无线传感器网络与ZigBee技术讲座.pptx

无线传感器网络与ZIGBEE 技术 讲座提纲 l现代无线通信技术概要 l无线传感器网络概述 lWPAN和IEEE 802.15标准 lZigBee技术及其应用分析 现代无线通信技术概要 1. 无线通信基础理论 1-1.无线电传播和电磁波谱 1-2.调制与解调技术 1-3.射频信号的发送与接收 1. 无线通信基础理论 1-1.无线电传播和电磁波谱 l电磁辐射就是电场和磁场连 续不断地交替出现,表现为振 荡波形或是在某一频带内上 下交替变化的波形。 l所有类型的电磁辐射都可用 波形描述,包括无线电波、微 波、红外光、可见光、紫外 光、X射线以及伽马射线。 l对射频波而言,传播代表发射(或者传播)的无线电波是如 何穿过大气的。传播的一般规律是平方反比定律，即电 磁波的强度与它传播的距离平方成反比。 1. 无线通信基础理论 1-1.无线电传播和电磁波谱 l电磁波频谱 1. 无线通信基础理论 1-1.无线电传播和电磁波谱 lRF电磁波频谱 1. 无线通信基础理论 1-1.无线电传播和电磁波谱 lRF频谱分配与管理 工业、科学和医学（ISM）开放频段： UHF ISM - 902928 MHz（欧洲868 MHz） S-Band ISM - 2.42.5 GHz C-Band ISM - 5.7255.875 GHz RF频谱的频段可分配给不同的授权或非授权业务使 用。 每个国家和地区设有专门管理机构，负责管理无线电 频谱的的使用权，包括所允许发送的信号功率和信号 格式等。 l RF频谱分配与管理 无线电频谱管理机构 工业和信息化部无线电管理局 国家无线电监测中心 中国人民解放军无线电管理机构 省、自治区、直辖市和设区的市无 线电管理机构 国务院有关部门的无线电管理机构 l 中国无线电管理机构职责 工业和信息化部无线电管理局（国家无线电办公室） 主要职责： 1.编制无线电频谱规划； 2.负责无线电频率的划分、分配与指配； 3.依法监督管理无线电台（站）； 4.负责卫星轨道位置协调和管理； 5.协调处理军地间无线电管理相关事宜； 6.负责无线电监测、检测、干扰查处，协调处理电磁干扰事宜，维 护空中电波秩序； 7.依法组织实施无线电管制；负责涉外无线电管理工作。 l 中国无线电管理机构职责 国家无线电监测中心 主要承担无线电监测和无线电频谱管理工作。中心下设13个处 室、9个国家级监测站及2个下属单位。 主要职责： （一）贯彻执行国家无线电管理方针政策和有关法律法规，研究提出无线电频 谱、全国无线电监测网、全国无线电管理信息系统的规划意见，承担无线 电管理政策研究、科学研究及新技术开发工作。 （二）负责全国无线电短波、卫星监测和北京及周边地区超短波监测工作。 （三）负责无线电频率划分、分配、指配以及卫星轨道位置协调和管理的技术工 作。 （四）负责无线电台（站）审批、监督管理的技术工作。 （五）负责国家重要时期、重大活动、重大事件无线电安全的技术保障工作。 （六）负责对无线电发射设备和非无线电设备的无线电波辐射的技术审查工作。 （七）负责全国无线电管理信息系统建设、运行、管理的技术工作。 （八）负责对各省（区、市）无线电管理工作进行技术指导。 （九）承担涉外无线电管理的技术支撑工作。 （十）承办工业和信息化部交办的其他事项。 1. 无线通信基础理论 1-2.调制与解调技术 l调制和解调原理： 调制-用无线电传送消息的方法； 解调-从已调制无线电波中还原消息的方法。 l模拟信号调制方法： 调幅： 调频或调相： 1. 无线通信基础理论 1-2.调制与解调技术 l数据编码和调制 1. 数字数据的数字信号编码： u单极性码:归零码(RZ);不归零码(NRZ). u双极性码:归零码;不归零码; 交替双极性归零码. u曼彻斯特码: Manchester编码; 差分Manchester编码。 2. 数字数据的模拟信号编码： u调制与解调: ASK；FSK ；PSK；QAM 。 编码方法编码方法 时钟时钟 NRZNRZ ManchesterManchester 差分差分 ManchesterManchester 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 调制与解调 1. ASK-幅度调制 1. FSK-频率调制 1. PSK-相位调制 数据 1 数据 0 数据 1 数据 0 数据 0 0 数据 0 1 数据 1 0 数据 1 1 调制技术调制技术 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 ASKASK FSKFSK PSKPSK 多级调制方法多级调制方法1 1 01 01 10 10 00 00 0 0 +90+90+180+180+270+270 11 11 l l 数据率数据率 = n x = n x 信号速率信号速率 +90 01+90 01 0 0 0000 +270+270 1111 +180+180 1010 4-PSK4-PSK 多级调制方法多级调制方法2 2 16-QAM16-QAM（正交振幅调制）（正交振幅调制） ： 使用振幅和相位的使用振幅和相位的1616种组合种组合 90 0 0 45 135 180 225 270 315 1. 无线通信基础理论 1-3.射频信号的发送与接收 l通信系统的基本模型 通信的基本目的：在发送方与接收方之间交换信息。 数据通信基本模型： 信源信宿传输 媒体发送器接收器 DTEDTEDCEDCE 传输链路 数据电路（信道） DTE - DTE - 数据终端设备。数据终端设备。 DCE - DCE - 数据通信设备或数据电路端接设备。数据通信设备或数据电路端接设备。 1. 无线通信基础理论 1-3.射频信号的发送与接收 l发射机和接收机 无线通信系统通常包括一台发射机和一台或若干台接收 机。无线发射机通过适当的载波信号调制方式，将模拟 或数字信息通过天线发送出去。接收机则通过天线接收 经调制的载波信号，通过解调器从中获取发送方的原始 信息。 1. 无线通信基础理论 1-3.射频信号的发送与接收 l影响无线通信距离的因素 a)发射机功率、发射机天线增益； b)载波信号传播或链路损耗； c)接收机天线增益、接收机灵敏度。 1. 无线通信基础理论 1-3.射频信号的发送与接收 l射频信号的传播和损耗 自由空间损耗 其中：D=距离，=波长 菲涅耳区理论 多径衰落 现代无线通信技术概要 2. 现代无线通信技术 2-1. 无线扩频通信 现代无线通信技术概要 2. 现代无线通信技术 2-1. 无线扩频通信 lFHSS跳频扩频技术 lTHSS跳时扩频技术 lDSSS直接序列扩频 l 无线电扩频技术 跳频扩频（FHSS） 在ISM的2.4GHz2.4835GHz频段(在S-Band内),定 义了79个信道，每个信道带宽为1MHz，跳频序列 数为078。 使用伪随机发生器产生跳频序列，每次跳频的最小 跳变距离为6MHz。 每个信道的停延时间（dwell time）必须小于 400ms。 采用2级或4级的高斯频移键控（GFSK）调制技术 来实现1Mbps或2Mbps数据传输速率 。 跳频扩频（FHSS） 在ISM的2.4GHz2.4835GHz频段(在S-Band内),定义了79个信道，每个 信道带宽为1MHz，跳频序列数为078。 使用伪随机发生器产生跳频序列，每次跳频的最小跳变距离为6MHz。 每个信道的停延时间（dwell time）必须小于400ms。 l 无线电扩频技术 直接序列扩频（DSSS） IEEE802.11 在在ISMISM的的2.412GHz2.484GHz2.412GHz2.484GHz频段频段( (在在S-BandS-Band内内), ),定义了定义了1414 个频道，每个频道带宽为个频道，每个频道带宽为5MHz5MHz； 使用11bits巴克序列（Barker sequence）码片，采用 DBPSK或DQPSK调制，数据速率为1Mbps或2Mbps。扩频 后带宽为22MHz，占用5个频道频道。 IEEE802.11a 在在ISMISM的的5.725GHz5.875GHz频段(C-Band)定义了定义了52个信 道，48个用于数据传输、4个用于同步； 使用OFDM正交频分复用技术，基于QAM调制技术，216 位二进制数据被编码到288位的码元中，提供54Mbps数据传 输速率。 l 无线电扩频技术 高速率直接序列扩频（HR-DSSS） IEEE802.11bIEEE802.11b 在在2.4GHz2.4GHz的的ISMISM频段划分频段划分1414个频段；个频段； 使用每秒使用每秒1111兆时间片，采取兆时间片，采取CCK补码键控编码与与QPSK调制 ； 提供提供1/2/5.5/11Mbps1/2/5.5/11Mbps动态调节的数据速率。动态调节的数据速率。 pp 1Mbps1Mbps和和2Mbps2Mbps运行在运行在1MBaud1MBaud，分别采用，分别采用BPSKBPSK和和QPSKQPSK 调制；调制； pp 5.5Mbps5.5Mbps和和11Mbps11Mbps运行在运行在1.375MBaud 1.375MBaud ，使用，使用 Walsh/Walsh/HadamardHadamard编码。编码。 IEEE802.11gIEEE802.11g 是是802.11b802.11b的增强版本，运行在的增强版本，运行在2.4GHz2.4GHz的的ISMISM频段；频段； 使用使用OFDMOFDM调制技术；调制技术； 提供提供1/2/5.5/11/54Mbps1/2/5.5/11/54Mbps动态调节的数据速率。动态调节的数据速率。 lIEEE802.11信道频谱安排 在在ISMISM的的2.412GHz2.484GHz2.412GHz2.484GHz频段频段( (在在S-BandS-Band内内) )； 定义定义1414个频道，每个频道带宽为个频道，每个频道带宽为5MHz5MHz。 直接序列扩频（DSSS） 码片、扩频和相关 码片 - 直接序列扩频中使用的扩频函数,是一 个“伪随机”数字码,具有以下数学特性： 1.伪随机特性 对广播频段的偶然接收者表现出随机噪声的特点； 可以使接收机的随机码产生器非常迅速地与接收信号的 伪随机码同步。 2.低自相关性 该序列与自身时移后的序列不具有相关性； 接收机可以拒收时延超过一个码片周期的信号，这有助 于提高数据链路的鲁棒性，抵抗多径干扰。 直接序列扩频（DSSS） 3.3.低互相关性低互相关性 减少了相关器被不同伪随机码编码的信号干扰的机会；减少了相关器被不同伪随机码编码的信号干扰的机会； 在多址接人应用中的这种码字具有零互相关，这也是码分多址在多址接人应用中的这种码字具有零互相关，这也是码分多址 CDMACDMA中正交信号所具有的性质。中正交信号所具有的性质。 补码键控（补码键控（CCKCCK） CCK - CCK - 使用一组扩码，并依据输人数据比特组的数值从这组扩码使用一组扩码，并依据输人数据比特组的数值从这组扩码 中选择一个码。中选择一个码。 片码从一组片码从一组 64 64 个码字的集合中选取，选取时依据每个码字的集合中选取，选取时依据每 6 6 比特输人数比特输人数 据的数值大小。据的数值大小。 可以有效地利用频谱，可以用可以有效地利用频谱，可以用22MHz22MHz带宽达到带宽达到11Mbps 11Mbps 的传输率。的传输率。 需要需要 64 64 个相关器来找出其在个相关器来找出其在 64 64 个码字中所对应的码。个码字中所对应的码。 在 IEEE 802.11标准中，数据速率为 1Mbps 和 2Mbps 的伪随机码是 11 比特的巴克码： 直接序列扩频（DSSS） 现代无线通信技术概要 2. 现代无线通信技术 2-2. 信道复用和多址接入 l多路复用技术原理 1.时分复用(TDM) 2.频分复用(FDM)、波分复用(WDM) DEMUX 复用器解复用器 共享信道 MUX 多路复用技术示意图 （1）频分多路复用示意图 （2）时分多路复用示意图 ch1 F 1 F 2 F 4 F 5 F 3 t F 1 F 5 t ch2 ch1 ch3ch4 ch3 ch2 ch4 ch1ch2ch3ch4ch1ch2 频分复用频分复用 CH2 CH1 CH3 原始带宽 CH1 CH2 CH3 频分后带宽 MUX CH1 CH2 CH3 带宽复用 f 波分复用：波分复用：FDMFDM的变形的变形 F2 F1 F3 光谱 F1F2F3 共享光纤的光谱 光纤2 光纤3 光纤1 共享光纤 采用无源设备，更可靠 棱柱/衍射光栅 时分复用时分复用 A2 A1 A3 原始信号 D2 D1 D3 数字化信号 MUX 复用后数据 时隙1234 D3D2D1 统计统计TDMTDM A B C D 待发数据 t1 t2 t3 A1B1C1D 1 C2D 2 A2B2 周期1 周期2 同步 TDM 带宽浪费 A1B1C2B2 周期1周期2 统计TDM 可用带宽 现代无线通信技术概要 2. 现代无线通信技术 2-2. 信道复用和多址接入 lOFDM正交频分复用 正交频分复用是频分复用（FDM）的一种形式，它在一个频带 内传输多个离散子载波； 选择合适的子载波频率，可使相邻子载波之间的干扰降至最小。 控制每个子载波（也称单音）的带宽可以达到降低干扰的作用， 可使子载波的频率正好是其相邻子载波的频谱最小处： l OFDM正交频分复用 OFDM 应用 作为多址接人技术（ OFDM Access ），根据每个用 户的带宽要求为其分配单个子载波或一组子载波。 将一路串行比特流可以分成多路并行比特流，每一路 用一个单独的子载波编码。一个用户使用多路子载波 可以获得高的数据吞吐量。 比特流可以采用片码扩展，每个码片可以通过单独的 子载波并行传输。这样的系统被称为多载波 CDMA （MC-CDMA ）。 OFDM 无线通信也使用多个子载波，称为导频，来收 集信道质量的信息以帮助进行解调判决。 OFDM 发射机和接收机的示意框图 IEEE802.11a/g 标准在非授权的 2.4GHz和5GHz ISM 频段使用 OFDM 技术，可以提供高达 54 Mbps 的数据速率。 系统使用52个子载波，其中 48个用来传送数据且采用 BPSK/QPSK 、 16-QAM 或者 64-QAM 。剩余的 4 个子载波用做导频。 现代无线通信技术概要 2. 现代无线通信技术 2-2. 信道复用和多址接入 l无线多址接入技术 TDMA时分多址 FDMA频分多址 CDMA码分多址 空分多址 现代无线通信技术概要 2. 现代无线通信技术 2-3. 无线通信新技术 MIMO无线电 软件无线电 认知无线电 无线传感器网络概述 无线传感器网络的起源 1.传感器技术的发展 2.WSN研究课题的提出 3.国内外研究的进展和方向 l 无线传感器网络的发展历程 欧洲的欧洲的EYESEYES研究计划研究计划 目的：目的：是研发新的基于是研发新的基于WSNWSN的体系结构和技术，使得新一代的传感器节点的体系结构和技术，使得新一代的传感器节点 能有效的进行组网，以泛在平台的形式支持各种能有效的进行组网，以泛在平台的形式支持各种WSNWSN的应用。的应用。 图1 EYES研究计划的体系结构 l 无线传感器网络的发展现状 国内对WSN的研究 哈尔滨工业大学，清华大学，中科院软件所、沈阳自动 化研究所等不少单位也广泛开展了这方面的研究。 2004 年中国国家自然科学基金委员会将无线传感器网 络列为重点研究项目 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020) 在支持的重点领域及其优先主题“ 信息产业及现代 服务业”中列入了“传感器网络及智能信息处理” , 并在前沿技术中重点支持“ 自组织传 感器网络技术” 。 我国国家自然科学基金2005 年资助的项目中，仅面上 项目涉及传感器网络的就有15项之多。 2006 年国家自然科学基金将水下移动传感器网络的关 键技术列为重点研究方向 。 无线传感器网络概述 无线传感器网络体系结构 1.无线传感器网络的系统结构 2.WSN的技术特征和系统特点 3.WSN关键技术和应用领域 2.7.2 无线传感器网络结构特点 无线传感器节点通过电池供电，携带微处理器、存储器和射频模块。 节点间需要通过射频模块自组织组网以无线多跳方式向控制中心传输数据 。 WSN通过对多传感器感知的数据采用协同信号信息处理和数据融合技术，以能量 有效的方式，提高感知精度和探测范围，并增加感知的鲁棒性。 自组织、鲁棒性和快速部署特性使得WSN特别适合于军事领域、反恐、防爆、 环境监测、医疗保健、家居、商业、工业等其它众多领域，能完成传统系统无 法完成的任务 。 图2 无线传感器节点结构模块 WSN和无线ad hoc都属于无线多跳网络，在组网方式上有 类似的地方，但是二者仍存在以下差别： 组成WSN的无线传感器节点的数目远远多于组成ad hoc网络的网络 节点，WSN中的节点往往是密集分布。 WSN中的节点因为其硬件特性和所处的环境，容易损坏。 WSN中节点大都是静止的，WSN网络拓扑变化多是因为节点故障或 能量耗尽或者节点休眠引起；ad hoc网络的节点大都移动性很强， 其拓扑变化多是因为节点移动引起。 WSN中节点多为电池供电，且因为数量多，一般体积小，因此在能 量、处理能力和内存方面的资源都十分有限。MANET没有这样严苛。 MANET传输数据一般不冗余，WSN中数据往往有冗余。 MANET节点是对等模型，WSN可以是对等也可以是主从模型。 2.7.2 无线传感器网络结构特点 2.7.2 无线传感器网络结构特点 WSN的通信体系中有两种通信结构： 图3 WSN通信体系平面结构 1)平面拓扑结构，如图3。所有的网络节点处于相同的平等地 位,不存在任何的等级和层次差异,所以也被称为对等式结构。 2.7.2 无线传感器网络结构特点 图4 WSN通信体系逻辑分层结构 2)逻辑分层结构， 如图4。网络节点 按照某种规则（如 地理位置、应用需 求）分成各个簇， 每个簇由簇头和成 员节点构成。 l 无线传感器网络的技术热点 网络拓扑控制网络拓扑控制 在在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和节点选择，生满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和节点选择，生 成高效的数据转发的网络拓扑结构。成高效的数据转发的网络拓扑结构。 节点的连接和覆盖节点的连接和覆盖技术技术 为了保证整个区域都在监测范围内，需要按照一定规则或者密度在目 标区域布置传感器。研究得出结论：节点通信范围大于覆盖范围的两 倍时，WSN才能正常工作 。 问题节点的探测和隔离问题节点的探测和隔离 路由协议、媒质接入控制路由协议、媒质接入控制 定位技术定位技术 节能技术节能技术 鲁棒性鲁棒性 无线传感器网络的技术热点 网络拓扑控制 研究的内容：是满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和节点选 择，生成高效的数据转发的网络拓扑结构。 目的：网络拓扑控制能够提高路由协议和MAC协议的效率，有利于节省节点 的能量以延长网络生存期。 研究热点：是通过激活选定的节点集合，以能量有效的方式进行网络拓扑控 制。GAF20（从等效路由的角度选择工作节点）、SPAN21（从维护WSN骨 干传输网的角度选择工作节点）等算法 20 “Geography-informed energy conservation for ad hoc routing,” Proc. MobiCom 2001, pp. 70-84, July 2001. 21“Span: an energy-efficient coordination algorithm for topology maintenance in ad hoc wireless networks,” MobiCom 2001. 无线传感器网络的技术热点 传感器网络中节点的连接和覆盖技术 定义两种连接：纯连接（任意两个节点都能通信，包括直接和 多跳，这是物理基础）、路由连接（节点间通过某种路由算法 连接，主要考虑能够快速传递数据、能耗最小，即考虑优化） ；建立的连接模型主要涉及节点密度、通信距离、跳数、连接 度（一般指h跳内节点平均能够连接的节点数目与总节点数之 比），有许多人对无线网络的连接问题进行了研究，发现似乎 存在魔鬼数字，即平均每个节点的邻居节点数目达到或者超过 某个数时，网络连接程度突然大大提高，这个数字在58之间 覆盖问题指为了保证整个区域都在监测范围内，需要按照一定 规则或者密度在目标区域布置传感器，通常认为传感器的传感 范围是以节点为中心的园，基本要求是相邻传感器覆盖范围连 通，同时考虑到通信要求，研究人员已经得出结论：节点通信 范围大于覆盖范围的两倍时，WSN才能正常工作 无线传感器网络的技术热点 问题节点的探测和隔离技术 对传感器网络中问题节点（包括已经失效和性能降低） 的探测及其隔离，研究安全路由策略，规避问题节点， 如SEAD、SPINS、SNEP、SAR、改进AODV等； 也有人研究路由空洞问题（路由空洞节点指那些所有的 邻居节点，距离sink的距离都比自己远的节点），这样 如果采用贪婪（GF）算法，数据就无法传送到控制节点 了。 无线传感器网络的技术热点 路由协议 WSN路由特点： 由于WSN的资源有限性，路由协议在传输数据的同时，必须考虑能 量节省以延长网络寿命。 WSN的流量特点一般具有“many to one”的特点。 网络传输的数据具有高度冗余性的特征。 WSN路由协议的分类： 以数据为中心的路由协议，如SPIN22、Rumor Routing23 等 路由算法。 分层路由协议 ，如LEACH24、TEEN25等路由算法。 基于节点位置的路由协议 ，如MECN26、GAF27等路由算法 基于QoS的路由协议，考虑数据传输的时延、可靠性等QoS指标 ，如MLER28、SPEED29等路由算法 基于MA的路由协议； 其它各种基于节能的路由 无线传感器网络的技术热点 媒质接入控制 MAC协议的指标：能耗、带宽需求、冲突避免和维持网络连接30 MAC协议的分类： 基于调度算法的（Scheduling-based）MAC协议，如SMACS31、DE-MAC32等 协议算法 非碰撞的（Collision free）MAC协议 ，如IP-MAC33、TRAMA34等协议算法 基于竞争（Contention-based）的MAC协议 ，如S-MAC35、T-MAC36等协议 算法 混合（Hybrid scheme）的MAC协议 ，如混合TDMA-FDMA等协议算法37 30 Real-Time Communication and Coordination in Embedded Sensor Networks J.Proceedings of The IEEE, July 2003, 91(7):1002-1022. 31 Protocols for self-organization of a wireless sensor network J. IEEE Personal Communications, October 2000, 7(5): 1627. 32 Distributed Energy Aware MAC Layer Protocol for Wireless Sensor Networks A. Proceedings of International Conference on Wireless Networks C, 23-26 June, Las Vegas, Nevada, USA. CSREA Press, 2003: 282-286. 33 An Implicit Prioritized Access Protocol for Wireless Sensor Networks A. Proceedings of the 23rd IEEE Real-Time Systems Symposium (RTSS02) C, December 2002. 34 Energy-Efficient, Collision-Free Medium Access Control for Wireless Sensor Networks A. The First ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys 2003) C, Los Angeles CA, Nov. 2003. 35 “An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks,” In Proceedings of the 21st International Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies (INFOCOM 2002), New York, NY, USA, June, 2002. 36 An Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks A. The First ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys 2003) C, Los Angeles CA, Nov. 2003. 37 Energy Efficient Protocols for Low Duty Cycle Wireless Microsensor Networks A. ICASSP 2001 C, May 2001. 无线传感器网络的技术热点 媒质接入控制 1998年3月，IEEE标准化协会正式成立 802.15工作组，制定WPAN（数米到10米范围） 的MAC和PHY标准。下设4个任务组，802.15.1 即蓝牙，是中速率，近距离的WPAN，用于手 机、PDA等等近距离通信；802.15.2，研究 802.15.1与WLAN（802.11）的共存问题； 802.15.3，研究高速WPAN；802.15.4，即 Zigbee，研究低能耗、低速率（20、40、 250kbps）、低成本的WPAN，该标准被许多 WSN产品采纳。 无线传感器网络的技术热点 定位技术 WSN定位技术的特点： WSN中的节点一般都是随机放置在需要探测的区域，不预先知道 自己的位置 没有位置信息的监测信息通常是没有实际意义的，所以定位技 术是WSN中一项关键技术 WSN定位技术的方案 节点分为信标节点和位置未知节点 信标节点可以根据GPS技术或者其他方式获知自己的位置，其他 节点通常会采用传统的三边测量法、三角测量法或极大似然估 计法确定自己的位置。例如38 38 “GPS-less Low Cost Outdoor Localization For Very Small Devices,” IEEE Personal Communications, Special Issue on “Smart Spaces and Environments“, Vol. 7, No.5, pp. 28-34, October 2000. 无线传感器网络的技术热点 节能技术 WSN节能的特点： WSN中的节点一般使用电池供电，布设以后很难更换，因此能量有效 性成了首要问题，直接关系到网络的使用寿命 WSN节能的分类： 节点级(node-level)节能：网络内节点的软硬件节能设计及系统的节 能架构,参考文献39 节点间(inter-node level)节能：节点间协同工作及节点间能量的协 调控制，参考文献4036 网络级(network level)节能：延长网络寿命而采用的能量均匀消耗 措施，参考文献41 36 An Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks A. The First ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys 2003) C, Los Angeles CA, Nov. 2003. 39 “Energy-aware wireless microsensor networks,” IEEE Signal Processing Magazine, Volume: 19 Issue: 2 , March 2002 Page(s): 40 50. 40 “Physical Layer Considerations for Wireless Sensor Networks,” Proceedings of the 2004 IEEE Conference on Networking, Sensing and Control, pages 1201- 1206, Vol. 2. 41 “Maximum lifetime routing in wireless ad-hoc networks,“ IEEE INFOCOM 2004 无线传感器网络的技术热点 节能技术 CNET科技资讯网10月4日国际报道，诺基亚开发出一种 新的短距离无线技术，改进了蓝牙的一些缺点。 名为Wibree的这一技术在能源使用效率方面远高于蓝牙 ，这意味着它可以被应用在更小和更廉价的产品中，如传 感器网络 Wibree可以与10米以内的手机或其它产品通讯，能够以 10Mbps的速率传输数据。Wibree可以被部署在一个单独 的芯片中，也可以与蓝牙构成双模式芯片。Wibree使用 了与蓝牙不同的调制技术，能够更好地避免干扰，这有助 于降低能耗。 无线传感器网络的技术热点 鲁棒性 WSN鲁棒性特点： 应用必须自适应于节点故障和信道质量的波动 鲁棒性的分类 应对节点故障的鲁棒性，如多径路由算法42 、单径路由修复算法 43 应对无线信道波动的鲁棒性，建立适合于WSN的传输层协议算法，如 44提出PSFQ(Pump Slowly,Fetch Quickly) 42 Highly-resilient, energy-efficient multipath routing in wireless sensor networks. Mobile Computing and Communications Review,1(2), October 2002. 43 Low-cost, reliable data delivery in large wireless sensor networks. Technical report, University of Ottawa, 2003. 44 PSFQ: a reliable transport protocol for wireless sensor networks. In Wireless Sensor Networks and Applications(WSNA), Atlanta, Georgia, USA, September 2002. WPAN和IEEE 802.15标准 短距离无线通信系统 1.短距离无线通信模式 2.无线收发器组成结构 3.无线SoC单片机介绍 WPAN和IEEE 802.15标准 WPAN无线个人网 1.IEEE 802.15标准 2.Bluetooth蓝牙技术 3.UWB超宽带无线电 4.NFC近场无线通信 2.6.5 WPAN2.6.5 WPAN与蓝牙技术与蓝牙技术 WPANWPAN标准标准 IEEE IEEE 于于 1999 1999 年年3 3月成立月成立802.15802.15工作组（工作组（WG15WG15）, ,致致 力于提供支持具有互操作的低复杂度、低功耗的设力于提供支持具有互操作的低复杂度、低功耗的设 备标准的研究。备标准的研究。 这些设备能够随身携带或者安置在一个活动或静止这些设备能够随身携带或者安置在一个活动或静止 的人周围的人周围 （10m 10m 范围）内的个人工作场所（范围）内的个人工作场所（ Personal operating Space , POS ) Personal operating Space , POS ) 。 自从自从 20 20 世纪世纪 90 90 年代末以来，开发了很多不同的年代末以来，开发了很多不同的 PAN PAN 标准，最有代表性的是蓝牙、标准，最有代表性的是蓝牙、 IrDA IrDA 、ZigBeeZigBee 和和W-USB W-USB 技术。技术。 基于基于WPANWPAN标准的产品已经或正在进入我们的日常标准的产品已经或正在进入我们的日常 生活中。生活中。 l IEEE802.15 WPAN 标准 2.6.5 WPAN2.6.5 WPAN与蓝牙技术与蓝牙技术 IEEE 802.15 IEEE 802.15 标准标准 需解决三个主要难题：需解决三个主要难题： 平衡费用与距离和带宽的关系平衡费用与距离和带宽的关系 实现与其他无线设备的共存实现与其他无线设备的共存 在漫游环境中提供安全性在漫游环境中提供安全性 除了要满足对除了要满足对QoSQoS和安全性的传统需要外，还解决和安全性的传统需要外，还解决 了功率、复杂性、体积和费用上的限制；了功率、复杂性、体积和费用上的限制； 是一种专为短距离、低成本无线设备定制的标准。是一种专为短距离、低成本无线设备定制的标准。 为各种可能的为各种可能的WPANWPAN实现技术制定实现技术制定MACMAC子层和物理子层和物理 层标准层标准 - - 即即IEEE802.15.x IEEE802.15.x 系列技术规范。系列技术规范。 2.6.5 WPAN2.6.5 WPAN与蓝牙技术与蓝牙技术 IEEE 802.15IEEE 802.15标准实质内容：标准实质内容： 定义定义WPANWPAN中的媒体访问控制中的媒体访问控制(MAC)(MAC)规范和无线设备的物理层规范。规范和无线设备的物理层规范。 物理层：规定在物理层：规定在2.4GHz ISM 2.4GHz ISM 频段内的若干频道中的一个信道上传输。频段内的若干频道中的一个信道上传输。 MACMAC规范：定义了信息格式和安全建立规范：定义了信息格式和安全建立WPANWPAN的过程。的过程。 IEEE 802.15 WPANIEEE 802.15 WPAN的构成：的构成： 由不多于由不多于255255台设备组成动态组；台设备组成动态组； 这些设备在大约这些设备在大约3333英尺的距离内进行通信。英尺的距离内进行通信。 IEEE 802.15 WPANIEEE 802.15 WPAN的特点：的特点： 与无线局域网不同，一般只有这个有限区域内的设备参与本网络中的与无线局域网不同，一般只有这个有限区域内的设备参与本网络中的 通信活动；通信活动； 不定义与外部设备的连接。不定义与外部设备的连接。 2.6.5 WPAN2.6.5 WPAN与蓝牙技术与蓝牙技术 BluetoothBluetooth无线蓝牙标准无线蓝牙标准 19821982年年2 2月由爱立信、月由爱立信、IBM IBM 、诺基亚和东芝等公司成、诺基亚和东芝等公司成 立蓝牙特殊利益集团组织（立蓝牙特殊利益集团组织（ Bluetooth SIG) Bluetooth SIG) 19991999年年IEEE802.15IEEE802.15工作组成立，蓝牙工作组成立，蓝牙 SIG SIG 成为唯一成为唯一 响应响应 WG15WG15的组织。此后，蓝牙和的组织。此后，蓝牙和IEEE 802.15.1 IEEE 802.15.1 已已 经成为同一个概念。经成为同一个概念。 20002000年蓝牙无线耳机问市，其价格和功耗都大大降年蓝牙无线耳机问市，其价格和功耗都大大降 低。蓝牙已成为很多移动电话和低。蓝牙已成为很多移动电话和 PDA PDA 的普遍附加的普遍附加 特性。特性。 2.6.5 WPAN2.6.5 WPAN与蓝牙技术与蓝牙技术 无线蓝牙技术的特点无线蓝牙技术的特点 快速、灵活、安全、短距离；快速、灵活、安全、短距离； 低带宽、低成本、低功耗；低带宽、低成本、低功耗； 工作在工作在2.4GHz2.4GHz的的SIMSIM频段；频段； 每秒每秒16001600次跳频；次跳频； 短分组，短分组，FECFEC纠错；纠错； 最高数据传输速率为最高数据传输速率为1Mbps1Mbps； 以以TDMTDM方式实现全双工数据和语音通信。方式实现全双工数据和语音通信。 无线蓝牙技术的网络组成无线蓝牙技术的网络组成 以以1 1个主设备和个主设备和1717个从设备组建微微网（个从设备组建微微网（PiconetPiconet）；）； 一个一个PiconetPiconet的有效通信距离的有效通信距离1010010100米；米； 可由若干可由若干PiconetPiconet以特定方式连接起来构成分布式网络。以特定方式连接起来构成分布式网络。 l l 蓝牙微微网构成蓝牙微微网构成 2.6.5 WPAN2.6.5 WPAN与蓝牙技术与蓝牙技术 蓝牙微微网的建立过程蓝牙微微网的建立过程 所有设备就绪，每隔所有设备就绪，每隔1.281.28秒监听一次消息。秒监听一次消息。 若从设备的若从设备的MACMAC地址已知：地址已知： 则主设备发送寻呼消息（则主设备发送寻呼消息（ Page MessagePage Message） ； 在在1616个跳频频点上发送一串相同的寻呼消息；个跳频频点上发送一串相同的寻呼消息； 若无应答，则在另外若无应答，则在另外1616个跳频频点上再发送寻呼消息。个跳频频点上再发送寻呼消息。 若从设备的若从设备的MACMAC地址未知：地址未知： 主设备发送查询消息（主设备发送查询消息（Inquiry MessageInquiry Message）；）； 从设备发送应答消息，以建立连接。从设备发送应答消息，以建立连接。 在同一微微网内，所有设备均用同一跳频序列同步。在同一微微网内，所有设备均用同一跳频序列同步。 无线蓝牙设备的工作模式无线蓝牙设备的工作模式 保持模式（保持模式（HOLD ModeHOLD Mode）；）； 监听模式（监听模式（SNIFF ModeSNIFF Mode）；）； 休眠模式（休眠模式（PARK ModePARK Mode）。）。 无线蓝牙协议结构 蓝牙设备间的通信模型蓝牙设备间的通信模型 2.6.5 WPAN2.6.5 WPAN与蓝牙技术与蓝牙技术 无线蓝牙的基带协议无线蓝牙的基带协议 电路交换和分组交换相结合。电路交换和分组交换相结合。 连接方式：连接方式： 面向连接方式（面向连接方式（SCOSCO） - - 支持限时同步语音传输支持限时同步语音传输 ，时分双工，对称连接；，时分双工，对称连接； 无连接方式（无连接方式（ACLACL） - - 支持对称或非对称的分组数据传输，支持广播；支持对称或非对称的分组数据传输，支持广播； - - 主设备控制链路带宽，从设备依照轮询发送数据。主设备控制链路带宽，从设备依照轮询发送数据。 分组类型（分组类型（1616种）：种）： 控制分组（控制分组（4 4种）种） 数据分组数据分组 l 不同版本的蓝牙标准 蓝牙 1.1 版本是 PAN 标准，它工作于 2.4GHz ISM 频 段，物理层数据速率达到 1 Mbps 。具有有效的非对称 的 721/56 Kbps 的传输速率或 432 Kbps 的全双工通 信。 2004年11月份,发布了蓝牙 2.0 版本，该版本引人了增强 数据速率（ EDR ) ，使得物理层数据速率达到 1 、 2 或 3 Mbps 。 2009年4月21日，蓝牙工作小组（Bluetooth SIG）正式 发布蓝牙3.0+HS（高速）规范，将其传输速度一举从现 行的3Mbps提升到24Mbps。 2.6.5 WPAN2.6.5 WPAN与蓝牙技术与蓝牙技术 IEEE802.15.3 IEEE802.15.3 标准标准 UWBUWB技术（超宽带无线电）技术（超宽带无线电） 将关注点放在高带宽、低功率将关注点放在高带宽、低功率MACMAC和物理层上。和物理层上。 W-USBW-USB（无线（无线USB USB ）产品）产品 IEEE802.15.4 IEEE802.15.4 标准标准 ZigBeeZigBee 技术技术 用于低带宽、超低功率用于低带宽、超低功率MACMAC和物理层。和物理层。 强调减少费用、复杂性和芯片尺寸贯穿于标准制定过程的各个方强调减少费用、复杂性和芯片尺寸贯穿于标准制定过程的各个方 面。面。 所选择的电源管理、安全算法和所选择的电源管理、安全算法和QoSQoS的标准都考虑了这些特性。的标准都考虑了这些特性。 无线无线PANPAN中通信距离短的特征还意味着更低的传输功率和费用。中通信距离短的特征还意味着更低的传输功率和费用。 l WiMedia-MBOA 联盟的无线USB协议栈 无线 USB 协议栈的基础是由 MBOA-SIG 开发的 PHY 层和 MAC层规范。自从2005年3月 MBOA-SIG 和 WiMedia 联盟合并以后，这些规范被最后确定，并由 WiMedia-MBOA 联盟继续发展。 l WUSB 无线技术 物理层应用了 MB-OFDM 联盟（ MBOA ）的 UWB 无线技术，工作在