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的一個重要目標(biāo)便是延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間，因此必須考慮節(jié)點(diǎn)的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問題。87第八十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三（2）基于局部拓?fù)湫畔榱吮M量節(jié)省通信能量，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議通常采用多跳的通信模式，而網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目通常較多，節(jié)點(diǎn)資源有限，使得節(jié)點(diǎn)無法存儲大量的路由信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個基本問題就是，如何在節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔⒑湍芰坑邢薜那闆r下，實(shí)現(xiàn)簡單高效的路由機(jī)制。88第八十八頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三（3）以數(shù)據(jù)為中心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的是監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的感知數(shù)據(jù)及其位置，而不是具體由哪個節(jié)點(diǎn)獲取的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包含多個傳感器節(jié)點(diǎn)到少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，按照對感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為中心形成消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。89第八十九頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三（4）應(yīng)用相關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是和應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用環(huán)境千差萬別，數(shù)據(jù)通信模式不同，沒有一個路由機(jī)制能夠適合所有的應(yīng)用；在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時需要針對每一個具體應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)出合適應(yīng)用的特定路由。90第九十頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)路由協(xié)議時，必須滿足如下要求：（1）能量高效（2）可擴(kuò)展性（3）穩(wěn)健性（4）快速收斂性91第九十一頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三1）能量高效傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)最重要的優(yōu)化目標(biāo)是能量高效性，路由過程中不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要針對整個網(wǎng)絡(luò)的情況選擇使整個網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的路徑。傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制要能夠簡單而且高效地實(shí)現(xiàn)信息傳輸。92第九十二頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三2）可靠性傳感器網(wǎng)絡(luò)中，鏈路穩(wěn)定性難于保證，通信信道質(zhì)量較低，拓?fù)渥兓^頻繁，路由協(xié)議會遇到各種非正?；虿豢深A(yù)料的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，路由器節(jié)點(diǎn)一旦出現(xiàn)故障將可能會影響整個網(wǎng)絡(luò)。好的路由協(xié)議應(yīng)該具備較強(qiáng)可靠性，能夠通過各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測試驗(yàn)證。93第九十三頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三3）快速收斂性傳感器節(jié)點(diǎn)能量和通信帶寬資源有限，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化等這些不確定因素要求路由機(jī)制能夠快速收斂；適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化，減少通信協(xié)議開銷，提高消息傳輸?shù)男省?4第九十四頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三4）數(shù)據(jù)處理技術(shù)為了減少數(shù)據(jù)通信量，轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)過程中經(jīng)常將不同的入口報文融合成數(shù)目更少的出口報文轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳，這就是數(shù)據(jù)融合的基本涵義。采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)意味著路由協(xié)議需要做出相應(yīng)的調(diào)整。95第九十五頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三5）魯棒性能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素造成傳感器節(jié)點(diǎn)的損壞，周圍環(huán)境造成無線鏈路信號干擾以及無線鏈路本身的缺點(diǎn)等這些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不可靠特性要求傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制需要具備一定的容錯能力。96第九十六頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三6）優(yōu)化能力網(wǎng)絡(luò)資源狀況隨時會發(fā)生變化，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議需要具備能夠依據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源狀況選擇最合適路徑的能力。97第九十七頁，共一百零八頁，編輯于2023年，星期三我們從各種應(yīng)用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類：（1）能量感知路由協(xié)議高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個顯著特征。為了強(qiáng)調(diào)高效利用能量的重要性，這里將它們劃分為能量