无线传感器网络与ZigBee技术讲座

讲座提纲 现代无线通信技术 概要 无线 传感器网络概述 WPAN和 IEEE 802.15标准 ZigBee技术 及其应用分析 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 1-1.无线电 传播和电磁波谱 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 。 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。 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。 1-1.无线电 传播和电磁波谱 电磁波 频谱 1-1.无线电 传播和电磁波谱 RF电磁波 频谱 1-1.无线电传播和电磁波谱 RF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 。 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 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。 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。 1-2.调制与解调技术 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 。 模拟信号调制方法： 调幅： 调频或调相： 1-2.调制与解调技术 数据编码和调制 1. 数字数据的数字信号编码： 单极性码 : 归零码 (RZ)；不归零码 (NRZ). 双极性码 : 归零码 ；不归零码 ； 交替双极性归零码 . 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： 调制与解调 : ASK； FSK ； PSK； QAM 。 编码方法 时钟 NRZ Manchester 差分 Manchester 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1. ASK-幅度调制 2. FSK-频率调制 3. PSK-相位调制 0 ) t fc o s ( 2A )( CC tS 数据 1 数据 0 ) t fco s ( 2A ) t fco s ( 2A )(2211tS) t fco s ( 2A ) t fco s ( 2A ) t fco s ( 2A ) t fco s ( 2A )(4C3C2C1CtS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 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 ASK FSK PSK 多级调制方法 1 01 10 00 0 +90 +180 +270 11 数据率 = n x 信号速率 +90 01 0 00 +270 11 +180 10 4-PSK 多级调制方法 2 16-QAM（正交振幅调制） ： 使用振幅和相位的 16种组合 90 0 45 135 180 225 270 315 1-3.射频信号的发送与 接收 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 DTE DTE DCE DCE 传输链路 数据电路（信道） DTE - 数据终端设备 。 DCE - 数据通信设备或数据电路端接设备 。 1-3.射频信号的发送与 接收 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 。 1-3.射频信号的发送与 接收 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。 1-3.射频信号的发送与接收 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 2. 现代无线通信 技术 2-1. 无线扩频通信 2. 现代无线通信 技术 2-1. 无线扩频通信 FHSS跳频扩频 技术 THSS跳时扩频 技术 DSSS直接序列扩 频 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 。 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。 直接序列扩频（ DSSS） IEEE802.11 在 ISM的 2.412GHz2.484GHz频段 (在 S-Band内 ),定义了 14个频道，每个频道带宽为 5MHz； 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 。 IEEE802.11a 在 ISM的 5.725GHz5.875GHz频段 (C-Band)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。 高速率直接序列扩频（ HR-DSSS） IEEE802.11b 在 2.4GHz的 ISM频段划分 14个频段； 使用每秒 11兆时间片，采取 CCK补码键控编码 与 QPSK调制 ； 提供 1/2/5.5/11Mbps动态调节的数据速率。 1Mbps和 2Mbps运行在 1MBaud，分别采用 BPSK和 QPSK调制； 5.5Mbps和 11Mbps运行在 1.375MBaud ，使用Walsh/Hadamard编码。 IEEE802.11g 是 802.11b的增强版本，运行在 2.4GHz的 ISM频段； 使用 OFDM调制技术； 提供 1/2/5.5/11/54Mbps动态调节的数据速率。 在 ISM的 2.412GHz2.484GHz频段 (在 S-Band内 )； 定义 14个频道，每个频道带宽为 5MHz。 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。 3. 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； 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CDMA中正交信号所具有的性质。 补码键控（ 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中选择一个码。 片码从一组 64 个码字的集合中选取，选取时依据每 6 比特输人数据的数值大小。 可以有效地利用频谱，可以用 22MHz带宽达到 11Mbps 的传输率。 需要 64 个相关器来找出其在 64 个码字中所对应的码。 2. 现代无线通信 技术 2-2. 信道 复用 和多址 接入 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 （ 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 ch3 ch4 ch3 ch2 ch4 ch1 ch2 ch3 ch4 ch1 ch2 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： FDM的变形 F2 F1 F3 光谱 F1 F2 F3 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 A2 A1 A3 原始信号 D2 D1 D3 数字化信号 MUX 复用后数据 时隙 1 2 3 4 D3 D2 D1 统计 TDM A B C D 待发数据 t1 t2 t3 A1 B1 C1 D1 C2 D2 A2 B2 周期 1 周期 2 同步 TDM 带宽浪费 A1 B1 C2 B2 周期 1 周期 2 统计 TDM 可用带宽 2. 现代无线通信 技术 2-2. 信道 复用 和多址 接入 OFDM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： 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。 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。 2. 现代无线通信 技术 2-2. 信道 复用 和多址 接入 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 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 欧洲的 EYES研究计划 目的： 是研发新的基于 WSN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 WSN的应用。 站 点信 息 服 务查 询 服 务应 用 层分 布 式 服 务传 感 和 网 络 层图 1 EYES研究计划的体系结构 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 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 。 能 量 模 块电 池 或 者 其他 能 源 传 感 器 A D C感 知 模 块存 储 器微 处 理 器处 理 模 块无 线 收 发 器射 频 模 块算 法 和 协 议实 时 操 作 系 统图 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