无线传感器网络技术ppt课件
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无线传感器网络PPT课件
• 数据链路层（MAC层协议）
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。 怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
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网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技 术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能 目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享 介质的访问
第12页/共36页
第21页/共36页
管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
第22页/共36页
4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所 采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
第4页/共36页
无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
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数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。 怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
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网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技 术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能 目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享 介质的访问
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管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
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4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所 采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
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无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
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数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列
无线传感网络精品PPT课件
Arduino核心库函数和系统库 函数
• void setup()//初始化配置函数，在main函数中首先 被执行，只执行一次
• void loop()//无限循环函数 • delay()//延迟函数 • ……
Zigduino基础实验
• 通用数字IO口点亮LED • 串口的使用 • ADC口光敏传感器控制 • 外部中断点亮LED • 定时器的使用 • 1602型LCD的应用
无线传感网络(WSN)
无线传感网络关键词
英文：Wireless Sensors Networking •传感 •无线网络
概念
• 无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世 界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备 位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线 通信方式形成的一个多跳自组织网络。
下载程序后，LED红 灯亮了。然后你用黑
• pinMode(1,INPUT); //配置1号数字引脚为输入模式
色导线的
• void loop() •{ • if (digitalRead(1))
就可以发现灯灭了， 因为3号引脚读取的 电平是低电平。（默 //读取1号引脚的电平判断是否为高电平 认情况下管脚输入的
digitalWrite(3,HIGH); delay(1000);//延时1000ms digitalWrite(3,LOW); delay(1000);
怎么理解delay( )函数？就好像 一个要走路的人在原地踏步！
MCU一旦上电，根本停不下来
Arduino包含的以下数字IO口库函数
• void pinMode(uint8_t pin, uint8_t mode)：设置管脚的方向， pin表示管脚的序号,mode表示方向，只能取INPUT，OUTPUT 两个值,如下面的代码把管脚10设成输入：
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件
2020/12/11
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多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
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安全性差
由于采用了无线信道、分布式控制等技术， 网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻 击。
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网络管理平台
拓扑控制：拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为 它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议，降低能耗。 服务质量管理：服务质量（QoS）管理在各个协议层设计队列管理、 优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。 能量管理：每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系 统进行能量分配决策。 安全管理：传统安全机制无法使用。采用扩频通信、接入认证/鉴权、 数字水印和数据加密等技术。 移动管理：监测和控制节点的移动，维护到汇聚节点的路由，还可以 使传感器节点跟踪它的邻居。 网络管理：对无线传感器网络上的设备及传输系统进行有效监视、控 制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息 接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协 议组件的运行。
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应用支撑平台
包括一系列基于监测任务的应用层软件， 通过应用服务接口和网络管理接口来为终 端用户提供各种具体应用的支持： 时间同步 定位 应用服务接口 网络管理接口
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无线传感器网络的研究进展
无线传感器网络的发展历程 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络所面临的挑战
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无线传感器网络技术原理及应用第6章ppt课件
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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3. MC1322X系列 MC13224是MC1322X系列的典型代表，是飞思卡尔公 司研发的第三代Zigbee解决方案。它集成了完整低功耗 2.4GHz无线电收发器，基于32位ARM7核的MCU，是高密 度低元件数IEEE802.15.4综合解决方案，能实现点对点连 接和完整的Zigbee网状网络。 MC13224支持国际802.15.4标准以及ZigBee、 ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准，提供了优秀的接收器灵 敏度和健壮的抗干扰性，具有多种供电模式，以及一套常 用的外设集(包括2个高速UART、12位ADC和64个通用 GPIO、4个定时器、I2C等)。
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2) 时钟和电源管理 数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电。另外， CC253X系列芯片包括一个电源管理功能，可以实现使用不 同供电模式，用于延长电池的寿命，有利于低功耗运行。 3) 外设 CC253X系列芯片有许多不同的外设，允许应用程序设 计者开发先进的应用。这些外设包括调试接口、I/O控制器、 两个8位的定时器、一个16位的定时器、一个MAC定时器、 ADC和AES协处理器、看门狗电路、两个串口和USB(仅限 于CC2531)。
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6.2 应用系统组成
Zigbee是一种短距离的无线通信技术，其应用系统由 硬件和软件组成。本节将详细讲解比较常见的Zigbee芯片 及Zigbee协议栈。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第2章
8表21频段划分及主要用途频段符号频率波段波长传播特性主要用途甚低频vlf330khz超长波10010km空间波为主对潜通信低频lf30300khz长波101km地波为主对潜通信中频mf033mhz中波1000100m地波与天波通用业务无线电广播高频hf330mhz短波10010m天波与地波远距离短波通信甚高频vhf30300mhz米波101m空间波空间飞行器通信超高频uhf033ghz分米波101m空间波微波通信特高频shf330ghz厘米波101cm空间波卫星通信极高频ehf30300ghz毫米波101mm空间波波导通信9无线传感器网络在频段的选择上也必须按照相关的规定来使用
11 尽管频段的选择由很多因素决定，但对于无线传感器
网络来说，必须根据实际应用场合来选择。因为频率的选
择决定了无线传感器网络节点的天线尺寸、电感的集成度 以及节点功耗。
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2.3 通信信道
信道是信号传输的媒质。通信信道包括有线信道和无
线信道。有线信道包括同轴电缆、光纤等。无线信道是无 线通信发送端和接收端之间通路的形象说法，它以电磁波
S (t ) A(t )sin[2πf (t ) (t )]
(2-11)
34 式中，正弦波S(t)为载波，基于正弦波的调制技术即对其参
数幅度A(t)、频率f (t)和相位进行相应的调整，分别对应调
制方式的幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。 由于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及2。
1 m d 10 m 20lg d d 20 30lg 10 m d 20 m 10 L Lfs d 29 60lg 20 m d 40 m 20 47 120lg d d 40 m 40
11 尽管频段的选择由很多因素决定，但对于无线传感器
网络来说，必须根据实际应用场合来选择。因为频率的选
择决定了无线传感器网络节点的天线尺寸、电感的集成度 以及节点功耗。
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2.3 通信信道
信道是信号传输的媒质。通信信道包括有线信道和无
线信道。有线信道包括同轴电缆、光纤等。无线信道是无 线通信发送端和接收端之间通路的形象说法，它以电磁波
S (t ) A(t )sin[2πf (t ) (t )]
(2-11)
34 式中，正弦波S(t)为载波，基于正弦波的调制技术即对其参
数幅度A(t)、频率f (t)和相位进行相应的调整，分别对应调
制方式的幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。 由于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及2。
1 m d 10 m 20lg d d 20 30lg 10 m d 20 m 10 L Lfs d 29 60lg 20 m d 40 m 20 47 120lg d d 40 m 40
《无线传感器网络》课件
能耗问题
总结词
无线传感器网络的能耗问题是制约其发展的 关键因素之一。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常由电池供 电，而电池寿命有限，因此如何降低能耗， 延长节点寿命是亟待解决的问题。此外，在 某些应用场景中，频繁更换电池或充电会给
维护带来困难和成本增加。
标准化问题
总结词
无线传感器网络的标准化问题涉及到不同厂商和应用 的互操作性问题。
开发工具包括硬件开发工具和软件 开发工具，硬件开发工具用于开发 传感器节点硬件电路板，软件开发 工具用于编写、调试和测试应用程 序代码。
03
无线传感器网络的通信协议
MAC协议
信道分配
MAC协议负责无线信道的分配，确保节点 间的通信不会发生冲突。
能量效率
MAC协议应考虑能量效率，避免过多的空 闲监听和数据重传。
动态环境适应性
路由协议应能适应网络拓扑的变化和 节点的动态加入/离开。
能量感知协议
能量管理
能量感知协议旨在有效地管理节点的能量，延长网络的生命周期。
节能技术
采用诸如功率控制、休眠机制等节能技术来降低能耗。
负载均衡
通过均衡节点的负载来降低能耗，避免某些节点过早耗尽能量。
能量预测
利用历史数据预测节点的剩余能量，优化路由和任务分配。
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无线传感器网络的挑战与展望
安全性问题
总结词
无线传感器网络面临多种安全威胁，如数据 窃取、恶意攻击、篡改等。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常部署在无 人值守的环境中，因此容易受到攻击者的窃 听、干扰和恶意篡改。攻击者可能通过截获 节点间的通信数据，获取敏感信息，或者对 网络进行破坏，导致网络瘫痪或数据传输错 误。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.5 传输层
2.5 传输层 2.5.1 传输层简介
目前，无线传感器网络传输层协议主要在能耗控制、拥塞控制和可靠性保证3个 方向开展研究与设计工作。其中，能耗控制协议又与拥塞控制协议、可靠性保证协 议紧密联系。
① 能耗控制方面。无线传感器网络的节点能量有限，网络的运行以节能控制为 首要考虑因素。
② 拥塞控制方面。在无线传感器网络中，事件发生区域中的节点监测到相关信 息后传输至汇聚节点，由于网络的分布特征，可能存在多个节点感知信息，都发往 一个汇聚节点，即形成“多对一”的传输模式。
无线传感器网络自身存在资源受限等特性，使得传统的TCP/IP协议不能直接应用 于无线传感器网络，而应根据无线传感器网络的具体应用需求、网络自身的特性与条 件来设计相应的协议，主要体现在以下几个方面。
① 无线传感器网络中节点的能量是有限的，过多的能耗会影响网络的生命周期。
② 无线传感器网络一般使用的是分布式、密集型的覆盖方式，无线传感器网络以 数据为中心，为减少数据量，节点具备一定的数据处理能力。
③ 无线传感器网络存在不稳定情况，网络拓扑结构的变化会影响TCP/IP协议的握 手机制。
④ 在无线传感器网络中，虽然传输层协议具备拥塞控制的能力，但通信质量、拓 扑结构变化等非拥塞情况也会造成丢包现象。
⑤ 无线传感器网络在大规模应用中，节点需要处理好自身与邻居节点之间的通信 即可。
无线传感器网络与物联网通信技术
针对不同的传输层协议设计与网络应用需求，一些简单的拥塞控制处理方式分为拥 塞信息反馈机制和传输路由切换机制。其中，拥塞信息反馈机制是接收节点检测到拥塞 之后，向它的发送节点发送一个包含拥塞控制信息的数据包，告知发送节点减缓甚至停 止发送数据包；传输路由切换机制是当前节点检测到拥塞之后，重新选择一条优化的路 径来传输数据，从而减少了当前节点的数据流，待拥塞缓解或消除之后，可再恢复先前 路径来继续传输数据。
无线传感器网络技术第1章基础PPT课件
设置了高频通讯的若干寄存器，将高频通讯的处理，
简化为对寄存器的简单读、写操作处理。
对这些寄存器进行读、写操作，就可以轻松完成无线 通讯功能。
2020/10/31
江苏大学 机械学院 仪器系
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无线数据通讯和无线单片机发展背景
➢ 未来嵌入式无线技术市场
短距离/嵌入式无线通讯正在加速产品化，进入我们生活
采用“蓝牙”无线耳机，在美国使用得非常广泛，几乎人手一个 无线键盘和无线鼠标，基本占领了键盘鼠标市场 儿童玩游戏的手柄，已经基本无线化 日本任天堂最新的游戏机采用了带有无线加速度传感器的新手柄。
➢ 短距离无线通讯，目前向两个方面发展：
一是高速度，每秒数据传输量几十/几百M 位。
二是低功耗，一个小小电池，可以用5-10年，象ZIGBEE网络。
➢ 这些发展又在不断地孵化出崭新的应用和产品。
➢ 新标准，新技术，每时每刻都在涌现，我们必须注意跟踪。
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江苏大学 机械学院 仪器系
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江苏大学 机械学院 仪器系
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➢ 学习敢于创新
尝试用学到的单片机和无线通讯的知识，结合各种无 线应用，设计一些自己感兴趣的应用项目。无线单片机应 用范围非常广泛。
用在无线家庭设备，报警设备，遥控设备等。 依据课程的相关电路和软件代码程序，根据自己的应用对象修改设计，
形成新的功能、新的产品。在这个修改、动手设计过程中，会遇到很 多困难，需要解决很多意想不到的难题，克复这些困难，就理解了这 些基本内容的实质。 通过不断地思考-动手-再思考-再创新的循环，就能精通掌握。 也可以通过参加各种竞赛和设计项目，来丰富自己的知识面，加深 对这门课程的理解。
课程重点
无线传感器网络综述(完整版)ppt资料
UC Berkeley承担的Smart Dust工程。
历史以及开展现状〔续〕
1998-2002年DARPA资助，加州大学伯克 利分校等25个机构联合承担的SensIT方案；
1999-2004年间海军研究办公室的SeaWeb 方案等。 国内：
中国的一些研究机构近年开始研究：中国 科学技术大学、清华大学、中科院计算所、上 海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所等 研究单位 。
WSN的特征〔续〕
☆传感器网络的特点：
大规模网络 自组织网络 动态性网络 可靠性网络 应用性相关的网络 以数据为中心的网络
WSN的应用
☆军事上的应用 传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性
强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的 应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播 到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感 网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信 息。 例:传感器网络已经成为美军事C4ISRT系统必 不可少的一局部。
WSN的应用〔续〕
WSN的应用〔续〕
☆建筑物状态监控 利用传感器网络监控建筑物的平安状态。 例：Microstrain在佛蒙特州的一座重载桥梁上 安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器 安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通 过无线网络来采集数据。该无线系统可以保存 在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控 状态 。 〔如图 〕
传感器、感知对象、观察者。
WSN概述〔续〕
影响力 ☆美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来
技术开展报告中将无线传感器网络列为21世纪 最有影响的21项技术和改变世界的10大技术 之一。 ☆传感器网络被列为未来3大高科技产业一。 ☆美国的?技术评论?将无线传感器网络列 为第一项未来新兴技术。 ☆?商业周刊? 预测的未来4大新技术中，无 线传感器网络也列入其中等。
第5章-WSN无线传感器网络安全PPT课件
据。
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5.1 无线传感器网络安全概述
A -> B: NA, {RQST}(Ke,C), {C||{RQST}(Ke,C)}Kmac
B -> A: {RPLY}(Ke,C’), {NA||C’||{RPLY}(Ke,C’)}Kmac
➢ SNEP中节点间的安全通信
A -> B: NA，A B -> S: NA，NB，A，B，{NA||NB||A||B}KBS
.
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5.1 无线传感器网络安全概述
3. 网络层的攻击和防御
• 传感器网络的动态性,因此没有固定的基础结构,所以 每个节点都需要具有路由的功能，更易于受到攻击。
(1) 虚假路由信息
• 通过欺骗,更改和重发路由信息,攻击者可以创建路由 环,吸引或者拒绝网络信息流通量,延长或者缩短路由 路径,形成虚假的错误消息,分割网络,增加端到端的时 延。
（4）真实性。
点到点的消息认证使得在收到另一节点发送来 的消息时，能够确认这个消息确实是从该节点发送 过来的；广播认证主要解决单个节点向一组节点发 送统一通告时的认证安全问题。
.
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5.1 无线传感器网络安全概述
（5）新鲜性。
WSN中由于网络多路径传输延时的不确定性和 恶意节点的重放攻击使得接收方可能收到延后的相 同数据包。新鲜性要求接收方收到的数据包都是最 新的、非重放的，即体现消息的时效性。
验证P1和P2的完整性，利用K2来验证P3的完整性。
.
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5.1 无线传感器网络安全概述
• 基本的流认证协议
P1
P2
Pn
Pn+1
M1
M2
Mn
H(P n)
H(P1)
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5.1 无线传感器网络安全概述
A -> B: NA, {RQST}(Ke,C), {C||{RQST}(Ke,C)}Kmac
B -> A: {RPLY}(Ke,C’), {NA||C’||{RPLY}(Ke,C’)}Kmac
➢ SNEP中节点间的安全通信
A -> B: NA，A B -> S: NA，NB，A，B，{NA||NB||A||B}KBS
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5.1 无线传感器网络安全概述
3. 网络层的攻击和防御
• 传感器网络的动态性,因此没有固定的基础结构,所以 每个节点都需要具有路由的功能，更易于受到攻击。
(1) 虚假路由信息
• 通过欺骗,更改和重发路由信息,攻击者可以创建路由 环,吸引或者拒绝网络信息流通量,延长或者缩短路由 路径,形成虚假的错误消息,分割网络,增加端到端的时 延。
（4）真实性。
点到点的消息认证使得在收到另一节点发送来 的消息时，能够确认这个消息确实是从该节点发送 过来的；广播认证主要解决单个节点向一组节点发 送统一通告时的认证安全问题。
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5.1 无线传感器网络安全概述
（5）新鲜性。
WSN中由于网络多路径传输延时的不确定性和 恶意节点的重放攻击使得接收方可能收到延后的相 同数据包。新鲜性要求接收方收到的数据包都是最 新的、非重放的，即体现消息的时效性。
验证P1和P2的完整性，利用K2来验证P3的完整性。
.
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5.1 无线传感器网络安全概述
• 基本的流认证协议
P1
P2
Pn
Pn+1
M1
M2
Mn
H(P n)
H(P1)
物联网的核心技术-传感器网络幻灯片PPT
成熟，集数据采集、处理，数据传输、
网络的突出特性是具备自组织能力。
通信等一体的无线传感器网络引起了 • 根据网络中节点是否可移动,无线Ad hoc
人们极大的重视。
网络又可分为两类（如图1）: 一类为移
• 目前无线网络可分为两类:其一为有基 础设施网,需要有线连接的固定基站来
动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc Network,简 称MANET),1997年IETF（网络工程任务组）
环境监测
© BLOVUE TOI LAB, All Rights Protected.
无线传感器网络典型应用
空中管制
FLOWERS BY HANDS FLOWERS IN EYES
海洋管制
© BLOVUE TOI LAB, All Rights Protected.
无线传感器网络典型应用
交通监控
无线传感器网络的特征与体系结构 与传统网络相比，传感器网络具有以下特征：
• 节点分布极其稠密且数目很大。 • 传感器网络中节点能量、存储空间及计算能力等资源非常有限，且能量资源等无法补
充。 • 在传感器网络中，传感节点在布置完毕后，除了少数节点需要移动以外，大部分节点
都是静止的。 • 多跳通信。由于低功率射频器件的信号传播范围有限，WSN 应该能支持多跳通信，下
• 物理层（Physical Layer） 无线通讯方式有射频(RF-radio frequency)和红外(IR-infrared)两种。由于红外方式的方向 性限制,使其应用更多的局限在点对点直接通讯,故无线传感器网络倾向于射频通讯。 在通迅频带使用上可参考免申请的ISM（Industrial Security Manual,工业安全手册）（工 业、科学和医疗）开放频段——2.4GHz（全球）、433MHz（欧洲）和917MHz（美国）。 当通讯网络工作在开放频带时也会受到其它外部系统的影响，使用时必须采取抗干扰 （微波炉、802.11b和蓝牙等设备）措施。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.2 物理层
根据基带信号类型不同，可将调制分为模拟调制和数字调制。 模拟调制可分为幅度调制（Amplitude Modulation，AM）、频率调制 （Frequency Modulation，FM）和相位调制（Phase Modulation，PM）。 数字调制可分为幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控 （Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。
基带窄脉冲形式利用宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉冲序列进行通信。一般通过 脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）、脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation， PAM）等调制方式携带信息。窄脉冲可以采用多种波形，如 高斯波形、升余弦波形等。因为脉冲宽度很窄，占空比较小，所以具有很好的多径信道 分辨能力。因为不需要调制载波，所以收发系统结构简单，成本较低且功耗也很低。基 于以上特点，目前采用基带窄脉冲的UWB技术已广泛应用于雷达探测、透视、成像等 领域。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.2 物理层
扩频技术
与常规的窄带通信方式相比，DSSS具有较好的通信性能优势，主要体现在以下3 个方面。
① 抗干扰能力强。输入信息在频谱扩展后形成宽带信号传输，再在接收端通过解扩 恢复成窄带信号，由于干扰信号与扩频码不相关，在进行扩频处理后，通过窄带滤波器 使得干扰信号进入有用频带内的干扰功率得以降低，从而具有更好的抗干扰、抗噪声、 抗多径干扰能力。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.2 物理层 调制技术
为了满足无线传感器组网最大化数据传输速率和最小化符号率的指标 要求，多进制（M-ary）调制机制应用于无线传感器网络。与二进制数字 调制不同的是，M-ary调制利用多进制数字基带信号调制载波信号的幅度、 频率或相位，可形成相应的多进制幅度调制、多进制频率调制和多进制相 位调制。其中，多进制幅度调制可看成开关键控（On-Off Keying，OOK） 方式的推广，可获得较高的传输速率，但抗噪声能力和抗衰落能力较差， 一般适合恒参或接近恒参的信道；多进制频率调制可看成二进制频率键控 方式的推广，其需要占据较宽的频带，信道频率利用率不高，一般适合调 制速率较低的应用场所；多进制相位调制利用载波的多种不同相位或相位 差来表示数字信息。
基带窄脉冲形式利用宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉冲序列进行通信。一般通过 脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）、脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation， PAM）等调制方式携带信息。窄脉冲可以采用多种波形，如 高斯波形、升余弦波形等。因为脉冲宽度很窄，占空比较小，所以具有很好的多径信道 分辨能力。因为不需要调制载波，所以收发系统结构简单，成本较低且功耗也很低。基 于以上特点，目前采用基带窄脉冲的UWB技术已广泛应用于雷达探测、透视、成像等 领域。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.2 物理层
扩频技术
与常规的窄带通信方式相比，DSSS具有较好的通信性能优势，主要体现在以下3 个方面。
① 抗干扰能力强。输入信息在频谱扩展后形成宽带信号传输，再在接收端通过解扩 恢复成窄带信号，由于干扰信号与扩频码不相关，在进行扩频处理后，通过窄带滤波器 使得干扰信号进入有用频带内的干扰功率得以降低，从而具有更好的抗干扰、抗噪声、 抗多径干扰能力。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.2 物理层 调制技术
为了满足无线传感器组网最大化数据传输速率和最小化符号率的指标 要求，多进制（M-ary）调制机制应用于无线传感器网络。与二进制数字 调制不同的是，M-ary调制利用多进制数字基带信号调制载波信号的幅度、 频率或相位，可形成相应的多进制幅度调制、多进制频率调制和多进制相 位调制。其中，多进制幅度调制可看成开关键控（On-Off Keying，OOK） 方式的推广，可获得较高的传输速率，但抗噪声能力和抗衰落能力较差， 一般适合恒参或接近恒参的信道；多进制频率调制可看成二进制频率键控 方式的推广，其需要占据较宽的频带，信道频率利用率不高，一般适合调 制速率较低的应用场所；多进制相位调制利用载波的多种不同相位或相位 差来表示数字信息。
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16.5(在868MHz，0dBm)
17.4（0dBm）
接收模式消耗电流/mA 传输速率/(b/s) 发射功率/dBm
接收机灵敏度/dBm
3.8（115.2kb/s） 1.8(2.4kb/s)
OOK 30k ASK 115.2k
0
-97(115.2kb/s)
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9.6(868MHz) <76.8k -20~10
光波
优点：无需注册 速度快 缺点：LoS传输 干扰 光感设备比较昂贵
红外线
优点：无须注册，并且抗干扰能力强。 缺点：穿透能力差， LoS传输 。
无线电波
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。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。
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模拟调制和数字调制
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。
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数字调制
幅度
频率
相位
通过调节三个参数可以表达信息
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幅度调制 Amplitude shift keying e.g. MICA TR1000
WeC Mote/Medusa /MK-2/iBadge/Mica
mote/EyEs
TR1000
ASK/OOK
916.5M
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Mica2/GAINS
Micaz/Tmote/GAINZ
CC1000
FSK
300M~1000M
2.1~3.6
CC2420
O-QPSK(DS)
2.4G
1.8~3.6
发射模式消耗电流/mA
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无线通信物理层的主要技术
无线通信物理层的主要技术包括介质的选 择、频段的选择、调制技术和扩频技术
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物理层
物理层概述 发送端：频带选择，调制／扩频，帧结构 信道：信号失真-无线信道 接收端：BER 收发器设计
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介质选择
电磁波：无线电波、微波、红外线、光波 声波：水下传感网 常用的有无线电波、红外线和光波
频率调制 Frequency shift keying e.g. MICA2 CC1000
相位调制
Phase shift keying e.g. MICAz CC2420
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扩频技术
信号所占有的频带宽度远大于所传信息所 需要的最小带宽。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。
②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。
③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。
④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。
应用这些频段无需许可证或费用，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。ISM频段在各国的规定并不 统一。
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，另外与现有多种无 线通信应用存在相互干扰问题。
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调制和解调技术
-110(2.4kBaud)
19.7 250k -25~0 -94(2501B
1B
前导码
SFD 帧长度（7位） 保留位
同步头
帧的长度，最大为128B
可变长度 PSDU
PHY负荷
前导码：第一个字段，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 越多同步效果越好，但那需要更多的能量消 耗。
优点：传播距离远、穿透性强、全向天线
缺点：干扰、衰落、不可靠链路；由于无线电波的传输距离较远，无线电波易受发动机和其它电子 设备的干扰；
用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，无.线频率管制方面的使用授权规定
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无线频谱
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通常人们选择“工业、科学和医 疗”(Industrial，Scientific and Medical, ISM)频段。
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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，简称切普扩频)。
物理层
物理层概述 发送端：频带选择，调制／扩频，帧结构 信道：信号失真-无线信道 接收端：BER 收发器设计
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物理层
OSI模型规定：物理层为传输 数据所需要的物理链路创建、 维持、拆除，提供具有机械的， 电子的，功能的和规范的特性。 简单的说，物理层确保原始的 数据可在各种物理媒体上传输。
主要功能
提供传送数据的通路 传输数据 其他管理功能
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PPDU数据
Bit to Symbol Symbol to Chip
Modulator RF信号
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物理接口标准
通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：
①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。
通常信号源的编码信息（即信源）含有直 流分量和频率较低的频率分量，称为基带 信号。
基带信号不适合长距离传输，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。
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模拟调制和数字调制
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。
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扩频优点
易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率
抗干扰性强，误码率低
隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小
可以实现码分多址
抗多径干扰
能精确地定时和测距
适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信 业务
安装简便，易于维护。
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节点名称
射频前端芯片
调制方式
工作频率/Hz 工作电压/V