无线传感器网络基础
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IEEE802参考模型中，数据链路层被进一步分为逻辑 链路控制子层和介质访问控制层（MAC）
主要功能
◦ 决定一个节点什么时候可以访问共享介质 ◦ 解决可能发生在竞争节点的潜在冲突
分类
◦ 无竞争协议 ◦ 有竞争协议
无竞争协议
◦ 固定分配
频分复用（FDMA）同时间分频带 时分复用（TDMA）同频带分帧 码分复用（CDMA）不同的编码形式，同频带上多路通信
端对端拓扑任意两个设备直接通信前跟PAN协调器协商
特点
◦ 不同于大多数MAC协议设计目标基于公平
节点等量资源分配 等优先级访问介质
◦ WSN中由于节点协同完成任务，更关心:
能量效率 可扩展性 适应性
网络的动态变化：拓扑结构、网络规模、节点分布密度和流量 特性的变化做出动态调整
低延迟和可预测性 可靠性
路由问题：找到从传感器到 基站的多跳路径(Ad Hoc)
基站与互联网相连
感知、
板载处理、 通信、存储
数据的采集， 内网分析、 相关性分析、
自身数据与其他 节点数据的融合
节点架构 操作系统 物理层 MAC层 网络层 节点和网络管理
传感器节点硬件 节点硬件与应用程序之间的软件层 点对点无线数字通信 协调节点对共用通信介质访问 寻找数据源到终端设备路径（路由问题） 能量管理、时间同步、定位、安全
备，AP协调信道的访问可以确保通信无碰撞。
◦ IEEE 802.15.4与ZigBee
用于868MHz，915MHz和2.45GHz频段
低功率设备，支持20kbps、40kbps和250kbps的数
据传输率
与11标准（11a高达54Mbps）相比数据传输率较小
适用于星型拓扑和端对端拓扑。
星型拓扑工作方式与蓝牙相似，通信经过个域网（PAN） 协调器；
特征
◦ 存储管理、电源管理、文件管理、网络连接 ◦ 编程环境的工具 ◦ 供用户开发调试执行其子程序、为用户提供进入操作系统敏感
资源的合法入口。
功能
◦ 数据类型、调度、堆栈、系统调用、处理中断、多线程、 基于线程和基于事件的编程、内存分配
非功能
◦ 分离关注点、系统开销、可移植性、动态重编程
操作系统原型：tinyos、sos、contiki、liteos
传感器节点硬件
节点有感知、数据处理、通信和电源子系统构成
传感子系统：传感器直接数据传或者通过数模转换器接 串行外围接口给处理器子系统。
处理器子系统
◦ 数据存储器、程序存储器、数字信号处理器（DSP）、数据总 线、地址总线。
◦ 专用集成电路（ASIC）和可编程门阵列（FPGA）
通信接口：串行外围接口（SPI）与内部集成电路。
“wireless fidelity”( Wi-Fi)确保符合该协议硬件设备之间 兼容性
融合了CSMA/CA和MACAW中的概念。 可用在分布式协调功能（DCF）或点协调功能（PCF）
DCF模式：设备间通信直接是点对点（Ad Hoc模式） PCF模式：设备间通信需要通过接入点（AP）或基站的中央设
无竞争的MAC协议
◦ 基于TDMA系列:流量自适应介质访问（TRAMA）、YMAC、DESYNC-TDMA、LEACH、LMAC、MLMAC
基于竞争的MAC协议
◦ PAMAS、S-MAC、T-MAC、Pattern MAC、路由增强 MAC、数据汇聚MAC、前同步码采样和WiseMAC、接 收端驱动式MAC
◦ 数字调制：幅移键控、频移键控、相移键控 ◦ 正交幅度调制（QAM）
将两个已经调幅好的正交载波信号合并成一个复合信号 相位差是90°独立且正交不会相互影响。
信号传播：在ISM波段中应用
协调节点对共用通信介质访问
网络中大量节点共用一个通信介质传输数据包。介质访 问控制（MAC）协议协调对共用介质的访问
原型机：imote节点、xyz节点与hogtrob节点
节点硬件与应用程序之间的软件层
轻量级软件层，逻辑上位于传感器节点的硬件和应用程 序之间，为应用程序开发人员提供基本的编程环境。
任务
◦ 应用程序与硬件资源交互 ◦ 为任务分配时序和优先级 ◦ 在那些竞争系统资源的应用程序和服务之间进行仲裁。
◦ 动态分配
轮询 令牌传递
竞争协议
◦ ALOHA协议
ACK机制确认广播数据传送的成功
◦ 载波监听多路访问（CSMA）
先监听是否空闲，若空闲以一定概率发包 CSMA/CD（带冲突检测的）
隐藏终端 A-B D-B 暴露终端 C-D A-B 以太网
CSMA/CA（带冲突避免的）
无线局域网
—Theory And Practice
Waltenegus Dargie[德] Christian Poellabauer[美]
最大的制约因素：传感器节点工作时 有限的能量预算。
传感器连接到集中处理站 （基站）
◦ 使用本地局域网 ◦ 通过无线方式
多个传感器协同形成无线传 感器网络
◦ 星型拓扑 ◦ 网状拓扑
混合型MAC协议
信道编码
◦ 目的：产生一个对噪声有很强鲁棒性的数据序列 ◦ Shannon定理：信道无差错传输能力公式
两种误差源：超出信道容量、噪声 失真过程（传输概率）模型化为一个随机过程
◦ 信道矩阵表征
调制：根据调制信号改变载波信号的特性
◦ 优点
调制的信号不太受噪声的影响 有效利用信道的频谱、容易检测信号 通过缩短波长以减少天线的长度。
点对点无线数字通信
点对点无线数字通信
挑战
◦ 有限带宽和传输距离 ◦ 由于干扰、信号衰减和多径衍射导致较差数据包传输性能
基本组成
◦ 发射机、传输信道、接收机
Байду номын сангаас
物理层
数字信号—模拟信号—调制—解调—解码
信源编码：ADC
◦ 采样、量化、编码。 ◦ 主要技术：脉冲编码调制（PCM）和增量调制（DM）
◦ CSMA
CSMA/CA 监听到空闲--等待一个DCF帧间距（DIFS）--等待一个随机退
避时间--使用信道
◦ 带有碰撞避免机制的多路访问（MACA）
发送方发RTS和接收方反馈CTS控制报文 其他节点若监听到则退避等待使用该信道 握手方式 MACAW、MACA-BI
◦ IEEE 802.11: 无线局域网标准
主要功能
◦ 决定一个节点什么时候可以访问共享介质 ◦ 解决可能发生在竞争节点的潜在冲突
分类
◦ 无竞争协议 ◦ 有竞争协议
无竞争协议
◦ 固定分配
频分复用（FDMA）同时间分频带 时分复用（TDMA）同频带分帧 码分复用（CDMA）不同的编码形式，同频带上多路通信
端对端拓扑任意两个设备直接通信前跟PAN协调器协商
特点
◦ 不同于大多数MAC协议设计目标基于公平
节点等量资源分配 等优先级访问介质
◦ WSN中由于节点协同完成任务，更关心:
能量效率 可扩展性 适应性
网络的动态变化：拓扑结构、网络规模、节点分布密度和流量 特性的变化做出动态调整
低延迟和可预测性 可靠性
路由问题：找到从传感器到 基站的多跳路径(Ad Hoc)
基站与互联网相连
感知、
板载处理、 通信、存储
数据的采集， 内网分析、 相关性分析、
自身数据与其他 节点数据的融合
节点架构 操作系统 物理层 MAC层 网络层 节点和网络管理
传感器节点硬件 节点硬件与应用程序之间的软件层 点对点无线数字通信 协调节点对共用通信介质访问 寻找数据源到终端设备路径（路由问题） 能量管理、时间同步、定位、安全
备，AP协调信道的访问可以确保通信无碰撞。
◦ IEEE 802.15.4与ZigBee
用于868MHz，915MHz和2.45GHz频段
低功率设备，支持20kbps、40kbps和250kbps的数
据传输率
与11标准（11a高达54Mbps）相比数据传输率较小
适用于星型拓扑和端对端拓扑。
星型拓扑工作方式与蓝牙相似，通信经过个域网（PAN） 协调器；
特征
◦ 存储管理、电源管理、文件管理、网络连接 ◦ 编程环境的工具 ◦ 供用户开发调试执行其子程序、为用户提供进入操作系统敏感
资源的合法入口。
功能
◦ 数据类型、调度、堆栈、系统调用、处理中断、多线程、 基于线程和基于事件的编程、内存分配
非功能
◦ 分离关注点、系统开销、可移植性、动态重编程
操作系统原型：tinyos、sos、contiki、liteos
传感器节点硬件
节点有感知、数据处理、通信和电源子系统构成
传感子系统：传感器直接数据传或者通过数模转换器接 串行外围接口给处理器子系统。
处理器子系统
◦ 数据存储器、程序存储器、数字信号处理器（DSP）、数据总 线、地址总线。
◦ 专用集成电路（ASIC）和可编程门阵列（FPGA）
通信接口：串行外围接口（SPI）与内部集成电路。
“wireless fidelity”( Wi-Fi)确保符合该协议硬件设备之间 兼容性
融合了CSMA/CA和MACAW中的概念。 可用在分布式协调功能（DCF）或点协调功能（PCF）
DCF模式：设备间通信直接是点对点（Ad Hoc模式） PCF模式：设备间通信需要通过接入点（AP）或基站的中央设
无竞争的MAC协议
◦ 基于TDMA系列:流量自适应介质访问（TRAMA）、YMAC、DESYNC-TDMA、LEACH、LMAC、MLMAC
基于竞争的MAC协议
◦ PAMAS、S-MAC、T-MAC、Pattern MAC、路由增强 MAC、数据汇聚MAC、前同步码采样和WiseMAC、接 收端驱动式MAC
◦ 数字调制：幅移键控、频移键控、相移键控 ◦ 正交幅度调制（QAM）
将两个已经调幅好的正交载波信号合并成一个复合信号 相位差是90°独立且正交不会相互影响。
信号传播：在ISM波段中应用
协调节点对共用通信介质访问
网络中大量节点共用一个通信介质传输数据包。介质访 问控制（MAC）协议协调对共用介质的访问
原型机：imote节点、xyz节点与hogtrob节点
节点硬件与应用程序之间的软件层
轻量级软件层，逻辑上位于传感器节点的硬件和应用程 序之间，为应用程序开发人员提供基本的编程环境。
任务
◦ 应用程序与硬件资源交互 ◦ 为任务分配时序和优先级 ◦ 在那些竞争系统资源的应用程序和服务之间进行仲裁。
◦ 动态分配
轮询 令牌传递
竞争协议
◦ ALOHA协议
ACK机制确认广播数据传送的成功
◦ 载波监听多路访问（CSMA）
先监听是否空闲，若空闲以一定概率发包 CSMA/CD（带冲突检测的）
隐藏终端 A-B D-B 暴露终端 C-D A-B 以太网
CSMA/CA（带冲突避免的）
无线局域网
—Theory And Practice
Waltenegus Dargie[德] Christian Poellabauer[美]
最大的制约因素：传感器节点工作时 有限的能量预算。
传感器连接到集中处理站 （基站）
◦ 使用本地局域网 ◦ 通过无线方式
多个传感器协同形成无线传 感器网络
◦ 星型拓扑 ◦ 网状拓扑
混合型MAC协议
信道编码
◦ 目的：产生一个对噪声有很强鲁棒性的数据序列 ◦ Shannon定理：信道无差错传输能力公式
两种误差源：超出信道容量、噪声 失真过程（传输概率）模型化为一个随机过程
◦ 信道矩阵表征
调制：根据调制信号改变载波信号的特性
◦ 优点
调制的信号不太受噪声的影响 有效利用信道的频谱、容易检测信号 通过缩短波长以减少天线的长度。
点对点无线数字通信
点对点无线数字通信
挑战
◦ 有限带宽和传输距离 ◦ 由于干扰、信号衰减和多径衍射导致较差数据包传输性能
基本组成
◦ 发射机、传输信道、接收机
Байду номын сангаас
物理层
数字信号—模拟信号—调制—解调—解码
信源编码：ADC
◦ 采样、量化、编码。 ◦ 主要技术：脉冲编码调制（PCM）和增量调制（DM）
◦ CSMA
CSMA/CA 监听到空闲--等待一个DCF帧间距（DIFS）--等待一个随机退
避时间--使用信道
◦ 带有碰撞避免机制的多路访问（MACA）
发送方发RTS和接收方反馈CTS控制报文 其他节点若监听到则退避等待使用该信道 握手方式 MACAW、MACA-BI
◦ IEEE 802.11: 无线局域网标准