第二章物理层及信道接入技术

1、课程目录课程目录2.12.12.22.2 物理层相关技术物理层相关技术 信道接入技术信道接入技术 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4标准标准2.32.32.42.4 ZigBee ZigBee标准标准2.12.1物理层相关技术物理层相关技术前言前言 在无线传感器网络中，物理层在无线传感器网络中，物理层是数据传输的最底层，向下直接是数据传输的最底层，向下直接与传输介质相连，物理层协议是与传输介质相连，物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵各种网络设备进行互联时必须遵循的底层协议。循的底层协议。 物理层的设计是无线传感器网物理层的设计是无线传感器网络协议性能的络协议性能的决定

2、因素决定因素。 2.12.1物理层相关技术物理层相关技术频率分配频率分配物理层设计物理层设计2.1.12.1.12.1.22.1.22.12.1物理层相关技术物理层相关技术频率分配频率分配导体中电流强弱的改变会产导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，生无线电波。利用这一现象，通过调制可以将信息加载到通过调制可以将信息加载到无线电波之上。当电波通过无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导引起的电磁场变化又会在导体中产生电流，通过调制将体中产生电流，通过调制将信息从电流变化中提取出来，信息从电流变化中提取出来，就达到信息传递的目的

3、。就达到信息传递的目的。2.1.12.1.1无线电波的定义无线电波的定义无线电波是指在自由无线电波是指在自由空间全方位传播的射空间全方位传播的射频频段的电磁波，可频频段的电磁波，可以很容易产生，也可以很容易产生，也可以穿透建筑物体，因以穿透建筑物体，因此被广泛应用于无线此被广泛应用于无线通信中。通信中。无线电波无线电波的的原理原理2.12.1物理层相关技术物理层相关技术频率分配频率分配ISMISM（Industrial- Scientific-MedicalIndustrial- Scientific-Medical）频段是）频段是指特别为工业、科学、医学应用而保留的指特别为工业、科学、医学应

4、用而保留的频率范围。频率范围。ISMISM频段是对所有无线电系统都开放的频频段是对所有无线电系统都开放的频段，发射功率要求在段，发射功率要求在1W1W以下，无需任何以下，无需任何许可证。许可证。 ISM ISM频段频段频 率说 明13.55315.567MHz26.95727.283MHz40.6640.70MHz433464MHz欧洲标准902928MHz美国标准2.42.5GHz全球WPAN/WLAN5.7255.875GHz全球WPAN/WLAN2424.25GHzISMISM波段一些频率及说明波段一些频率及说明2.1.12.1.12.12.1物理层相关技术物理层相关技术频率分配频率分配

5、2.1.12.1.1频段的选择频段的选择频率的选择频率的选择直接决定直接决定无线传感无线传感器网络节点的无线尺寸、电感器网络节点的无线尺寸、电感的集成度以及节点功耗，对于的集成度以及节点功耗，对于无线传感器网络来说，必须根无线传感器网络来说，必须根据实际应用场合来决定。据实际应用场合来决定。2.12.1物理层相关技术物理层相关技术频率分配频率分配物理层设计物理层设计2.1.12.1.12.1.22.1.22.12.1物理层相关技术物理层相关技术物理层设计物理层设计2.1.22.1.2物理层的设计目标物理层的设计目标以尽可能少的能量消耗以尽可能少的能量消耗获得较大的链路容量获得较大的链路容量物理

6、层需要考虑的问题物理层需要考虑的问题编码调制技术编码调制技术通信速率通信速率通信频段通信频段2.12.1物理层相关技术物理层相关技术物理层设计物理层设计分 类 窄 带扩 频UWB成 本343功 耗254低传输范围和低速率354抗干扰能力154抗背景噪声能力252同步难易度322频谱利用率245多播能力134编码调制技术编码调制技术1 13 3种编码调制技术性能比较种编码调制技术性能比较常见的编码调制技常见的编码调制技术术窄带调制技术窄带调制技术扩频调制技术扩频调制技术超宽带超宽带UWBUWB调制技术调制技术2.1.22.1.22.12.1物理层相关技术物理层相关技术 物理层设计物理层设计提高数

7、据传输速率可以减少数提高数据传输速率可以减少数据收发时间，对于节能有一定据收发时间，对于节能有一定的好处，但需要同时考虑提高的好处，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。网络速度对误码的影响。通信速率通信速率2 22.1.22.1.22.12.1物理层相关技术物理层相关技术 物理层设计物理层设计通信频率的选择通信频率的选择3 32.1.22.1.2ISMISM波段是首要的选择波段是首要的选择ISMISM波段在高频和特高频波段在高频和特高频的频率范围上都有分布，的频率范围上都有分布，但信号在不同的频度上但信号在不同的频度上传传播特性播特性、功率消耗功率消耗以及对以及对器件性能器件性能和和天线天

8、线要求却是要求却是有很大区别。有很大区别。 频率的选择是影响无频率的选择是影响无线传感器网络性能、线传感器网络性能、成本的一个重要参数成本的一个重要参数. .2.12.1物理层相关技术物理层相关技术 物理层设计物理层设计2.1.22.1.2从天线长度的角度从天线长度的角度从功耗的角度从功耗的角度从节点物理层集成化的角度从节点物理层集成化的角度在在ISM 13.5MHzISM 13.5MHz，如果采用对偶天线，如果采用对偶天线，天线长度为天线长度为5.6m5.6m，显然要求这么长，显然要求这么长的天线很不适合小体积的无线传感的天线很不适合小体积的无线传感器网络节点；对于器网络节点；对于ISM 2

9、.4GHzISM 2.4GHz，其，其采用对偶天线，天线长度为采用对偶天线，天线长度为3.1cm3.1cm，这么高的频率就可以将节点做的很这么高的频率就可以将节点做的很小，也有利于天线的小，也有利于天线的MEMSMEMS集成。集成。 在传输相同的有效距离时，载波频在传输相同的有效距离时，载波频率越高消耗能量越多率越高消耗能量越多;并且根据自由并且根据自由空间无线传输损耗理论可以知道，空间无线传输损耗理论可以知道，波长越短其传输损耗越大，也就意波长越短其传输损耗越大，也就意味着高频率需要更大的发射功率来味着高频率需要更大的发射功率来保证一定的传输距离。保证一定的传输距离。 从节点的物理层集成化的

10、角度：虽从节点的物理层集成化的角度：虽然当前的然当前的CMOSCMOS工艺已经成为主流，工艺已经成为主流，但是对大电感的集成化还是一个非但是对大电感的集成化还是一个非常大的挑战，随着深亚微米工艺的常大的挑战，随着深亚微米工艺的进展，更高的频率更易于电感的集进展，更高的频率更易于电感的集成化设计，这对于未来节点的完全成化设计，这对于未来节点的完全SOCSOC设计是有利的，所以频段的选设计是有利的，所以频段的选择是一个非常慎重的问题。择是一个非常慎重的问题。 课程目录课程目录2.12.12.22.2 物理层相关技术物理层相关技术 信道接入技术信道接入技术 IEEE 802.15.4 IEEE 80

11、2.15.4标准标准2.32.32.42.4 ZigBee ZigBee标准标准2.22.2信道接入技术信道接入技术无线传感器网络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术面临的挑战无线传感器网络信道接入技术面临的挑战2.2.12.2.12.2.22.2.22.2.32.2.32.2.42.2.42.2.52.2.52.22.2信道接入技术信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述目前，对大多

12、数传感器硬件平台而言，目前，对大多数传感器硬件平台而言，无线通信无线通信模块模块是传感器节点能量的主要消耗者，而是传感器节点能量的主要消耗者，而MACMAC子子层直接与物理层连接，所以层直接与物理层连接，所以MACMAC协议节能效率的协议节能效率的好坏将严重影响网络的生命周期好坏将严重影响网络的生命周期。在设计无线传感器网络的在设计无线传感器网络的MACMAC协议时，需要着重协议时，需要着重考虑以下几个方面：考虑以下几个方面：能源的有效性能源的有效性可扩展性可扩展性可靠性可靠性分布式算法分布式算法性能的综合测评性能的综合测评2.2.12.2.12.22.2信道接入技术信道接入技术 无线传感器网

13、络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述小小结结无线传感器网络信道接入的研究，其无线传感器网络信道接入的研究，其关键关键就是设计出优秀的就是设计出优秀的MACMAC协议。本协议。本书针对用户不同的应用需求将传感器书针对用户不同的应用需求将传感器网络的网络的MACMAC协议分为协议分为3 3个个大类。大类。2.2.12.2.12.22.2信道接入技术信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述1 12.2.12.2.1基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议即节点在需要发送数据时采用某种机制即节点在需要发送数据时采用某种机制随机的使用无线信道，这就要求在设计

14、随机的使用无线信道，这就要求在设计的时候必须要考虑到如果发送的数据发的时候必须要考虑到如果发送的数据发生冲突，采用何种冲突避免策略来重发，生冲突，采用何种冲突避免策略来重发，直到所有重要的数据都能成功发送出去。直到所有重要的数据都能成功发送出去。2.22.2信道接入技术信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述2 22.2.12.2.1基于固定分配的基于固定分配的MACMAC协议协议即节点发送数据的时刻和持续时间是按即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行，这样以来就照协议规定的标准来执行，这样以来就避免了冲突，不需要担心数据在信道中避免了冲突，

15、不需要担心数据在信道中发生碰撞所造成的丢包问题。目前比较发生碰撞所造成的丢包问题。目前比较成熟的机制是时分复用（成熟的机制是时分复用（TDMATDMA）。）。 2.22.2信道接入技术信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述3 32.2.12.2.1基于按需分配的基于按需分配的MACMAC协议协议即根据节点在网络中所承担数据量的大即根据节点在网络中所承担数据量的大小来决定其占用信道的时间，目前主要小来决定其占用信道的时间，目前主要有点协调和无线令牌环控制协议两种方有点协调和无线令牌环控制协议两种方式。式。 2.22.2信道接入技术信道接入技术无线传感器网络信道

16、接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术面临的挑战无线传感器网络信道接入技术面临的挑战2.2.12.2.12.2.22.2.22.2.32.2.32.2.42.2.42.2.52.2.52.22.2信道接入技术信道接入技术 基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术IEEE 802.11 MAC协议协议 1 1 IEEE 802.11 MACIEEE 802.11 MAC协议有协议有 分布式协调分布式协调（DCFDCF）和和

17、点协调点协调（PCFPCF）两种访问控制方式。两种访问控制方式。适用范围：适用范围：PCFPCF通过访问接入点来协调节点的数据收发，通过访问接入点来协调节点的数据收发，通过设置好的一定间隔时间查询当前哪些节点有数据发送通过设置好的一定间隔时间查询当前哪些节点有数据发送的请求，的请求， PCFPCF是一种基于优先级的无竞争访问，显然是一种基于优先级的无竞争访问，显然CSMA/CACSMA/CA协议不会采用此种控制方式；协议不会采用此种控制方式；DCFDCF是通过是通过物理载波侦听物理载波侦听和和虚拟载波侦听虚拟载波侦听来确定无线信道来确定无线信道的状态，其中物理载波侦听由物理层提供，而虚拟载波侦

18、的状态，其中物理载波侦听由物理层提供，而虚拟载波侦听由听由MACMAC层提供。层提供。2.2.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术 基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术IEEE 802.11 MAC协议协议 1 1图2-1 CSMA/CA中的虚拟载波侦听2.2.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术S-MAC协议协议 2 2S-MACS-MAC协议采用以下协议采用以下机制机制: : S-MAC S-MAC协议引入了周期性侦听协议引入了周期性侦听/ /睡眠的低占空比机睡眠的低占空比机制，通过控制节点的睡眠降低能量消耗。制，

19、通过控制节点的睡眠降低能量消耗。 S-MAC S-MAC协议沿用协议沿用IEEE802.11IEEE802.11的的RTS/CTSRTS/CTS机制降低碰机制降低碰撞几率。撞几率。 通过网络分配矢量避免串音现象。通过网络分配矢量避免串音现象。 将长消息分割为若干段消息并集中突发传送，减少将长消息分割为若干段消息并集中突发传送，减少协议控制消息的开销。协议控制消息的开销。 S-MACS-MAC协议将时间分为若干帧，每帧包括同步阶段、协议将时间分为若干帧，每帧包括同步阶段、活动阶段和睡眠阶段。活动阶段和睡眠阶段。2.2.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术基于竞争的信道接入技术基于竞争

20、的信道接入技术S-MAC协议协议 2 2图图2-2 S-MAC2-2 S-MAC协议的基本机制协议的基本机制2.2.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术 基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术S-MAC协议协议 2 2优点优点 : : 实现简单，减少了空闲监听时间，避免了传实现简单，减少了空闲监听时间，避免了传输碰撞和串音现象，减少了协议控制开销，节省了输碰撞和串音现象，减少了协议控制开销，节省了能量开销能量开销 。缺点：由于周期性睡眠的原因，缺点：由于周期性睡眠的原因，S-MAC协议数据的协议数据的延迟较大，在不同的网络负载下，尤其是负载波动延迟较大，在不同的网络负载下，尤

21、其是负载波动剧烈的情况下算法的效率将降低。剧烈的情况下算法的效率将降低。2.2.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术 基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术S-MAC协议协议 2 2S-MACS-MAC协议实现的关键技术如下协议实现的关键技术如下 ：（1 1）数据包的嵌套结构）数据包的嵌套结构 （2 2）堆栈结构和功能）堆栈结构和功能（3 3）选择和维护调度表）选择和维护调度表（4 4）时间同步）时间同步（5 5）带冲突避免的载波侦听多路访问）带冲突避免的载波侦听多路访问（6 6）网络分配矢量）网络分配矢量2.2.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术 基于竞争的信

22、道接入技术基于竞争的信道接入技术T-MAC协议协议 3 3图2-3 T-MAC协议的基本机制2.2.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术 基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术T-MAC协议协议 3 3图2-4 T-MAC中基本的数据交换2.2.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术 基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术T-MAC协议协议 3 3T-MAC协议提出了两种方法解决早睡问题。第一种称为未来请求发送（FRTS）,还有一种解决早睡问题的方法称作满缓冲区优先（Full Buffer Priority）。图2-5 T-MAC中早睡问题的两种解决方案2.2

23、.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术 基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术SiftSift协议协议 4 4设计目标对于检测到事件的对于检测到事件的N N个节点，使其中个节点，使其中R R个个节点能在最短的时间内无冲突成功发送节点能在最短的时间内无冲突成功发送出事件监测消息，而抑制剩余出事件监测消息，而抑制剩余N-RN-R个节点个节点的消息发送。的消息发送。2.2.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术 基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术SiftSift协议协议 4 4工作原理SiftSift协议使用了协议使用了CWCW（竞争窗口长度）值固定（竞争窗口长

24、度）值固定的窗口，的窗口，选择合适的选择合适的发送概率分布发送概率分布，为不同的时隙在整个竞，为不同的时隙在整个竞争节点集中筛选出一个发送节点。争节点集中筛选出一个发送节点。节点选择在第节点选择在第r r个时隙发送数据的概率个时隙发送数据的概率P Pr r为：为： r=1,CW r=1,CW (1)1 CWrrCWP2.2.22.2.22.22.2信道接入技术信道接入技术 基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术2.2.22.2.2基于竞争的基于竞争的MACMAC协议的显著协议的显著优点优点是：是：协议的协议的简明性简明性和和可扩展性可扩展性。缺点缺点：由于没有像基于预约的：由于没有像基于

25、预约的MACMAC协协议那样使用某种机制对信道利用情况议那样使用某种机制对信道利用情况进行均衡，所以进行均衡，所以公平性公平性就成为它的一就成为它的一个问题个问题。2.22.2信道接入技术信道接入技术无线传感器网络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术面临的挑战无线传感器网络信道接入技术面临的挑战2.2.12.2.12.2.22.2.22.2.32.2.32.2.42.2.42.2.52.2.52.22.2信道接入技术信

26、道接入技术 基于固定分配的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术TDMATDMA技术技术CDMACDMA技术技术FDMAFDMA技术技术SDMASDMA技术技术相比随机竞争接入机制，时分复用相比随机竞争接入机制，时分复用方式的优点：更能节省能量，因为方式的优点：更能节省能量，因为省去了竞争机制的碰撞重传问题；省去了竞争机制的碰撞重传问题；缺点：它需要严格的时间同步，并缺点：它需要严格的时间同步，并且通常用在拓扑结构不变的网络，且通常用在拓扑结构不变的网络，它不能很好地处理传感器节点移动它不能很好地处理传感器节点移动和节点失效的情况，因此在网络扩和节点失效的情况，因此在网络扩展性方面存在严重不足

27、。展性方面存在严重不足。2.2.32.2.32.22.2信道接入技术信道接入技术 基于固定分配的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术基于TDMA的传感器网络MAC协议:2.2.32.2.3（1 1）DEANADEANA协议协议（2 2）TRAMATRAMA协议协议（3 3）DMACDMAC协议协议2.22.2信道接入技术信道接入技术 基于固定分配的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术 CDMA CDMA技术技术图图2-9 2-9 向一个睡眠节点发送数据的信号时序过程向一个睡眠节点发送数据的信号时序过程2.2.32.2.32.22.2信道接入技术信道接入技术 基于固定分配的信道接入技术基于固

28、定分配的信道接入技术 FDMA FDMA技术技术为了充分利用信道的带宽，从而提出了信道的为了充分利用信道的带宽，从而提出了信道的频分复用的概念。频分复用系统的频分复用的概念。频分复用系统的最大优点最大优点是信是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。 频分复用系统的频分复用系统的主要缺点主要缺点是设备生产比较复杂是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。性而产生路间干扰。2.2.32.2.32.22.2信道接入技术信道接入技术 基于固定分配的信道接入技术基于固定分配的信

29、道接入技术 SDMA SDMA技术技术SDMASDMA是一种信道增容的方式，可以实现频是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，充分利用频率资源。空分多率的重复使用，充分利用频率资源。空分多址还可以和其他多址方式相互兼容，从而实址还可以和其他多址方式相互兼容，从而实现组合的多址技术。现组合的多址技术。在由中国提出的第三代移动通信标准在由中国提出的第三代移动通信标准TD-TD-SCDMASCDMA中就应用了中就应用了SDMASDMA技术；此外在卫星技术；此外在卫星通信中也有人提出应用通信中也有人提出应用SDMASDMA。2.2.32.2.32.22.2信道接入技术信道接入技术无线传感器网络信

30、道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术面临的挑战无线传感器网络信道接入技术面临的挑战2.2.12.2.12.2.22.2.22.2.32.2.32.2.42.2.42.2.52.2.52.22.2信道接入技术信道接入技术 按需分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术1 1PCFPCF方式方式2 2WTRPWTRP方式方式图图2-10 IEEE 802.11 MAC2-10 IEEE 802.11 MAC层协议结构层协议结构

31、2.2.42.2.42.22.2信道接入技术信道接入技术无线传感器网络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述基于竞争的信道接入技术基于竞争的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术面临的挑战无线传感器网络信道接入技术面临的挑战2.2.12.2.12.2.22.2.22.2.32.2.32.2.42.2.42.2.52.2.52.22.2信道接入技术信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术面临的挑战无线传感器网络信道接入技术面临的挑战 能量有效性和网络性能有效性的平衡能量有效性和网络性能有效性的平衡 优化的跨层设计优化的跨层设计 提供提供QoSQoS（Quality of ServiceQuality of Service）支持）支持 安全性安全性 实时性实时性2.2.52.2.5课程目录课程目录2.12.12.22.2 物理层相关技术物