第三章 传感器网络通信与组网技术

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图 3-A2MA调M图制图器图模图型图
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频率调制
常用调制方法
20世纪80年代以来，人们十分重视调制技术在无线通 信系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性更 好的数字调制方式。由于振幅键控信号的抗噪声性能不 够理想，因而目前在无线通信中广泛应用的调制方法是 频率键控和相位键控。
10～1万米
音频电话、长距离导航、时标
5 低频(LF) 6 中频(MF) 7 高频(HF)
30～300kHz 300～3000kHz
3～30MHz
长波 中波 短波
10～1千米 1000～100米
100～10米
船舶通信、信标、导航
广播、船舶通信、飞行通信、船港电 话
短波广播、军事通信
8 甚高频(VHF) 30～300MHz
2.4GHz频段为各国共同的ISM频段。因此无线局域网，蓝牙，ZigBee等无 线网络，均可工作在2.4GHz频段上
ISM频段的优缺点
优点 自由频段 无须注册 可选频谱范围大 实现起来灵活方便
缺点 功率受限 与现有多种无线通信应用存在相互干扰
物理层的设计：传输介质
目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红 外线和光波等。
扩频技术
扩频又称为扩展频谱
它的定义如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信 号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频 带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制 的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的 码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。
扩频技术优点
抗干扰性能好 隐蔽性强、干扰小：因信号在很宽的频带上被扩展，则单位带
无线传感器网络物理层的特点
目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波、红 外线和光波三种类型。
无线电波的通信限制较少，通常人们选择“工业、科学和 医疗”(Industrial，Scientific and Medical, ISM)频段。
尽管传感器网络可以通过其它方式实现通信，譬如 各种电磁波（如红外）、声波，但无线电波是当前 传感器网络的主流通信方式，在很多领域得到了广 泛应用。
帧头(start-of-framedelimiter)SFD字段,标示一个物理帧的开始。
帧长度（frame length）由一个字节的低7位表示。
其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127 个字节。物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元（PHY service data unite,PSDU），一般承载MAC帧。
物理层的设计：载波频段
在低速无线个域网(LR-PAN)的802.15.4标准中，定义的物理层 是在868MHz、915MHz、2.4GHz三个载波频段收发数据。
窄带调制、扩频调制及UWB的技术比较
下表是窄带调制技术、扩频调制技术以及UWB技术的技术比较： 各自性能的优劣等级划分为5（最好）至1（最差）
分类 成本 功耗 低传输范围和低速率 抗干扰能力 抗背景噪声能力 同步难以度 频谱利用率 多播能力
窄带
UWB
3
4
2
5
3
5
1
5
2
5
3
2
2
4
1
3
扩频 3 4 4 4 2 2 5 4
电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时， 线路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距 离限制。
功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和 确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定 时线和地线。
规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一 组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。
种类 无线电波 微波
红外线 可见光 紫外线 X射线 伽玛射线
波长
3000米～ 0.3毫米
0.1～ 100厘米
0.3毫米～ 0.7微米～ 0.4微米～ 0.75微米 0.4微米 10毫微米
10毫微 米～
0.1毫微 米
0.1毫微 米～
0.001毫微 米
应用
通信
遥控、 微波炉、 热成像仪、 卫星通信 红外制导导
第 3 章 传感器网络的通信与组网技术
3 Sept. 2008 © Neusoft Confidential
前言
本章从原理的角度介绍无线传感网中网络数据传输所涉及到的物理层 规范、MAC层规范及路由协议。
一、物理层
物理层的基本概念
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上 传输数据的比特流。
调制技术分类
根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为 模拟调制 数字调制
模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参 量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变 化而变化。
数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参 量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变 化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字 制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制 技术。
米波
10～1米
电视、调频广播、雷达、导航
9 特高频(UHF) 300～3000MHz 分米波
10～1分米
电视、雷达、移动通信
10 超高频(SHF) 11 极高频(EHF)
3～30GHz 30～300GHz
厘料波 微波
毫米波
10～1厘米 10～1毫米
雷达、中继、卫星通信 射电天文、卫星通信、雷达
12 至高频
ISM频段
ISM(Industrial Scientific Medical) Band，是由ITU-R （国际通信 联盟无线电通信局）定义的。 此频段主要是开放给工业，科 学、医学，三个主要机构使用 ，属于Free License，无需授权 许可，只需要遵守一定的发射 功率(一般低于1W)，并且不要 对其它频段造成干扰即可。
在无线电频率选择方面，ISM频段是一个很好的选择。因为 ISM频段在大多数国家属于无须注册的公用频段。
物理层的设计：传输介质
无线传感器网络节点之间通信的另一种手段是红外技术。 红外通信优点
无须注册 抗干扰能力强 红外通信缺点 穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。
这导致了红外难以成为无线传感器网络的 主流传输介质，而只能在一些特殊场合得 到应用。
特殊场合的传输介质
对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对通信传输介 质可能有特别的要求。
舰船应用可能要求使用水性传输介质，譬如能穿透水面的长波。 复杂地形和战场应用会遇到信道不可靠和严重干扰等问题。 一些传感器节点的天线可能在高度和发射功率方面比不上周围的其
它无线设备，为了保证这些低发射功率的传感器网络节点正常完成 通信任务，要求所选择的传输介质能支持健壮的编码和调制机制。
所以上述数字信号的调幅、调频、调相分别又被称为 幅移键控(Amplitude Shift Keying, ASK)、 频移键控(Frequency Shift Keying, FSK)、 相移键控(Phase Shift Keying, PSK)
幅度调制
f (t)
0
t
A0 f (t)
f (t)
＋
物理层的设计：物理层帧结构
802.15.4定义的物理层帧结构是普遍使用的一种物理层帧结构
4 字节 1 字节
1 字节
可变长度
前导码 帧头 帧长度(7 比特) 保留位 PSDU
同步头
帧的长度，最大为 128 字节 PHY 负载
物理帧的第一个字段是前导码，其字节数一般取4。
收发器在接收前导码期间会根据前导码序列的特征完成片同步和符 号同步，当然字节数越多同步可靠性越好，但需要更多的能量消耗。
宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声 之中，别人难于发现信号的存在，再加之不知扩频编码，就更 难拾取有用信号。而极低的功率谱密度，也很少对其它电讯设 备构成干扰。 易于实现码分多址 数模兼容：可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。
扩频系统的缺点
系统用频带宽 技术更复杂
扩频技术按照工作方式划分
物理层的设计
物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题。 编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结构和 功率等一系列的技术参数。比较常见的编码调制技术包括幅 移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术。 提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于节能具有 意义，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用 单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单比特 能耗越小越好
无线电波的传播特性与频率相关。 如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能 量随着与信号源距离r的增大而急剧减小，大致为1/r3。 如果采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡 的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。
由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需 要关注的问题，所以每个国家和地区都有关于无线频率管制 方面的使用授权规定。
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调制方法
幅度调制（Amplitude Modulation, AM） 频率调制（Frequency Modulation, FM） 相位调制（Phase Modulation, PM）
当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲序列时，由 于该序列只存在“有电”和“无电”两种状态，因而可以 采用电键控制，被称为键控信号。
弹
医用消毒， 验证假钞， 观察事物 测量距离， 工程上的探
伤
CT照相
治疗
无线电波优点
无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物， 因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。
无线电波是全方向传播信号的，它能向任意方向发送无线 信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精 确的对准。
无线电波缺点
直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) 跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) 跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS) 宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称
物理层的定义如下：物理层为建立、维护和释放数据链路 实体之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电 气的、功能的和规程性的特性。
物理层的主要功能：
为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传 送数据的通路。
传输数据。
其他管理工作。
物理接口的四个特性
机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形 状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。
无线通信物理层的主要技术
介质的选择 频段的选择 调制技术 扩频技术
介质和频段选择
无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无 线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波 长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波 和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛
不同波长电磁波应用场合
无线电波频率划分
序号 频段名称 频段范围(含上限) 波段名称 波长范围(含上限)
主要用途
1 极低频(ELF)
3～30Hz
极长波
100～10兆米
2 超低频(SLF) 30～300Hz
超长波
10～1兆米
3 特低频(ULF) 300～3000Hz
特长波
100～10万米
4 甚低频(VLF)
3～30kHz
甚长波
300～3000GHz 丝米波
10～1丝米
调制技术
调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。 信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬
移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频 附近开始，具有低通形式。
基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对 基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通 常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。
切普扩频)
直接序列扩频和跳频扩频是当前使用最广的两种方式， 例如IEEE802.15.4定义的物理层中采用的就是直接序列 扩频，蓝牙物理层协议中使用的则是跳频扩频，下面主 要介绍这两种扩频方式。
UWB通信技术
超宽带（Ultra Wide Band：UWB）无线通信技术 是近年来备受青睐的短距离无线通信技术之一， 由于其具有高传输速率、非常高的时间和空间分 辨率、低功耗、保密性好、低成本及易于集成等 特点，被认为是未来短距离高数据通信最具潜力 的技术。依据FCC对UWB的定义，UWB信号带宽 应大于500MHz或相对带宽大于 0.25。