無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)第4講mac-第三章2016

1、1,第3章,傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù),2,目視千里、耳聽(tīng)八方是人類(lèi)長(zhǎng)久的夢(mèng)想，現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)使人們離這一目標(biāo)前進(jìn)了很多，但衛(wèi)星高高在上，洞察全局在行，明察細(xì)微就勉為其難了。 將大量傳感器節(jié)點(diǎn)遍撒指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)信息盡收觀察者的眼中。 這是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的目標(biāo)，其實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳輸方法，需要新型的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。,3,通常傳感器節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，人們

2、要考慮如何在有限的通信能力條件下，完成探測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。 無(wú)線通信是傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。,4,通信與組網(wǎng)技術(shù),通信處于傳感器網(wǎng)絡(luò)的最底層，包括物理層及MAC層；主要解決實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的點(diǎn)到點(diǎn)或則點(diǎn)到多點(diǎn)的傳輸問(wèn)題，為上層組網(wǎng)提供通信服務(wù)；同時(shí)滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模、低成本、低功耗及魯棒性等要求。,5,通信與組網(wǎng)技術(shù),組網(wǎng)技術(shù)以底層通信技術(shù)為基礎(chǔ)，建立一個(gè)可靠且具有嚴(yán)格功耗預(yù)算的通信網(wǎng)絡(luò)，向用戶提供服務(wù)支持；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)

3、據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量保障；在資源消耗與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能之間平衡。,6,3.1 物理層,3.1.1 物理層概述,1、物理層的基本概念,在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計(jì)算機(jī)的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間的二進(jìn)制比特傳輸?shù)奈锢磉B接，提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。 從定義可以看

4、出，物理層的特點(diǎn)是負(fù)責(zé)在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放物理連接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程的特性。,7,,網(wǎng)絡(luò)中物理設(shè)備與傳輸介質(zhì)的種類(lèi)很多，通信也有不同的方式；物理層要盡可能屏蔽掉這些差異，使數(shù)據(jù)鏈路層感覺(jué)不到這種差異；確保數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何完成本層的協(xié)議和服務(wù)，而不必考慮網(wǎng)絡(luò)具體的傳輸介質(zhì)。,8,,物理層處于最底層，是整個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)的基礎(chǔ)，向下直接與物理傳輸介質(zhì)相連接;物理層協(xié)議是各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互

5、聯(lián)時(shí)遵守的底層協(xié)議;實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備之間的二進(jìn)制比特流的透明傳輸;負(fù)責(zé)主機(jī)間傳輸數(shù)據(jù)位，為物理介質(zhì)上傳輸?shù)谋忍亓鹘⒁?guī)則，及需何種傳送技術(shù)在傳輸介質(zhì)上發(fā)送數(shù)據(jù);對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽物理傳輸介質(zhì)的特性，以便對(duì)高層協(xié)議有最大的透明性，但定義了數(shù)據(jù)鏈路層所使用的訪問(wèn)方法,9,物理層的主要功能如下：,①為數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal Equipment，DTE)提供傳送數(shù)據(jù)的通路。 數(shù)據(jù)通路可以是一個(gè)物理介質(zhì)，

6、也可由多個(gè)物理介質(zhì)連接而成的。 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸包括激活物理連接、傳送數(shù)據(jù)和終止物理鏈接。 所謂“激活物理鏈接”就是不管有多少物理介質(zhì)參與，都需將通信的兩個(gè)數(shù)據(jù)終端設(shè)備連接起來(lái)，形成一通路。,10,物理層的主要功能如下：,②傳輸數(shù)據(jù)。 物理層要形成適合傳輸需要的實(shí)體，為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，保證數(shù)據(jù)能在物理層正確通過(guò)，并提供足夠的帶寬，以減少信道的擁塞。 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞侥軡M足點(diǎn)到點(diǎn)

7、、一點(diǎn)到多點(diǎn)、串行或并行、半雙工或全雙工、同步或異步傳輸?shù)男枰?11,物理層的主要功能如下：,③其他管理工作 如信道狀態(tài)評(píng)估、能量檢測(cè)等,12,,具體的物理層協(xié)議比較復(fù)雜 物理鏈接的方式很多：可以是點(diǎn)到點(diǎn)的，也可以是多點(diǎn)連接或廣播連接。 傳輸介質(zhì)種類(lèi)非常多：如架空明線、平衡電纜、同軸電纜、光纖、雙絞線和無(wú)線信道等。,13,,通信所用的互連設(shè)備是指數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備間的互連設(shè)

8、備。具有一定數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備稱(chēng)為“數(shù)據(jù)終端設(shè)備”，也稱(chēng)為“物理設(shè)備”，如計(jì)算機(jī)、I／O設(shè)備終端等；介于數(shù)據(jù)終端設(shè)備和傳輸介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)通信設(shè)備或電路連接設(shè)備，稱(chēng)為“數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備”，如調(diào)制解調(diào)器等。,14,,物理層通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備之間應(yīng)該既有數(shù)據(jù)信息傳輸，也有控制信息傳輸；制定相互之間的接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)協(xié)調(diào)工作。這些標(biāo)準(zhǔn)就是物理接口標(biāo)準(zhǔn)。,15,通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理接口的四個(gè)特性

9、進(jìn)行了描述： ①機(jī)械特性。它規(guī)定了物理連接時(shí)使用的可接插連接器的形狀和尺寸，連接器中的引腳數(shù)量和排列情況等。 ②電氣特性。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流時(shí)，線路上信號(hào)電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。 ③功能特性。它規(guī)定了物理接口上各條信號(hào)線的功能分配和確切定義。物理接口信號(hào)線一般分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時(shí)線和地線。 ④規(guī)程特性。它定義了信號(hào)線進(jìn)行二進(jìn)制比特流傳輸線的一組操作過(guò)程，包括各信號(hào)線的

10、工作規(guī)則和時(shí)序。,16,2、無(wú)線通信物理層的主要技術(shù) 無(wú)線通信物理層的主要技術(shù)包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。 (1)介質(zhì)和頻段選擇 無(wú)線通信的介質(zhì)包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無(wú)線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無(wú)線通信。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，電磁波分為無(wú)線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無(wú)線電波在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。,17,無(wú)線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可以穿過(guò)建筑物，因而被廣

11、泛地用于室內(nèi)或室外的無(wú)線通信。 無(wú)線電波是全方向傳播信號(hào)的，它能向任意方向發(fā)送無(wú)線信號(hào)，所以發(fā)射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對(duì)準(zhǔn)。,18,無(wú)線電波的傳播特性與頻率相關(guān)。如果采用較低頻率，則它能輕易地通過(guò)障礙物，但電波能量隨著與信號(hào)源距離r的增大而急劇減小，大致為1/r3。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，且受障礙物阻擋的影響。無(wú)線電波易受發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾。 另外，由于無(wú)線電波的傳輸距離較遠(yuǎn)，用戶

12、之間的相互串?dāng)_也是需要關(guān)注的問(wèn)題，所以每個(gè)國(guó)家和地區(qū)都有關(guān)于無(wú)線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定。,19,(2)調(diào)制技術(shù) 調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常信號(hào)源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱(chēng)為基帶信號(hào)。 基帶信號(hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因而要將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)，以便于進(jìn)行信道傳輸。通常將帶通信號(hào)稱(chēng)為已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)。,20,,調(diào)制技術(shù)通

13、過(guò)改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化。解調(diào)是將基帶信號(hào)從載波中提取出來(lái)以便預(yù)定的接收者(信宿)處理和理解的過(guò)程。,21,調(diào)制對(duì)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調(diào)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。 根據(jù)調(diào)制中采用的基帶信號(hào)的類(lèi)型，可以將調(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。,22,模擬調(diào)制是用模擬基帶信號(hào)對(duì)高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號(hào)的變化而變化。

14、 數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著數(shù)字基帶信號(hào)的變化而變化。目前通信系統(tǒng)都在由模擬制式向數(shù)字制式過(guò)渡，因此數(shù)字調(diào)制已經(jīng)成為了主流的調(diào)制技術(shù)。,23,根據(jù)原始信號(hào)所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制（Amplitude Modulation, AM）、頻率調(diào)制（Frequency Modulation, FM）和相位調(diào)制（Phase Modulation, PM）。 當(dāng)數(shù)字調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制矩

15、形全占空脈沖序列時(shí)，由于該序列只存在“有電”和“無(wú)電”兩種狀態(tài)，因而可以采用電鍵控制，被稱(chēng)為鍵控信號(hào)，所以上述數(shù)字信號(hào)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相分別又被稱(chēng)為幅移鍵控(Amplitude Shift Keying, ASK)、頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)和相移鍵控(Phase Shift Keying, PSK)。,24,20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們十分重視調(diào)制技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，以尋求頻譜利用率更高、

16、頻譜特性更好的數(shù)字調(diào)制方式。 由于振幅鍵控信號(hào)的抗噪聲性能不夠理想，因而目前在無(wú)線通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制方法是頻率鍵控和相位鍵控。,25,,(3)擴(kuò)頻技術(shù) 擴(kuò)頻又稱(chēng)為擴(kuò)展頻譜，定義如下：是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。,26,擴(kuò)頻技

17、術(shù)按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)；跳頻(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)；跳時(shí)(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)；寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，簡(jiǎn)稱(chēng)切普擴(kuò)頻)。,27,擴(kuò)頻通信與一般無(wú)線通信系統(tǒng)相

18、比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，而在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)。 擴(kuò)頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：易于重復(fù)使用頻率，提高了無(wú)線頻譜利用率;抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低;隱蔽性好，對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小;可以實(shí)現(xiàn)碼分多址;抗多徑干擾;能精確地定時(shí)和測(cè)距;適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開(kāi)展多種通信業(yè)務(wù);安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù)。,28,3、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的一種類(lèi)型，因此它包含了上述介紹的無(wú)線通信物理層技術(shù)

19、的特點(diǎn)。 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是成本和功耗，因而物理層的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成功運(yùn)行來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。 采用了不適宜的調(diào)制方式、工作頻帶和編碼方案，即使設(shè)計(jì)出的網(wǎng)絡(luò)能夠勉強(qiáng)完成預(yù)定的功能，也未必滿足推廣應(yīng)用所需的成本和電池壽命方面的要求。,29,3、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn) 目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是無(wú)線電波、紅外線和光波三種類(lèi)型。 無(wú)線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業(yè)、科學(xué)

20、和醫(yī)療”(Industrial，Scientific and Medical, ISM)頻段。 ISM頻段的優(yōu)點(diǎn)：自由頻段，無(wú)須注冊(cè)，可選頻譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)靈活方便。ISM頻段的缺點(diǎn)主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無(wú)線通信應(yīng)用存在相互干擾問(wèn)題。,30,盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)其它方式實(shí)現(xiàn)通信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無(wú)線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。,31,,調(diào)制是無(wú)線通信系統(tǒng)的重要

21、技術(shù)，它使得信號(hào)與信道匹配，增強(qiáng)電波的有效輻射，可以方便頻率分配、減小信號(hào)干擾；擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可進(jìn)行多址通信，安全性強(qiáng)，難以被敵方竊聽(tīng)；對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制解調(diào)和擴(kuò)頻機(jī)制是實(shí)現(xiàn)可靠通信傳輸?shù)年P(guān)鍵。,32,物理層設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問(wèn)題,調(diào)制機(jī)制：低能耗和低成本的特點(diǎn)要求調(diào)制機(jī)制盡量設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使得能量消耗最低。但另一方面無(wú)線通信本身的不可靠性，傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無(wú)線設(shè)備之間的無(wú)線電干擾，以及具體應(yīng)用的特殊需要使得

22、調(diào)制機(jī)制必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力。與上層協(xié)議結(jié)合的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)：物理層位于協(xié)議最底層，是整個(gè)協(xié)議棧的基礎(chǔ)。它的設(shè)計(jì)對(duì)各上層內(nèi)容的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的影響，而跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)是傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。硬件設(shè)計(jì)：在傳感器網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)協(xié)議棧中，物理層與硬件的關(guān)系最為密切，微型化、低功耗、低成本的傳感器單元、處理器單元和通信單元的有機(jī)集成是非常必要的。,33,3.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計(jì),1、傳輸介質(zhì),目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主

23、要傳輸介質(zhì)包括無(wú)線電、紅外線和光波等。 在無(wú)線電頻率選擇方面，ISM頻段是一個(gè)很好的選擇。因?yàn)镮SM頻段在大多數(shù)國(guó)家屬于無(wú)須注冊(cè)的公用頻段。,34,ISM頻段的主要優(yōu)點(diǎn),ISM是自由頻段，可用頻帶寬，并且在全球范圍內(nèi)都具有可用性；沒(méi)有特定的標(biāo)準(zhǔn)，給設(shè)計(jì)適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能策略帶來(lái)了更多的設(shè)計(jì)靈活性和空間。ISM頻段存在一些使用上的問(wèn)題，例如功率限制以及與現(xiàn)有的其他無(wú)線電應(yīng)用之間存在相互干擾等。,35,ISM可用頻段

24、,,36,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)。紅外通信的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須注冊(cè)，并且抗干擾能力強(qiáng)。 紅外通信的主要缺點(diǎn)是穿透能力差，要求發(fā)送者和接收者之間存在視距關(guān)系。這導(dǎo)致紅外難以成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流傳輸介質(zhì)，而只能在一些特殊場(chǎng)合得到應(yīng)用。,37,對(duì)于一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。例如，艦船應(yīng)用可能要求使用水性傳輸介質(zhì)，譬如能穿透水面的長(zhǎng)波。復(fù)雜地形和戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用會(huì)遇到信道不可靠和嚴(yán)重

25、干擾等問(wèn)題。 另外，一些傳感器節(jié)點(diǎn)的天線可能在高度和發(fā)射功率方面比不上周?chē)钠渌鼰o(wú)線設(shè)備，為了保證這些低發(fā)射功率的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常完成通信任務(wù)，要求所選擇的傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和調(diào)制機(jī)制。,38,2、物理層幀結(jié)構(gòu),物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取4，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號(hào)的同步。第二個(gè)字段是幀頭，長(zhǎng)度通常為一個(gè)字節(jié)，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開(kāi)始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。 幀長(zhǎng)度字段通常由一個(gè)字節(jié)的低7

26、位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHY負(fù)載的長(zhǎng)度，因此它的后續(xù)PHY負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)127個(gè)字節(jié)。 物理幀PHY的負(fù)載長(zhǎng)度可變，稱(chēng)為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY Service Data Unite, PSDU)，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDU域是物理層的載荷 。,,39,3、物理層設(shè)計(jì)技術(shù),物理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率和通信頻段等問(wèn)題： ① 編碼調(diào)制技術(shù)影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)和功率等一系列的技術(shù)參數(shù)。比

27、較常見(jiàn)的編碼調(diào)制技術(shù)包括幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴(kuò)頻技術(shù)。 ② 提高數(shù)據(jù)傳輸速率可減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間，對(duì)于節(jié)能具有意義，但需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對(duì)誤碼的影響。一般用單個(gè)比特的收發(fā)能耗來(lái)定義數(shù)據(jù)傳輸對(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。,40,在低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(LR-PAN)的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在868MHz、915MHz、2.4GHz三個(gè)載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個(gè)頻段都使用了直接序列擴(kuò)頻方式。

28、 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)非常適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如Chipcon公司的CC2430\ CC2450無(wú)線通信芯片。,41,總的來(lái)看，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，現(xiàn)有的物理層設(shè)計(jì)基本采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要集中在433～464MHz、902～928MHz和2.4～2.5GHz的ISM波段。,42,3.2 MAC協(xié)議,3.2.1

29、MAC協(xié)議概述,無(wú)線頻譜是無(wú)線通信的介質(zhì)，這種廣播介質(zhì)屬于稀缺資源。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可能有多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)接入信道，導(dǎo)致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數(shù)據(jù)，從而浪費(fèi)了信道資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。 為了解決這些問(wèn)題，就需要設(shè)計(jì)介質(zhì)訪問(wèn)控制(Medium Access Control，MAC)協(xié)議。所謂MAC協(xié)議就是通過(guò)一組規(guī)則和過(guò)程來(lái)有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。,43,,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，MAC協(xié)議決定著無(wú)

30、線信道的使用方式，用來(lái)在傳感器結(jié)點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線通信資源，構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。MAC協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有較大影響，是保證傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。,44,,傳感器結(jié)點(diǎn)的能量、存儲(chǔ)、計(jì)算和通信帶寬等資源有限，單個(gè)結(jié)點(diǎn)的功能比較弱，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的豐富功能是由眾多結(jié)點(diǎn)協(xié)作實(shí)現(xiàn)的；多點(diǎn)通信在局部范圍需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)相互之間的無(wú)線信道分配，在設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)義時(shí)，需要著重考

31、慮以下幾個(gè)問(wèn)題：,45,節(jié)省能量：結(jié)點(diǎn)一般以干電池等提供能量，能量通常難以補(bǔ)充，為長(zhǎng)時(shí)間保證網(wǎng)絡(luò)有效工作，MAC協(xié)議在滿足應(yīng)用要求前提下，應(yīng)盡量節(jié)省使用結(jié)點(diǎn)的能量?？蓴U(kuò)展性：傳感器結(jié)點(diǎn)數(shù)目、分布密度等在網(wǎng)絡(luò)生存過(guò)程中不斷變化，結(jié)點(diǎn)位置也可能移動(dòng)，還有新結(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性。MAC協(xié)議應(yīng)具有可擴(kuò)展性，適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)效率：網(wǎng)絡(luò)效率包括網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和帶寬利用率等。上述問(wèn)題重

32、要性依次遞減。由于傳感器結(jié)點(diǎn)本身不能自動(dòng)補(bǔ)充能量或能量補(bǔ)充不足，節(jié)約能量成為傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的首要考慮因素。,46,與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的差異,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點(diǎn)能連續(xù)獲得能量供應(yīng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)的變化范圍和變化頻率都比較小，MAC協(xié)議重點(diǎn)考慮結(jié)點(diǎn)使用帶寬的公平性，提高帶寬的利用率和增加網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議所注重的因素不同，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計(jì)

33、適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。,47,網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)無(wú)線通信模塊的狀態(tài),發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、偵聽(tīng)狀態(tài)和睡眠狀態(tài)；單位時(shí)間內(nèi)消耗能量按照上述順序依次減少，無(wú)線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)消耗能量最多，在睡眠狀態(tài)消耗能量最少，接收狀態(tài)和偵聽(tīng)狀態(tài)下的能量消耗稍小于發(fā)送狀態(tài)。,48,傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議無(wú)線信道使用策略,為減少能量消耗，采用“偵聽(tīng)/睡眠”交替策略，有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，開(kāi)啟通信模塊進(jìn)行發(fā)送或偵聽(tīng)；沒(méi)有數(shù)據(jù)需要收發(fā)，控制通信模塊進(jìn)入睡眠狀態(tài)，減少空閑

34、偵聽(tīng)造成的能量消耗。為使結(jié)點(diǎn)睡眠時(shí)不錯(cuò)過(guò)發(fā)送給它的數(shù)據(jù)，或減少結(jié)點(diǎn)的過(guò)度偵聽(tīng)，結(jié)點(diǎn)間需協(xié)調(diào)它們的偵聽(tīng)和睡眠周期。采用基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議，要考慮發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞的可能，根據(jù)信道使用信息調(diào)整發(fā)送時(shí)機(jī)。MAC協(xié)議應(yīng)簡(jiǎn)單高效，避免協(xié)議本身開(kāi)銷(xiāo)大、消耗過(guò)多能量。,49,(1) 采用分布式控制還是集中控制；(2) 使用單一共享信道還是多個(gè)信道；(3) 采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問(wèn)信道方式。,傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議可以按照下列條件進(jìn)行

35、分類(lèi)：,50,本書(shū)根據(jù)上述的第三種分類(lèi)方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為以下三種： (1) 時(shí)分復(fù)用無(wú)競(jìng)爭(zhēng)接入方式。 無(wú)線信道時(shí)分復(fù)用(TDMA)方式給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無(wú)線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。,51,(2) 隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式。如果采用無(wú)線信道的隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入方式，節(jié)點(diǎn)在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)隨機(jī)使用無(wú)線信道，盡量減少節(jié)點(diǎn)間的干擾。 典型的方法是采用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA)的MAC協(xié)議。,52,

36、(3) 競(jìng)爭(zhēng)與固定分配相結(jié)合的接入方式。通過(guò)混合采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無(wú)沖突的無(wú)線信道分配。,53,基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式使用無(wú)線信道； 如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。,54,典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議是載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA)接入方式。 在無(wú)線局域網(wǎng)IEEE

37、802.11 MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的典型代表。,55,CSMA/CA機(jī)制： 在信號(hào)傳輸之前，發(fā)射機(jī)先偵聽(tīng)介質(zhì)中是否有同信道載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)； 若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道。這種介質(zhì)訪問(wèn)控制層的方案簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過(guò)程。,56,A transmits d

38、ata frame,(a),C senses medium, station A is hidden from C,Data Frame,,隱匿終端B能收到A和C的信號(hào)，但C因距A遠(yuǎn)，收不到A的信號(hào)，對(duì)C而言，A是”隱匿的終端”， 偵聽(tīng)不到A的信號(hào),New MAC: CSMA with Collision Avoidance CSMA/CA,A 和 C 發(fā)送的信號(hào)將在B處沖突，但C收不到A的信號(hào)，因而不能檢測(cè)出沖突,57

39、,CSMA /CA載波偵聽(tīng)/沖突避免 如何解決“隱匿終端問(wèn)題,58,,在IEEE 802.11 MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種MAC協(xié)議。,59,3.2.2 IEEE 802.11 MAC協(xié)議,IEEE 802.11 MAC協(xié)議分為分布式協(xié)調(diào)功能(Distributed Coordination Function, DCF)和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能(Point Coordination Function，PCF)兩種訪問(wèn)

40、控制方式，其中DCF方式是IEEE 802.11協(xié)議的基本訪問(wèn)控制方式。,60,,由于無(wú)線信道中難以檢測(cè)到信號(hào)的碰撞，只能采用隨機(jī)退避的方式來(lái)減少數(shù)據(jù)碰撞的概率;在DCF工作方式下，結(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到無(wú)線信道忙之后，采用CSMA／CA機(jī)制和隨機(jī)退避時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道的共享;定向通信采用立即的主動(dòng)確認(rèn)(ACK幀)機(jī)制，如果沒(méi)有收到ACK幀，發(fā)送方會(huì)重傳數(shù)據(jù)。,61,在DCF工作方式下，載波偵聽(tīng)機(jī)制通過(guò)物理載波偵聽(tīng)和虛擬載波偵聽(tīng)來(lái)確定無(wú)線信

41、道的狀態(tài)。物理載波偵聽(tīng)由物理層提供，虛擬載波偵聽(tīng)由MAC層提供。,,62,IEEE 802.11 MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔(InterFrame Space，IFS)，用來(lái)提供訪問(wèn)無(wú)線信道的優(yōu)先級(jí)： （1）SIFS (short IFS)：最短幀間間隔。 （2）PIFS (PCF IFS)：PCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間間隔。 （3）DIFS (DCF IFS)：DCF方式下節(jié)點(diǎn)使用的幀間問(wèn)隔。,63,根據(jù)CS

42、MA/CA協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)要傳輸一個(gè)分組時(shí)，它首先偵聽(tīng)信道狀態(tài)。如果信道空閑，而且經(jīng)過(guò)一個(gè)幀間間隔時(shí)間DIFS后，信道仍然空閑，則站點(diǎn)立即開(kāi)始發(fā)送信息。如果信道忙，則站點(diǎn)始終偵聽(tīng)信道，直到信道的空閑時(shí)間超過(guò)DIFS。當(dāng)信道最終空閑下來(lái)的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步使用二進(jìn)制退避算法，進(jìn)入退避狀態(tài)來(lái)避免發(fā)生碰撞。,,64,隨機(jī)退避時(shí)間按下面公式進(jìn)行計(jì)算： 退避時(shí)間=Random()×aSlottime

43、 其中，Random()是在競(jìng)爭(zhēng)窗口[0，CW]內(nèi)均勻分布的偽隨機(jī)整數(shù)；CW是整數(shù)隨機(jī)數(shù)，它的數(shù)值位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的aCWmin和aCWmax之間；aSlottime是一個(gè)時(shí)槽時(shí)間，包括發(fā)射啟動(dòng)時(shí)間、介質(zhì)傳播時(shí)延、檢測(cè)信道的響應(yīng)時(shí)間等。,65,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入退避狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)退避計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到退避時(shí)間后結(jié)束退避狀態(tài)。在退避狀態(tài)下，只有當(dāng)檢測(cè)到信道空閑時(shí)才進(jìn)行計(jì)時(shí)。如果信道忙，退避計(jì)時(shí)器中止計(jì)時(shí)，直到

44、檢測(cè)到信道空閑時(shí)間大于DIFS后才繼續(xù)計(jì)時(shí)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)推遲且進(jìn)入隨機(jī)退避時(shí)，利用隨機(jī)函數(shù)選擇最小退避時(shí)間的節(jié)點(diǎn)作為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勝者。,,66,802.11 MAC協(xié)議通過(guò)立即主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制和預(yù)留機(jī)制業(yè)提高性能。在主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)發(fā)送給它的有效數(shù)據(jù)幀(DATA)時(shí)，必須向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答幀(ACK)，確認(rèn)數(shù)據(jù)已被正確接收到。為了保證目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送ACK過(guò)程中不與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用SIFS幀間隔。主動(dòng)確認(rèn)機(jī)制只能用于

45、有明確目標(biāo)地址的幀，不能用于組播和廣播報(bào)文傳輸。,,67,3.2.3 典型MAC協(xié)議：S-MAC協(xié)議,一種適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的比較典型的MAC協(xié)議，即S-MAC協(xié)議(Sensor MAC)。這種協(xié)議是在802.1l MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的。 S-MAC協(xié)議適用條件：傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供

46、良好的擴(kuò)展性，減少節(jié)點(diǎn)能耗。,68,通常無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)效能耗主要來(lái)源于如下四種原因： ① 空閑監(jiān)聽(tīng) ② 數(shù)據(jù)沖突 ③ 串?dāng)_ ④ 控制開(kāi)銷(xiāo),69,① 空閑監(jiān)聽(tīng),如果MAC協(xié)議采用競(jìng)爭(zhēng)方式使用共享的無(wú)線信道，結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，可能引起多個(gè)結(jié)點(diǎn)間發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，這就需要重傳發(fā)送。結(jié)點(diǎn)不知道它的鄰居結(jié)點(diǎn)在何時(shí)會(huì)向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，因而通信模塊始終處于接收狀態(tài)，從而消耗無(wú)用的能量。,70,

47、② 數(shù)據(jù)沖突,鄰居結(jié)點(diǎn)同時(shí)向同一結(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀，信號(hào)相互干擾，導(dǎo)致接收方無(wú)法準(zhǔn)確接收，重發(fā)數(shù)據(jù)行為造成了能量浪費(fèi)。,71,③ 串?dāng)_,網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)會(huì)接收和處理無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)，這種串音現(xiàn)象造成結(jié)點(diǎn)的無(wú)線接收模塊和處理器模塊消耗較多的能量。,72,④ 控制開(kāi)銷(xiāo),控制報(bào)文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗了結(jié)點(diǎn)能量。如果控制消息過(guò)多，將消耗較多的網(wǎng)絡(luò)能量。,73,S-MAC機(jī)制,針對(duì)碰撞重傳、串音、空閑偵聽(tīng)和控制消息等可能造成較多能耗的因素S-MAC采用如下機(jī)制

48、：周期性偵聽(tīng)／睡眠的低占空比工作方式，控制結(jié)點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)來(lái)降低結(jié)點(diǎn)能量的消耗；鄰居結(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機(jī)制形成虛擬簇，減少結(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)時(shí)間；通過(guò)流量自適應(yīng)的偵聽(tīng)機(jī)制，減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲；采用帶內(nèi)信令來(lái)減少重傳和避免偵聽(tīng)不必要的數(shù)據(jù)；通過(guò)消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來(lái)減少控制消息的開(kāi)銷(xiāo)和消息的傳遞延遲。,74,（1）周期性偵聽(tīng)和睡眠機(jī)制 S-MAC協(xié)議將時(shí)間分為幀，幀長(zhǎng)度由應(yīng)用程序決定。幀內(nèi)分監(jiān)聽(tīng)

49、工作階段和睡眠階段。 監(jiān)聽(tīng)/睡眠階段的持續(xù)時(shí)間根據(jù)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整。節(jié)點(diǎn)處于睡眠階段時(shí)，關(guān)閉無(wú)線電波，以節(jié)省能量。當(dāng)然節(jié)點(diǎn)需要緩存這期間收到的數(shù)據(jù)，以便工作階段集中發(fā)送。,75,,為減少能量消耗，結(jié)點(diǎn)盡量處于低功耗的睡眠狀態(tài)；每個(gè)結(jié)點(diǎn)獨(dú)立地調(diào)度它的工作狀態(tài)，周期性地轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，在蘇醒后偵聽(tīng)信道，判斷是否需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；為了便于相互通信，相鄰結(jié)點(diǎn)之間應(yīng)該盡量維持睡眠／偵聽(tīng)調(diào)度周期的同步。,76,各結(jié)點(diǎn)用SYNC消息通

50、告自己的調(diào)度信息，同時(shí)維護(hù)一個(gè)調(diào)度表，保存所有相鄰結(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息；結(jié)點(diǎn)啟動(dòng)工作時(shí)，先偵聽(tīng)一段固定長(zhǎng)度時(shí)間，如在這段偵聽(tīng)時(shí)間內(nèi)收到其他結(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息，則將它的調(diào)度周期設(shè)置為與鄰居結(jié)點(diǎn)相同，并在等待一段隨機(jī)時(shí)間后廣播它的調(diào)度信息；結(jié)點(diǎn)收到多個(gè)鄰居結(jié)點(diǎn)的不同調(diào)度信息時(shí)，可選擇第一個(gè)收到的調(diào)度信息，并記錄收到的所有調(diào)度信息；結(jié)點(diǎn)在偵聽(tīng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到其他結(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息，則產(chǎn)生自己的調(diào)度周期并廣播。,77,結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生和通告自己的調(diào)度后，如

51、果收到鄰居的不同調(diào)度，下面分兩種情況進(jìn)行處理：如沒(méi)有收到過(guò)與自己調(diào)度相同的鄰居的通告，則采納鄰居的調(diào)度，丟棄自己生成的調(diào)度；如果結(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到過(guò)與自己調(diào)度相同的其他鄰居的通告，則在調(diào)度表中記錄該調(diào)度信息，以便能夠與非同步的相鄰結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。,78,具有相同調(diào)度的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)所謂的虛擬簇，邊界節(jié)點(diǎn)記錄兩個(gè)或多個(gè)調(diào)度。如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署范圍較廣，可能形成眾多不同的虛擬簇，使得S-MAC協(xié)議具有良好的可擴(kuò)展性。 為了適應(yīng)新加入

52、節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)要定期廣播自己的調(diào)度信息，使新節(jié)點(diǎn)可以與已經(jīng)存在的相鄰節(jié)點(diǎn)保持同步。如果節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到兩種不同的調(diào)度，如圖所示的處于兩個(gè)不同調(diào)度區(qū)域重合部分的節(jié)點(diǎn)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選擇先收到的調(diào)度，并記錄另一個(gè)調(diào)度信息。,79,（2）流量自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制 傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采用多跳通信進(jìn)行組網(wǎng)，而結(jié)點(diǎn)的周期性睡眠會(huì)導(dǎo)致通信延遲的累加。 S-MAC協(xié)議采用了流量自適應(yīng)的偵聽(tīng)機(jī)制，減少通信延遲的累加效應(yīng)。,80,流量自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制

53、基本思想在一次通信過(guò)程中，通信節(jié)點(diǎn)的鄰居在通信結(jié)束后不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽(tīng)一段時(shí)間。如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)接收到RTS分組，則可以立刻接收數(shù)據(jù)，無(wú)須等到下一次調(diào)度偵聽(tīng)周期，從而減少了數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。如果在這段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到RTS分組，則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直到下一次調(diào)度偵聽(tīng)周期。,81,（3）沖突和串音避免機(jī)制 為減少?zèng)_突和避免串音，S-MAC協(xié)議采用與802.11 MAC協(xié)議類(lèi)似的虛擬和物理載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制，以及

54、RTS/CTS握手交互機(jī)制。兩者的區(qū)別在于當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)處于通信過(guò)程時(shí)，執(zhí)行S-MAC協(xié)議的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。 每個(gè)結(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都要先進(jìn)行載波偵聽(tīng)。只有虛擬或物理載波偵聽(tīng)表示無(wú)線信道空閑時(shí)，才可以競(jìng)爭(zhēng)通信過(guò)程。,82,（4）消息傳遞機(jī)制 S-MAC協(xié)議采用了消息傳遞機(jī)制，可以很好地支持長(zhǎng)消息的發(fā)送。由于無(wú)線信道的傳輸差錯(cuò)與消息長(zhǎng)度成正比，短消息傳輸成功的概率要大于長(zhǎng)消息。 消息傳遞機(jī)制根據(jù)這一原理，將長(zhǎng)消

55、息分為若干個(gè)短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手機(jī)制預(yù)約這個(gè)長(zhǎng)消息發(fā)送的時(shí)間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既可以減少控制報(bào)文的開(kāi)銷(xiāo)，又可以提高消息發(fā)送的成功率。,83,S-MAC與IEEE 802.11 MAC協(xié)議的差異,S-MAC協(xié)議的RTS／CTS控制消息和數(shù)據(jù)消息攜帶的時(shí)間是整個(gè)長(zhǎng)消息傳輸?shù)氖Ｓ鄷r(shí)間;其他結(jié)點(diǎn)只要接收到一個(gè)消息，就能夠知道整個(gè)長(zhǎng)消息的剩余時(shí)間，然后進(jìn)入睡眠狀態(tài)直至長(zhǎng)消息發(fā)送完成。,84,S-MAC與IEEE

56、 802.11 MAC協(xié)議的差異,IEEE 802.11 MAC協(xié)議考慮了網(wǎng)絡(luò)的公平性，RTS／CTS只預(yù)約下一個(gè)發(fā)送短消息的時(shí)間;其他結(jié)點(diǎn)在每個(gè)短消息發(fā)送完成后都不必醒來(lái)進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài);只要發(fā)送方?jīng)]有收到某個(gè)短消息的應(yīng)答，連接就會(huì)斷開(kāi)，其他結(jié)點(diǎn)就可以開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)信道的使用權(quán)。,85,3.3 路由協(xié)議,3.3.1 路由協(xié)議概述,路由選擇是指選擇互連網(wǎng)絡(luò)從源節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息的行為，并且信息至少通過(guò)一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。 路由協(xié)議

57、負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，它包括兩個(gè)功能： ①尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑； ②將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。,86,與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點(diǎn)：,（1）能量?jī)?yōu)先（2）基于局部拓?fù)湫畔ⅲ?）以數(shù)據(jù)為中心（4）應(yīng)用相關(guān),87,（1）能量?jī)?yōu)先,由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量非常有限，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)便是延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，因此必須考慮節(jié)點(diǎn)的

58、能量消耗和網(wǎng)絡(luò)能量均衡使用的問(wèn)題。,88,（2）基于局部拓?fù)湫畔?為了盡量節(jié)省通信能量，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議通常采用多跳的通信模式，而網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目通常較多，節(jié)點(diǎn)資源有限，使得節(jié)點(diǎn)無(wú)法存儲(chǔ)大量的路由信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問(wèn)題就是，如何在節(jié)點(diǎn)只能獲取局部拓?fù)湫畔⒑湍芰坑邢薜那闆r下，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效的路由機(jī)制。,89,（3）以數(shù)據(jù)為中心,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的是監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的感知數(shù)據(jù)及其位置，而不是具體由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)獲取的信息。傳感器

59、網(wǎng)絡(luò)通常包含多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到少數(shù)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流，按照對(duì)感知數(shù)據(jù)的需求、數(shù)據(jù)通信模式和流向等，以數(shù)據(jù)為中心形成消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。,90,（4）應(yīng)用相關(guān),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是和應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用環(huán)境千差萬(wàn)別，數(shù)據(jù)通信模式不同，沒(méi)有一個(gè)路由機(jī)制能夠適合所有的應(yīng)用；在設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)需要針對(duì)每一個(gè)具體應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)出合適應(yīng)用的特定路由。,91,在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)路由協(xié)議時(shí)，必須滿足如下要求：,（1）能量高效（2）可擴(kuò)展性（3）穩(wěn)健性（

60、4）快速收斂性,92,1）能量高效,傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)最重要的優(yōu)化目標(biāo)是能量高效性，路由過(guò)程中不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要針對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情況選擇使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗的路徑。傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制要能夠簡(jiǎn)單而且高效地實(shí)現(xiàn)信息傳輸。,93,2）可靠性,傳感器網(wǎng)絡(luò)中，鏈路穩(wěn)定性難于保證，通信信道質(zhì)量較低，拓?fù)渥兓^頻繁，路由協(xié)議會(huì)遇到各種非正常或不可預(yù)料的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，路由器節(jié)點(diǎn)一旦出現(xiàn)故障將可能會(huì)影響整

61、個(gè)網(wǎng)絡(luò)。好的路由協(xié)議應(yīng)該具備較強(qiáng)可靠性，能夠通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測(cè)試驗(yàn)證。,94,3）快速收斂性,傳感器節(jié)點(diǎn)能量和通信帶寬資源有限，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化等這些不確定因素要求路由機(jī)制能夠快速收斂；適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，減少通信協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，提高消息傳輸?shù)男省?95,4）數(shù)據(jù)處理技術(shù),為了減少數(shù)據(jù)通信量，轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中經(jīng)常將不同的入口報(bào)文融合成數(shù)目更少的出口報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳，這就是數(shù)據(jù)融合的基本涵義。采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)意味

62、著路由協(xié)議需要做出相應(yīng)的調(diào)整。,96,5）魯棒性,能量限制、環(huán)境干擾和人為破壞等因素造成傳感器節(jié)點(diǎn)的損壞，周?chē)h(huán)境造成無(wú)線鏈路信號(hào)干擾以及無(wú)線鏈路本身的缺點(diǎn)等這些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不可靠特性要求傳感器網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制需要具備一定的容錯(cuò)能力。,97,6）優(yōu)化能力,網(wǎng)絡(luò)資源狀況隨時(shí)會(huì)發(fā)生變化，傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議需要具備能夠依據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源狀況選擇最合適路徑的能力。,98,我們從各種應(yīng)用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類(lèi)：,（1）能量感知路由協(xié)議,高效

63、利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個(gè)顯著特征。為了強(qiáng)調(diào)高效利用能量的重要性，這里將它們劃分為能量感知路由協(xié)議。能量感知的路由協(xié)議從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，討論最少能量消耗和最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期等問(wèn)題。,路由協(xié)議分類(lèi),99,（2）基于查詢(xún)的路由協(xié)議,在環(huán)境檢測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估等應(yīng)用中，需要不斷查詢(xún)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。在匯聚節(jié)點(diǎn)（查詢(xún)節(jié)點(diǎn)）發(fā)出任務(wù)查詢(xún)命令，傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測(cè)節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心報(bào)告采集的數(shù)據(jù)。 這類(lèi)應(yīng)用中，通信流量主要是查詢(xún)節(jié)

64、點(diǎn)和傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)的采集信息通常要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過(guò)減少通信流量來(lái)節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計(jì)相結(jié)合。,100,（3）地理位置路由協(xié)議,在目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用問(wèn)題中，需要喚醒距離被跟蹤目標(biāo)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)，以便得到關(guān)于目標(biāo)的更精確位置等相關(guān)信息。 這類(lèi)與坐標(biāo)位置有關(guān)的應(yīng)用問(wèn)題中，需要知道目的節(jié)點(diǎn)的精確或者大致地理位置。把節(jié)點(diǎn)的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點(diǎn)的路由選擇功能，還可

65、以降低系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)維護(hù)路由協(xié)議的能耗。,101,（4）可靠的路由協(xié)議,傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些應(yīng)用對(duì)通信的服務(wù)質(zhì)量有較高要求，可能在可靠性和實(shí)時(shí)性等方面有特別要求。 采用視頻傳感器進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，希望傳輸?shù)囊曨l圖像能夠盡可能的流暢些。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線鏈路穩(wěn)定性一般難以保證，通信信道質(zhì)量比較低，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，要考慮可靠的路由協(xié)議設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)滿足這些的服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)。,102,3.3.2 典型路由協(xié)議：定向擴(kuò)散路由,定向擴(kuò)散（Di

66、rected Diffusion，DD）路由協(xié)議是一種基于查詢(xún)的路由機(jī)制。 擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)通過(guò)興趣信息發(fā)出查詢(xún)?nèi)蝿?wù)，采用洪泛方式傳播興趣信息到整個(gè)區(qū)域或部分區(qū)域內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)。興趣信息用來(lái)表示查詢(xún)的任務(wù)，表達(dá)了網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)感興趣的具體內(nèi)容，例如監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度和光照等數(shù)據(jù)。 在興趣信息的傳播過(guò)程中，協(xié)議將逐跳地在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上建立反向的從數(shù)據(jù)源到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸梯度，傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著梯度方

67、向傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。,103,定向擴(kuò)散路由機(jī)制可以分為周期性的興趣擴(kuò)散、梯度建立和路徑加強(qiáng)三個(gè)階段:,,（a）路徑建立 （b）數(shù)據(jù)傳播 （c）路徑增強(qiáng),104,（1）興趣擴(kuò)散階段,興趣擴(kuò)散階段，匯聚節(jié)點(diǎn)周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播興趣消息。興趣消息中含有任務(wù)類(lèi)型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時(shí)間戳等參數(shù)。 各節(jié)點(diǎn)在本地保存一個(gè)興趣列表，對(duì)每個(gè)興趣內(nèi)容，列表

68、中都有一個(gè)表項(xiàng)記錄發(fā)來(lái)該興趣消息的鄰居節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送速率和時(shí)間戳等任務(wù)相關(guān)信息，以建立該節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)的梯度關(guān)系。每個(gè)興趣可能對(duì)應(yīng)多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，每個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)梯度信息。,105,（2）數(shù)據(jù)傳播階段,當(dāng)傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的鄰居節(jié)點(diǎn)，并按照梯度上的數(shù)據(jù)傳輸速率，設(shè)定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率。 由于可能從多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)收到興趣消息，節(jié)點(diǎn)向多個(gè)鄰居發(fā)送數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)可能收到經(jīng)過(guò)多個(gè)路