物理层及信道接入技术
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课程目录
2.1
物理层相关技术
2.2
信道接入技术
2.3
IEEE 802.15.4标准
2.4
ZigBee标准
2.1
物理层相关技术
前言
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
2.1.1
频率分配
2.1.2
物理层设计
2.1
物理层相关技术
2.1.1 频率分配
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。
无线电波的原理
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。
433～4段64M，H发z 射功率要求在欧1洲W标以准下，无需任何
902～9许28M可H证z 。
美国标准
2.4～2.5GHz
全球WPAN/WLAN
5.725～5.875GHz
全球WPAN/WLAN
24～24.25GHz
2.1
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 器网络节点的无线尺寸、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。
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 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， 直到所有重要的数据都能成功发送出去。
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
2 基于固定分配的MAC协议
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 避免了冲突，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 成熟的机制是时分复用（TDMA）。
ห้องสมุดไป่ตู้
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
3 基于按需分配的MAC协议
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 有点协调和无线令牌环控制协议两种方 式。
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
④分布式算法
⑤可靠性
2.2
信道接入技术
2.2.1 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。本书 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。
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
1
基于竞争的MAC协议
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
①能目源前的，有对效大性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
②可层扩直展接性与物理层连接，所以MAC协议节能效率的 好坏将严重影响网络的生命周期。
③性在能设的计综无合线测评传感器网络的MAC协议时，需要着重 考虑以下几个方面：
频段的选择
2.1
物理层相关技术
2.1.1 频率分配 2.1.2 物理层设计
2.1
物理层相关技术
2.1.2 物理层设计 物理层的设计目标
物理层需要考虑的问题
以尽可能少的能量消耗 获得较大的链路容量
编码调制技术 通信速率 通信频段
2.1
2.1.2
物理层相关技术 物理层设计
1 编码调制技术
3种编码调制技术性能比较
2.1
物理层相关技术
2.1.2 物理层设计
3 通信频率的选择
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波段是首要的选择
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
2.1.2 物理层设计
从节点的物理层集成化的角度：虽
从天线长度的角度 从节点物从理功层耗集的成角化度的角度
在率空波味保越证传间长着在天天网用么也然但常进成S择高一输无越高OI线络对高有线S当是大展化是CM消定相线短频的很节偶利长设前对的，设一1耗的同传其率频不点天于度3计的大挑更计个.能传的输传需率适；线天为5是C电战高，非M量输有损输要就合对，线5MH有.感，的这常6O越距效耗损更可小于天的zm利的随频对慎，S，多离以距理耗大体线IM工S的集着率于重如ME显。;将离论越的积 长艺并，M成 深 更 未 的果2然时 可 大 发节的 度已且S.所化 亚 易 来 问采4集要点， 以 ， 射无 为G经根以还 微 于 节 题用成H求做载 知 也 功线3成据频.是 米 电 点 。对z1。这的波 道 就 率传，c为自段一 工 感 的偶m么很感频 ， 意 来其主由，的个 艺 的 完天长小器采流这选非 的 集 全线的，，，
2.1
物理层相关技术
2.1.1 频率分配
ISM频段
ISM波段一些频率及说明
频率
说明
13.553I～S1M5.5（67MInHdzustrial- Scientific-Medical）频段是 26.957指频～2特率7.28别范3M为围Hz工 。业、科学、医学应用而保留的 40.66～IS40M.70频MH段z 是对所有无线电系统都开放的频
课程目录
2.1
物理层相关技术
2.2
信道接入技术
2.3
IEEE 802.15.4标准
2.4
ZigBee标准
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
2.2.2 基于竞争的信道接入技术 2.2.3 基于固定分配的信道接入技术
2.2.4 按需分配的信道接入技术 2.2.5 无线传感器网络信道接入技术面临的挑战
分类
窄带
扩频
UWB
成本
3
功耗
2
⑴窄4带调制技术 3
5
4
常见低传的输编范码围和调低制速技率 术3
⑵扩5频调制技术 4
抗干扰能力
1
抗背景噪声能力 2
5
4
⑶超5宽带UWB调制2技术
同步难易度
3
2
2
频谱利用率
2
4
5
多播能力
1
3
4
2.1
物理层相关技术
2.1.2 物理层设计
2 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
2.2
信道接入技术
2.3
IEEE 802.15.4标准
2.4
ZigBee标准
2.1
物理层相关技术
前言
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
2.1.1
频率分配
2.1.2
物理层设计
2.1
物理层相关技术
2.1.1 频率分配
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。
无线电波的原理
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。
433～4段64M，H发z 射功率要求在欧1洲W标以准下，无需任何
902～9许28M可H证z 。
美国标准
2.4～2.5GHz
全球WPAN/WLAN
5.725～5.875GHz
全球WPAN/WLAN
24～24.25GHz
2.1
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 器网络节点的无线尺寸、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。
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 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， 直到所有重要的数据都能成功发送出去。
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
2 基于固定分配的MAC协议
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 避免了冲突，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 成熟的机制是时分复用（TDMA）。
ห้องสมุดไป่ตู้
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
3 基于按需分配的MAC协议
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 有点协调和无线令牌环控制协议两种方 式。
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
④分布式算法
⑤可靠性
2.2
信道接入技术
2.2.1 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。本书 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。
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
1
基于竞争的MAC协议
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
①能目源前的，有对效大性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
②可层扩直展接性与物理层连接，所以MAC协议节能效率的 好坏将严重影响网络的生命周期。
③性在能设的计综无合线测评传感器网络的MAC协议时，需要着重 考虑以下几个方面：
频段的选择
2.1
物理层相关技术
2.1.1 频率分配 2.1.2 物理层设计
2.1
物理层相关技术
2.1.2 物理层设计 物理层的设计目标
物理层需要考虑的问题
以尽可能少的能量消耗 获得较大的链路容量
编码调制技术 通信速率 通信频段
2.1
2.1.2
物理层相关技术 物理层设计
1 编码调制技术
3种编码调制技术性能比较
2.1
物理层相关技术
2.1.2 物理层设计
3 通信频率的选择
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波段是首要的选择
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
2.1.2 物理层设计
从节点的物理层集成化的角度：虽
从天线长度的角度 从节点物从理功层耗集的成角化度的角度
在率空波味保越证传间长着在天天网用么也然但常进成S择高一输无越高OI线络对高有线S当是大展化是CM消定相线短频的很节偶利长设前对的，设一1耗的同传其率频不点天于度3计的大挑更计个.能传的输传需率适；线天为5是C电战高，非M量输有损输要就合对，线5MH有.感，的这常6O越距效耗损更可小于天的zm利的随频对慎，S，多离以距理耗大体线IM工S的集着率于重如ME显。;将离论越的积 长艺并，M成 深 更 未 的果2然时 可 大 发节的 度已且S.所化 亚 易 来 问采4集要点， 以 ， 射无 为G经根以还 微 于 节 题用成H求做载 知 也 功线3成据频.是 米 电 点 。对z1。这的波 道 就 率传，c为自段一 工 感 的偶m么很感频 ， 意 来其主由，的个 艺 的 完天长小器采流这选非 的 集 全线的，，，
2.1
物理层相关技术
2.1.1 频率分配
ISM频段
ISM波段一些频率及说明
频率
说明
13.553I～S1M5.5（67MInHdzustrial- Scientific-Medical）频段是 26.957指频～2特率7.28别范3M为围Hz工 。业、科学、医学应用而保留的 40.66～IS40M.70频MH段z 是对所有无线电系统都开放的频
课程目录
2.1
物理层相关技术
2.2
信道接入技术
2.3
IEEE 802.15.4标准
2.4
ZigBee标准
2.2
信道接入技术
2.2.1 无线传感器网络信道接入技术概述
2.2.2 基于竞争的信道接入技术 2.2.3 基于固定分配的信道接入技术
2.2.4 按需分配的信道接入技术 2.2.5 无线传感器网络信道接入技术面临的挑战
分类
窄带
扩频
UWB
成本
3
功耗
2
⑴窄4带调制技术 3
5
4
常见低传的输编范码围和调低制速技率 术3
⑵扩5频调制技术 4
抗干扰能力
1
抗背景噪声能力 2
5
4
⑶超5宽带UWB调制2技术
同步难易度
3
2
2
频谱利用率
2
4
5
多播能力
1
3
4
2.1
物理层相关技术
2.1.2 物理层设计
2 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。