第二章 无线传感器网络技术关键技术(1)

2.2
1
信道接入技术
无线传感器网络信道接入技术概述
在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：
①能源的有效性 ②可扩展性 ③性能的综合测评
④分布式算法 ⑤可靠性
2.2
1
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的研究，其关键就是设 计出优秀的MAC协议。
针对用户不同的应用需求将传感器网络的MAC协 议分为3个大类。 基于竞争的MAC协议、基于固定分配的MAC协议 以及基于按需分配的MAC协议。
2.8 无线传感器网络时间同步技术 2.9 通信标准
2.1
物理层关键技术
源自文库
前言
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 和规程性的模块叫做物理层。 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 须遵循的底层协议。 物理层的设计是无线传感器网络协议性 能的决定因素。
2.1
物理层相关技术 物理层设计 频率的选择
ISM波段是首要的选择
频率的选择是影响无 线传感器网络性能、 成本的一个重要参数 .
ISM波段在高频和特高频 的频率范围上都有分布， 但信号在不同的频度上传 播特性、功率消耗以及对 器件性能和天线要求却是 有很大区别。
2.1
物理层相关技术 物理层设计
从节点的物理层集成化的角度：虽 在 ISM 13.5MHz ，如果采用对偶天线， 然当前的 CMOS 工艺已经成为主流， 在传输相同的有效距离时，载波频 天线长度为 5.6m，显然要求这么长的 但是对大电感的集成化还是一个非 率越高消耗能量越多 ;并且根据自由 从天线长度的角度 天线很不适合小体积的无线传感器 常大的挑战，随着深亚微米工艺的 空间无线传输损耗理论可以知道， 网络节点；对于 ISM 2.4GHz，其采 从功耗的角度 从节点物理层集成化的角度 进展，更高的频率更易于电感的集 波长越短其传输损耗越大，也就意 用对偶天线，天线长度为 3.1cm，这 成化设计，这对于未来节点的完全 味着高频率需要更大的发射功率来 么高的频率就可以将节点做的很小， SOC设计是有利的，所以频段的选 保证一定的传输距离。 也有利于天线的 MEMS集成。 择是一个非常慎重的问题。
2.1
2
物理层相关技术 电磁波的传播
2.1
2
物理层相关技术
电磁波的传播
2.1
2
物理层相关技术 电磁波的传播
2.1
2
物理层相关技术
电磁波的传播
������
越明亮信号越强
������ 显然自由空间模型不足 以描述全部效应
2.1
2
物理层相关技术 电磁波的传播
2.1
2
物理层相关技术 电磁波的传播
低传输范围和低速率 3
2.1
4
物理层相关技术 通信速率
提高数据传输速率可以减少数据收发时 间，对于节能有一定的好处，但需要同 时考虑提高网络速度对误码的影响。
2.1
物理层相关技术
课程目录
2.1 物理层关键技术 2.2信道接入技术 2.3 无线传感器网络路由 2.4 无线传感器网络拓扑控制技术 物理层关键技术 2.5 无线传感器网络覆盖技术 2.6 无线传感器网络的数据融合技术
2.1
物理层相关技术
物理层的设计目标
以尽可能少的能量消耗 获得较大的链路容量
通信频段
物理层需要考虑的问题
编码调制技术 通信速率
2.1
1
物理层相关技术 频率分配 无线电波的原理
无线电波的定义 无线电波是指在自由 空间全方位传播的射 频频段的电磁波，可 以很容易产生，也可 以穿透建筑物体，因 此被广泛应用于无线 通信中。 导体中电流强弱的改变会产生 无线电波。利用这一现象，通 过调制可以将信息加载到无线 电波之上。当电波通过空间传 播到达收信端，电波引起的电 磁场变化又会在导体中产生电 流，通过调制将信息从电流变 化中提取出来，就达到信息传 递的目的。
2.2
2.
信道接入技术
基于竞争的MAC协议：
CSMA（Carrier Sense Multiple Access）:各节点在发送数据之 前将先对信道进行侦听，然后根据信道的忙闲状 态再决定是否进行发送。 非坚持CSMA:侦听到忙或发现其他节点在发送数据，不再坚持 侦听，根据协议的退避算法延迟一段随机时间再 侦听。 坚持CSMA:节点在侦听到信道忙时，仍坚持侦听，一直侦听到 信道空闲为止（分为1-坚持CSMA和p-坚持 CSMA）
无线传感器网络技术导论
第二章 无线传感器网络关键技术
课程目录
2.1 物理层关键技术 2.2信道接入技术 2.3 无线传感器网络路由 2.4 无线传感器网络拓扑控制技术 物理层关键技术 2.5 无线传感器网络覆盖技术 2.6 无线传感器网络的数据融合技术
2.7 无线传感器网络定位技术
2.8 无线传感器网络时间同步技术 2.9 通信标准
2.2
2.
信道接入技术
基于竞争的MAC协议：
ALOHA（Additive Link On-Line Hawaii System）: 当节点有数据需要发送时，直接向信道发送数据分组。在发 生数据冲突的情况下，各节点将对发生冲突的数据分组进 行重发。 重传策略：等待一段随机时间进行重发，再冲突再等待再重发， 直到发送成功。
引言
无线传感器网络涉及多学科交叉的研究领域， 有非常多的关键技术有待发现和研究： 传感器网络协议负责是各个 网络拓扑控制技术 通过拓扑控制可以自动生成 独立的节点形成一个多跳的 良好的网络拓扑结构，能够 实现基本的安全机制，机密 网络协议（MAC协议，路由协议） 数据传输网络. 提高路由协议和 MAC协议， 性、点到点的消息认证、完 目前研究的重点是网络层的 网络安全 技术 媒体访问控制的效率，可以 整性鉴别、新鲜性、认证广 对多分数据进行综合，去除冗余信息， 协议，也就是路由协议，以 为数据融合、时间同步和目 播和安全管理。 时间同步是需要协同工作的 时间同步技术 使得基于能量受限的情况下，减少传 及数据链路层协议，也就是 定位机制必须满足自组织性， 标定位等很多方面奠定基础， 一个关键机制。 输的数据量，这样可以有效节省能量。 MAC媒体访问控制协议。 定位技术 健壮性、能量高效以及分布式 有利于节省节点能量来延长 但是它也牺牲了其他性能，延迟的代 网络的生存期。 计算等要求。在 WSN定位过程中， 路由协议决定监测信息的传 价，鲁棒性的代价。 数据管理和融合技术通常会采用三边测量法、三角 WSN需要的无线通信技术是要求 输路径，而MAC用来构建底 低功耗、低成本。 以数据库的方法在传感器网络中进行 测量法或极大似然估计法确定 无线通信技术（通信标准） 层的基础结构，控制传感器 数据管理。但是不同于传统的分布式 节点位置。 节点的通信过程和工作模式。 应用层技术（面向应用的软件系统等） 数据库，WSN节点上基本上是以数据 应用层的研究主要是各种传感器网络应用
2.4～2.5GHz 5.725～5.875GHz 24～24.25GHz 全球WPAN/WLAN 全球WPAN/WLAN
2.1
1
物理层相关技术 频率分配
频率的选择直接决定无线传感 器网络节点的天线尺寸、电感 的集成度以及节点功耗，对于 无线传感器网络来说，必须根 据实际应用场合来决定。
频段的选择
2.2
2.
信道接入技术
基于竞争的MAC协议：
CSMA/CD（CSMA with Collision Detection）:发送数据前，先监 听信道是否空闲；若空闲，则立即发送数据；在发 送数据时，边发送边继续监听；若监听到冲突，则 立即停止发送数据，等待一段随机时间，再重新尝 试。
控制规程：侦听、发送、检测、冲突处理
抗干扰性能强 带宽极宽 消耗电能小 保密性好 发送功率非常小
2.1
3
物理层相关技术 调制与解调
分 类 成 本 功 耗 抗干扰能力 抗背景噪声能力 同步难易度 频谱利用率 多播能力 3 2 1 2 3 2 1
3种编码调制技术性能比较
窄 带 4 5 5 5 5 2 4 3 扩 频 3 4 4 4 2 2 5 4 UWB
2.7 无线传感器网络定位技术
2.8 无线传感器网络时间同步技术 2.9 通信标准
无线传感器网络协议栈
数据链路层——Data Link Layer
2.2
信道接入技术
无线传感器网络特征
2.2
1
信道接入技术
无线传感器网络信道接入技术概述
目前，对大多数传感器硬件平台而言，无线通信 模块是传感器节点能量的主要消耗者，而MAC子 层直接与物理层连接，所以MAC协议节能效率的 好坏将严重影响网络的生命周期。
2.1
物理层相关技术
物理层的设计目标
以尽可能少的能量消耗 获得较大的链路容量
通信频段
物理层需要考虑的问题
编码调制技术 通信速率
2.1
3
物理层相关技术 调制与解调
2.1
3
物理层相关技术 调制与解调 编码调制技术
⑴窄带调制技术
常见的编码调制技术
⑵扩频调制技术 ⑶超宽带UWB调制技术
2.1
3
物理层相关技术 调制与解调 窄带调制技术
2.2
2.
信道接入技术
基于竞争的MAC协议：
2.2
2.
信道接入技术
基于竞争的MAC协议
CSMA/CA（CSMA with Collision Avoidance）： 为了避免冲突的发生,在发送端和接收端引入了一种 握手(Hand-Shake)机制。 主要思想：送出数据前，先送一段小小的请求传送封 包（RTS : Request to Send）給目标端，等待目标 端回应封包(CTS: Clear to Send)後，才开始传送.
流的形式，所以需要的是数据流管理 系统的开发和多任务之间的协调。这其实 系统。 就是应用相关性。
课程目录
2.1 物理层关键技术 2.2信道接入技术 2.3 无线传感器网络路由 2.4 无线传感器网络拓扑控制技术 物理层关键技术 2.5 无线传感器网络覆盖技术 2.6 无线传感器网络的数据融合技术
2.7 无线传感器网络定位技术
2.2
2.
信道接入技术
基于竞争的MAC协议
基本思想：传感器节点发送数据时，以某种竞争机 制访问无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按 照某种策略重新发送数据，直到数据发送成功或放弃 发送。 典型代表 ������ ALOHA,CSMA,CSMA/CD 带冲突检测（避免）的载波侦听多路访问CSMA/CA (Carrier Sense, Multiple Access with collision avoidance) ������ S-MAC、T-MAC、P-MAC、Sift
2.1
物理层关键技术 物理层关键技术 无线传感器网络物理层： 信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收
物理层必须要考虑的问题：
传输媒体和频率的选择 载波频率的产生 信号的调制、解调、检测和数据加密等 硬件和各种电气与机械接口的设计问题
无线传感器网络物理层设计主要挑战： 确定调制方式、收发机的体系结构，是决定节点大小 、成本以及能耗的关键环节。
2.1
3
物理层相关技术 调制与解调 扩频调制技术

发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽 收端采用与发端相同的扩频码进行相关解调和解扩，恢复所传信息数据。

常用的包括跳频，直接序列扩频等等
符号
C = B log2 (1+ S/N)
d i（t） C i（t） y i（t） y r（t） C i（t） d r（t）
码片
扩频
+1 -1 +1 -1 +1 -1
+1 -1 +1 -1 +1 -1
解扩频
2.1
3
物理层相关技术 调制与解调
超宽带UWB调制技术
UWB (Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至 微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据 。通过在较宽的频谱上传 送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百 Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。
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物理层相关技术 频率分配
2.1
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物理层相关技术 频率分配
2.1
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物理层相关技术 频率分配
ISM频段 ISM波段一些频率及说明
频 率
26.957～27.283MHz
说 明
（Industrial- Scientific-Medical）频段是 13.553ISM ～15.567MHz
指特别为工业、科学、医学应用而保留的 频率范围。 40.66～40.70MHz ISM频段是对所有无线电系统都开放的频 433～464MHz 欧洲标准 段，发射功率要求在 1W以下，无需任何 许可证。 902～928MHz 美国标准