（通信与信息系统专业论文）基于无线传感器的电磁频谱监测网络研究与仿真.pdf

摘要 | | l i i l i i i | i | | 1 1 1 1 1 1 1 | 1 1 l l l l l l l i l l | l 洲i y 2 0 6 8 4 8 4 摘要 无线传感器网络作为“新一代宽带无线移动通信网络”的有机补充和末梢网 络，是近年来在无线自组织网络技术的基础上提出的一种新型分布式信息获取系 统。将其应用于电磁频谱监测则不仅能满足电频谱管理工作所需要的监测需求， 更能提升现有的监测准度与精度。但是网络的实际传输能力究竟如何，需要理论 仿真和实际测试多方面的验证。 针对上述问题，本文首先介绍了i e e e8 0 2 1 1 传输方式及无线传感器电磁频谱 监测网络的网络协议栈。通过使用网络仿真软件n s 2 进行实际的仿真，得出了网 络饱和吞吐量，速率等关键数据。最后，配合现场实际测试对网络的性能进行了 初步的总结。结果表明，结合i e e e8 0 2 1 1 传输方式的电磁频谱监测网络完全能够 满足频谱监测所需要的海量数据的传输。 关键词：无线传感器网络电磁频谱监测 i e e e8 0 2 1 1n s 2 a b s t r a c t _ 一 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，a no r g a i l i cs u p p l e m e n t a i l dp e r i p h e r a ln e 似o r ko f ”n e x t g e n e r a t i o nb r o a d b a n d 丽r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ”， i san e w 咖eo f d i s t r i b u t e dw i r e l e s sm o b i l ec o m m u i l i c a t i o i l sn e 锕o r ki n f o r m a t i o nr e t r i e v “s y s t e mb a s e d o n晰r e l e s sn 咖o r kt e c h n 0 1 0 9 y t h ea p p l i c a t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r km e l e c 臼o m a g n e t i cs p e c t m mm o n i t o r i n gc a nn o to n l ym e e t 也em o n l t o n n gr e q u l r e m e n t s h o w e v e r t h ea c t u a ln e t w o r k 订a i l s m i s s i o nc a p a c i t ) ，n e e d sa 、i d e 啪g eo fs i m u l a t i o n a 们a c n 璩l t e s t t h em a i nc o n t r i b u t i o n so fm et h e s i sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t l y ，w ei n t r o d u c e t h e i e e e8 0 2 1 lp r o t o c o l 甜l dt h ep r o t o c o ls t a c ko fe l e c t r o m a g n e t i cs p e c t m mm o m t o n n g i l e 铆o r kb a s e do n 谢r e l e s ss e n s o r a n dt h e ng e tk e yg 呲i s t i c so f n e tb yn s 2s i m u l a t i o n s o f h a r e f i n a l l y ，s u 删 i l a r i z et h ep e ；砷m a n c eo ft h en e 附o r kt h r o u 曲f i e l dt e s t t h e r e s u l td e m o n s t r a t e st h a ti e e e8 0 2 1 1i sf u l l yc 印a b l et om e e tt h en e e d so ft h em a s s s p e c t n l mm o n i t o r i n g d a t at 砌s m i s s i o ni l le l e c t 】m a 伊l e t i cs p e c t m mm o m t o n n g n e t 、o r k k e y o r d ：w i r e l e s ss e n s o rn e 押o r k e i e c t r o l n a g n e t i cs p e c t m mm o n i t o r i n g i e e e8 0 2 1 1 n s 2 第一章绪论 1 1 1 无线传感器网络 第一章绪论 1 1研究背景 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简写w s n ) 作为“新一代宽带无线 移动通信网络”的有机补充和末梢网络，是近年来在无线自组织网络技术的基础 上提出的一种新型分布式信息获取系统【l 】- 【4 】。它是将大量的具有通信与计算能力 的传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定监控区域，构 成“智能”自治监控网络系统，能够监测、感知和采集各种环境信息或监测现象的 信息。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、网络技术、无线电 通信技术、分布式信息处理技术等多项技术，在实际应用中可以满足人们在任何 时间、地点和任何环境条件下获取大量网络分布区域内的详实而可靠的信息的需 求。因此轻量散投的无线传感器网络在军事国防、工农业、建筑及城市管理、生 物医疗、环境监测、抢险救灾、公共安全和反恐、危险及有害区域远程控制等许 多领域都有极重要的科研价值和巨大实用价值，许多国家的学术、工商业和军事 技术等领域都给予了高度重视。它的出现引起了全世界的广泛关注，被公认为是 将对二十一世纪产生巨大影响的技术之一，具有重要的科研价值和广泛的应用前 景。 传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的一体化网络系统，与无线自 组网络有着相似之处，但也具有许多特点，具体可归纳如下： 组网规模大 自主组网、自维护性能强 具有多跳路由能力 以数据为中心( d a t ac e n t r i c ) 的任务型网络 基于应用的网络 无线传感器网络被美国技术评论杂志评为未来新兴十大技术的第一项未 来新兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其 中。面向电磁频谱监测的无线传感器网络是传感网的一种典型应用，在军事领域 和民用方面都具有广阔的应用前景。 1 1 2 电磁频谱管理与无线电监测 国家及省市各级无线电管理机构对无线电频谱监测和管理工作，需要及时全 2基于无线传感器的电磁频谱监测网络研究与仿真 面掌握所辖范围的无线电资源和电磁环境变化态势，运用各种手段，对无线电业 务的频率使用【5 】无线电设备的研制，无线电台站的设置与使用等有关业务进行 的管理。目的是避免和消除无线电频谱使用中的相互干扰，维护空中电波秩序， 是有限的电磁频谱资源得到合理、有效的利用。电磁频谱管理的主要内容包括： 频率管理、设备管理、无线电台管理、无线电涉外管理及无线电监测。其中，无 线电监测在电磁频谱管理中的地位尤为重要。 对无线电的监测，包括日常的电波监听、测量、测向和定位、电台识别和干 扰查找。其主要任务是通过识别发射信号的相关技术参数和操作特性，查找和验 证未授权的无线电发射机或无线电台站，确保符合或遵守国家无线电管理有关规 定：采用技术手段和一定的设备对无线电发射的基本参数和频谱特性参数( 频 率、频率误差、射频电平、发射带宽、调制度) 进行测量，对模拟信号进行监 听，对数字信号进行频谱特性分析，对频段利用率和频带占用度进行测试统计分 析；调查、记录有关干扰源、背景噪声等电磁环境情况判明并解决干扰问题，查 找非法无线电台站的干扰；论证无线电信道和频道的可用性，验证频谱工程中的 有关技术分析是否符合实际情况，为频率指配提供依据；验证正常的无线电台站 的技术参数和操作特性，确定是否遵守执照核定的项目；监测有关频谱的占用情 况，进行有关频率、发射功率、天线增益调制类型、占用带宽、信道载荷和占用 度、场强等的测量，进行有关的信号与系统分析，其相关频谱数据将用作频谱规 划、划分和分配的依据。电磁频谱监测的目的是提供空中无线电波和电磁辐射的 测量信息来支持无线电管理，从技术上确保无线电管理条例的执行，以防止有害 干扰，确保各种无线电设备正常运行。 如果能够适时的将频谱使用情况和需求变化趋势通知频谱规划者，正常的频 谱管理就能满意进行。通过长期频谱监测并把监测的数据进行记录，通过统计分 析、评估，可以有效的利用频谱资源。 1 1 3 基于无线传感器的电磁频谱监测网络 基于无线传感器的频谱监测网络系统的部署可以通过认知无线电技术实现上 述无线电频谱管理工作所需要的监测需求，为无线电频谱管理部分提供有效的监 测监控支持，实现对指定监测区域的实时监测，并通过定位、跟踪、识别等功能 进行非法电台的搜寻。 基于无线传感器的电磁频谱监测网络系统可以看成是由无线传感器节点群、 网关节点和任务管理中心三部分组成( 如图1 1 示) 。 无线传感器网络的主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和无线通信 模块的传感器节点群，由大量的具有监测超宽带频谱能力的感知节点组成，节点 第一章绪论 3 通过人工布置等方式，随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构 成网络。以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定监测对象发送的无 线频谱信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。极个别 节点具有对被监测对象( 如非法电台或敌方通信设备) 进行定位与跟踪的功能。 在无线传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围，只能与自己通信范围 内的邻居节点交换数据，所以要访问通信范围以外的汇聚节点，必须使用多跳路 由后路由到网关节点，最后到达任务管理中心。 处于系统中层的传感器节点叫做网关节点，除了具备一般传感器节点的应有 功能之外，网关节点还有对传感器节点群上报信息转发的功能。并将需要转发的 数据上报至任务管理中心。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较 强，可以使用多种方式与外部任务管理中心互联，把收集的大量数据转发到外部 任务管理中心，同时发布信息管理中心的监测任务。汇聚节点既可以是一个具有 增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存和计算能力，也可以是 没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网管设备。大规模传感器网络的应用可 能会使用多个汇聚节点。 图1 1 基于无线传感器网络的电磁频谱监测系统 处于系统最上层的任务管理中心负责整个系统的任务发布和信息处理工作。 用户通过任务管理中心向传感器网络内的某些特定位置的节点发送监测命令，将 采集到的信息发送回任务管理中心，此时，任务管理中心需要快速地对多个节点 信息进行处理，其中包括对监测对象的定位与实时跟踪、监测频段的信道占用度 或频段占用度测量、监测目标信号抗干扰盲源分离、监测对象调制方式的自动识 别与分类、信号重要调制信息如中心频率、带宽、波特率等的估计，监测对象发 ，、 一时一警 4 基于无线传感器的电磁频谱监测网络研究与仿真 射信号功率强度测量等，用来后续进行解调和监听，也可针对这些参数对监测对 象进行针对性干扰。 1 2 论文组织与结构 本论文围绕基于无线传感器的电磁频谱检测网络，对网络数据的无线传输进 行了仿真，并通过与理论分析及现场测试数据的对比得出网络的平均吞吐量等关 键数据。 首先，第一章为本文的绪论，简要介绍了文章的背景，及电磁频谱监测网络 的构成等基本要素。 第二章对i e e e8 0 2 1 l 无线传输协议进行了介绍及理论上的分析。 第三章对电磁频谱监测网络采用的协议栈进行了详细的介绍与分析。 第四章通过网络仿真软件的参数设置及代码编写，对网络进行架构层面上的 详细仿真。 第五章结合网络现场测试得出的实际数据，对网络的传输能力进行总结与规 划建议。 第六章是全文所做工作的总结，并指出了需要进一步研究的问题。 最后是本文的参考文献及致谢。 第二章i e e e 8 0 2 1l 协议 5 第二章i e e e8 0 2 1l 协议 2 1协议体系结构的必要性及简介 终端或其他数据处理设备交换数据时，整个过程是相当复杂的，相互通信的 两个设备必须高度协调1 6 j 。在实现时，通常将整个任务划分为多个子任务，然后 分别实现各个子任务而不是作为单一的模块实现。在协议体系结构中，模块被安 置成垂直的任务栈。栈中的每一层完成与另一个系统通信所要求的一个相关功能 子集。它对其高一层提供服务并且依赖下面的一层完成更原始的功能，并隐藏这 些功能的细节。层与层之间通过接口交互信息，每一个接口定义了一个层必须向 它的上层提供什么信息和服务，定义清楚的接口和层功能使得网络可以模块化。 在理想的情况下，层次的定义应该使任一层发生变化时不要求其他层次也跟着变 动。 ： 当然，通信是双方要参与的，因此在相互通信的两个系统中必须有相同的分 层的功能集合。两个系统的通信是通过两个系统中的对等层( p e e rl a y e r ) 之间的 通信完成的。对等层利用格式化的数据块进行通信，其过程遵循一组成为协议 ( p r o t o c 0 1 ) 的规则或约定。一个协议必须具有语法( s y n t a x ) 、语义( s e m a m i c s ) 和定时关系( t i m i n g ) 这几个关键特征。 对于应用于传感器网络的协议栈，人们曾经一度认为成熟的i n t e m e t 技术加上 a d - h o c 路由机制对传感器网络的设计是充分的，但深入的研究表明：传感器网络 有着与传统网络明显不同的技术要求，前者以应用、数据和协助为中心，而后者 以传输数据为目的。传统网络的设计遵循着“端到端”的思想，强调将一切与功能 相关的处理都放在网络的任务处理中心上，中间节点不实现任何与分组内容相关 的功能，而无线传感器网络仅仅实现分组传输功能是不够的，有时特别需要“网 内数据处理”的支持。在无线传感器网络的开发过程中，网络架构各个层次的研 究人员为了同一性能优化目标( 如节省能耗，或提供目标跟踪的精度) 而进行的 协作将非常普遍，这种优化工作使得网络体系架构中各个层次之间的耦合变得更 加紧密，这种协议的跨层设计无疑会增加体系结构设计的复杂度，但跨层设计的 思想还需要进一步实践证实。 因此，我们设计的基于无线传感器的电磁频谱监测网络协议从协议体系及其 相应功能上，可以划分为通信系统协议和应用系统协议两大部分( 如图所示) 。通 信系统协议的主要功能是信息的传输与组网，这一部分主要包括o s i 七层模型中 的物理层、数据链路层、网络层、传输层，其核心内容包括调制解调、信道共享 与分配、路由和与其他网络的互联互通。应用系统协议，在本项目中就是电磁频 6基于无线传感器的电磁频谱监测网络研究与仿真 谱监测节点的通信和协作，以满足应用要求的非法电台的识别、跟踪和干扰的功 能，支持监测节点向汇聚节点汇报监测信息，由中心处理节点来完成识别和跟 踪，也支持多个监测节点之间通过协作来完成目标的识别和跟踪。 匿嘲 霉，传输层：爹 网络层 数据链路层多 邈是 图2 1电磁频谱检测监测网络协议栈 对于电磁频谱监测这一特殊的应用需求来说，我们在选择无线传输方式上采 用了能够容忍大数据量，长距离，高传输速率的无线局域网协议i e e e8 0 2 1 1 。在 基于i e e e8 0 2 1 1 的协议上进行结合t c p i p 的应用层数据传输可以完全满足传输要 求。 2 2i e e e8 0 2 1 1 物理层 物理层协调在物理层面上的无结构比特流的传输，处理机械的、电气的、功 能的和过程化的特性以接入物理媒体。还定义了这些物理设备和接口为所发生的 传输所必须完成的过程和功能。 物理层技术选择方面，环境的信号传播特性、物理层技术的能耗是设计的关 键问题，传感器网络的典型信道属于近地面信道，其传播损耗因子较大，并且天 线高度距离地面越近，其损耗因子就越大，这是传感器网络物理层设计的不利因 素。针对空间信道的特殊性，我们选择高传输速率的i e e e8 0 2 1 l 物理层作为本项 目的物理层技术。 2 2 1i e e e8 0 2 1 1 简介 8 0 2 1 1 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网 和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只 能达到2 m b p s 。初始定义的i e e e8 0 2 1 1 标准定义了三个物理媒体1 7 j _ 【9 】： 1 、工作在2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 波段上的直接序列扩 频d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t n l m ) ，其速率为l m b s 和2 m b s 。f s s ( f e d e r a l c o m m u l l i c a t i o nc o n u n i s s i o n ) 对于这个频段的使用不要求许可，没有授权限制。可 获得的信道数取决于不同国家管制部门所分配的带宽。其范围，由大多数欧洲国 第二章正e e 8 0 2 1 1 协议 7 家的1 3 个信道到日本的仅有一个信道。 2 、工作在2 4 g h z 的i s m 波段上的调频扩频f h s s ( f r e q u e n c y h o p p i n gs p r e a d s p e c t n l m ) ，其速率为1 m b s 和2 m b s 。其可获得的信道数量范围有日本的2 3 个到 美国的高达7 0 个。 3 、工作在波长介于8 5 0 n m 9 5 0 衄的红外波段上，其速率为l m b s 和2 m b s 。 由于8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，i e e e 小组又 相继推出了8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 b 、8 0 2 1 1 9 三个新标准。他们之间技术上的主要差别 在于m a c 子层和物理层。 表2 1 i e e e 8 0 2 11 物理层标准 8 0 2 1 18 0 2 1 l a8 0 2 1 1 b 8 0 2 1 1 9 可获得带 8 3 5 m h z3 0 0 删z8 3 5 m h z 8 3 5 m h z 宽 不需要许 2 4 g h z 一2 4 8 3 5 g h 5 15 g h z 一5 3 5 g h z2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z 可的操作 z o f d md s s sd s s s 、o f d m 频率 d s s s 、f h s s 无重叠的 3 4 33 信道 每个信道6 ，9 ，l2 ，l8 ，2 4 ，3 6 ，4 8 ，l ，2 ，5 5 ，6 ，9 ，1 1 ，1 2 ，1 8 ，2 1 2 m b 以 1 ，2 ，5 5 ，1 lm b s 的数据率 5 4 m b s 4 ，3 6 ，4 8 ，5 4 m b ，s 2 2 2i e e e8 0 2 11 a i e e e8 0 2 1 1a 使用u n n i ( u n i v e r s a ln e t w o r k i n gi r 面肌a t i o ni n 觚讯l c t u r e ) 的 频段，该频段分为三部分。切蝌i 1 频段( 5 1 5 g h z 5 2 5 g h z ) 用于室内，u 叮n i 2 频段( 5 2 5 g h z 5 3 5 g h z ) 用于室内或者室外；u n n i 3 频段( 5 7 2 5 g h z 5 8 2 5 g h z ) 用于室外。 相比起i e e e8 0 2 1 1 b g ，8 0 2 1 l a 利用了更多的可获得的带宽。每个切蝌i 频 段可提供4 个不重叠的信道，因而总共有1 2 个分配的信道。且提供了比8 0 2 1 l b 僮 更高的数据率，其最大的数据率与8 0 2 1 1 9 相同。另外，i e e e 8 0 2 1 l a 使用了一段 不寻常的相当整洁的频谱。 i e e e8 0 2 1 1 a 不使用扩频模式，而是使用0 f d m ( 正交频分复用) ，它在不同 频率上使用多载波信号，每个信道上发送若干位，各个信道之间载波相互正交， 因此不会造成干扰这类似f d m ，但是o f d m 的所有子信道被指定给单个数据源。 为实施o f d m ，规范支持多种调制和编码方法的使用。系统书用的子载波数 多达4 8 个，每个子载波使用b p s k ，q p s k ，1 6 q 舢订，6 4 一q a m 进行调制，子载 8 基于无线传感器的电磁频谱监测网络研究与仿真 波之间的频率间隔为o 3 1 2 5 m h z 。速率为1 2 ，1 3 ，3 4 的卷积码提供正向纠错， 调整技术和编码速率和在一起决定了数据率( 如表2 2 ) 。 表2 28 0 2 1 l o f d m 关键参数 每个符号每个符号数据 数据速率m b s调制编码率子载波编码位数 码位位数 6b p s kl 2l4 82 4 9b p s k3 4l4 83 6 1 2 q p s k l 229 64 8 1 8 q p s k 3 429 67 2 2 4 1 6 一q a m 1 241 9 29 6 3 6 1 6 一q a m 3 441 9 21 4 4 4 8 6 4 - q a m l 262 8 81 9 2 5 4 6 4 一q a m 3 462 8 82 1 6 i e e e 8 0 2 1 1 物理层的p l c p 子层提供o f d m 传输所需的成帧和信令位，p d m 子层完成实际的编码和传输操作( 如图2 2 所示为物理层的帧格式) 。 速率：说明帧中的数据字段部分被传输的数据率。 长度：表示所包含的m a c 帧的字节数，以1 2 位来表示。此字段由最低位至 最高位进行传送。 偶同：有关前三个字段的一个奇偶校验。 尾部：附加到该o f d m 符号后的六个0 位，可使卷积码达到0 状态。因此， 在定义上着6 个位必须交由卷积码处理。 服务：和p l c p 头部的其它域不同的是，它是以包含的m a c 帧的数据率通过 物理层协议单元的数据( d a t a ) 字段来传送。在传送之前，m a c 必须经过扰频， 前6 位设定为0 是为了启动扰频器，剩下的9 位目前保留。 数据：数据所使用的编码机制取决于数据速率。在传送之前数据必须经过扰 频。 结束符：附加至m a c 帧尾主要是让卷积码可以平顺结束。用于重新初始化卷 积编码器。 填充位：o f d m 是以大小固定的位块来传输数据，因此需要填充位。位块的 大小取决于数据所使用的调制方式和编码率。使得在数据段的位数是一个o f d m 符号的整数倍。 第二章l e e e 8 0 2 1 1 协议9 时间：1 6 u s4 u s 变量 前导码信号 数据 ( p r c 锄b l e ) ( s i g n a i ) 、 b i t ：4l1 2 l61 6 变量 6 变量 速率保留长度 偶同结束码服务 m a c i 帧 结束码 填充位 ( r a 把)( r e s e r v e d ) ( l e n 垂h )( p 州聊( t r a i l )( s e r v e )( t r a i l )( p a d ) _ p l c p 帧头 一 2 2 3i e e e8 0 2 1 1 b 图2 2i e e e 8 0 2 1 l a 物理层协议数据单元 i e e e8 0 2 1 l b 是i e e e8 0 2 1 ld s s s 模式的一个补充，它提供了在i s m 频段上 5 5 m b s 和l l m b s 的数据速率。为了获得比8 0 2 1 1 更高的数据速率，8 0 2 1 l b 使用 了补码键控c c k ( c o m p l e m e n t a 巧c o d ek e y i n g ) 调制模式。 i e e e8 0 2 1 1 b 定义了两种物理层的帧格式，他们只是在前导信号的长度上有所 不同。长的1 4 4 位的前导信号分为1 2 8 位的同步与1 6 位的开始帧分隔符( 如图2 3 所示) ，短的前导信号分为5 6 位的同步信号与1 6 位的开始帧分隔符。前导信号使 用差分b p s k 和巴克码以l m b s 的速率发送酶 紧接着前导信号的是p l c p 的头部，使用d q p s k 以2 m b s 的速率发送。p l c p 由信号、服务、长度、和c r c 组成。 信号：说明帧中m p d u 发送的数据率。 i 。 服务：8 位中一位指明使用的发送频率和符号时钟是否与本地的振荡器一样， 一位指明是否使用了c c k 或者p b c c 编码，还有一位用作长度子字段的扩展。 长度：为传送一个帧所需要的微秒数来指明m p d u 子段的长度，以1 6 进制无 符号整数表示，从低位传送至高位。 c r c ：保护前三个字段的一个1 6 位循环冗余检验码。 b t ：1 2 81 68 81 61 68 媒介访问控制 同步开始帧分隔符信号服务长度 c i 汇 协议数据单元 ( s y n c )( s f d ) ( s i g n a l ) ( s 硎c e ) ( l e n g t l l ) ( m p d u ) 2 2 4i e e e8 0 2 1 l g p l c p 帧头 图2 3i e e e 8 0 2 1 l b 物理层协议数据单元 i e e e8 0 2 1 1 9 将8 0 2 1l b 的最高数据率由1 1 m b s 提高到5 4 m b s ，和8 0 2 1 1 b 一样，e e 8 0 2 1 1 9 工作在2 4 g 的i s m 频段，因此8 0 2 1 l g 是向下兼容的【l o 】。该 l o 基于无线传感器的电磁频谱监测网络研究与仿真 标准的开发使得8 0 2 1 l b 的设备与8 0 2 1 1 9 设备可以共同工作，但是传输速率选择 两个设备里的最低速率。8 0 2 1 1 9 包含多种速率，对于l 、2 、5 5 m b s ，其与8 0 2 1 1 和8 0 2 1 1 b 有相同的调制和成帧模式，和他们兼容；对于6 、9 、1 2 、1 8 、2 4 、3 6 、 4 8 、5 4 m b s ，8 0 2 1 1 9 采用8 0 2 1 1 a 的o f d m 模式，但是适应于2 4 g h z ，因此称 为e r p ( e x t e n d e dr a l e dp h y s i c a j ) o f d m 。同理适用于2 2 m b s 和3 3 m b s 的 e r p p b c c ( 具体如表2 3 所示) 。 表2 38 0 2 1 1 9 物理层关键参数 数据率m b s 调制模式 数据率m b s调制模式 1d s s s 1 8 e r p o f d m 2d s s s2 2e r p p b c c 5 5 c c k 或p b c c2 4e r p o f d m 6e i 之p o f d m3 3e r p p b c c 9e r p o f d m3 6e i t p o f d m 1 l c c k 或p b c c 4 8e r p o f d m 1 2e r p o f d m5 4e r p o f d m 2 3i e e e8 0 2 1 1 数据链路层 在数据链路层方面，由于无线传感器网络有多个传感器节点高密度的分布在 监测区域，媒体介入控制层( m a c ) 功能包括无线介质访问、网络连接、分段重 组、认证和加密。 2 3 1 无线介质访问 i e e e 8 0 2 1 l 实现对共享媒介访问的公平控制，该功能通过2 种访问机制来实 现：基本访问机制，也称为分布式协调功能( d i s t r i b u t ec o o r d i n a t i o nf u i l c t i o n ，d c f ) ； 集中控制访问机制，也称为集中协调功能( p o i n tc 0 0 r d i n a t i o nf u i l c t i o n ，p c f ) ，其 结果如图2 4 所示。 习 图2 4m a c 的体系结构 第二章i e e e 8 0 2 1 l 协议 l l d c f 的核心是c s m a c a 。它包括载波检测( c s ) 机制、帧间间隔( i f s ) 和随机 退避( r a n d o mb a c k o 规程。每个节点使用c s m a 机制算法，让各个站通过争用 信道来获取发送权。 p c f 使用集中控制的介入算法，一般在接入点( a p ) 实现集中控制，用类似于 轮训的方法将发送数据权轮流交给各个站，从而避免竞争发生的碰撞。对于时间 敏感的业务，就应该使用p c f 控制方式。本篇论文着重就d c f 的机制进行讨论与 后续的仿真。 d c f 有两种工作方式，c s m c a 和r t s c t s 。 ( 1 ) c s 燃a ：采用两次握手，接收方正确接收帧后，立即返回确认帧( a c k ) 。 载波侦听有物理载波监测和虚载波监测组成。物理载波监测在物理层进行，对接 收天线接收到的有效信号进行检测，若探测到有效信号，则认为信道忙；虚载波 监测在m a c 进行，这一过程体现在网络分配向量叫咖o r ka l l o c a t i o nv e c t o r ，n a v ) 更新之中，n a v 存放的是介质信道使用情况的预测信息，这些预测信息是根据 m a c 帧中d 删i o n ( 持续时间字段) 申明的传输时间来确定的。n a v 可以看做是 一个以某个固定速率递减的计数器，当值为0 时，虚载波监测认为信道空闲。载 波监测( c s ) 最后的指示是在物理载波监测和虚载波监测综合得到的，只要有一个指 示为忙，则载波监测( c s ) 指示为忙。只有当两种指示方式均为信道空闲时，载波监 测( c s ) 才指示为空闲。 在n a v 有效定时时间内，站点认为介质毫无疑问地处于忙状态，所以没有必 要再去检测介质。只有在n a v 定时器的定时器结束后，站点才通过物理层载波检 测方法来判断当前介质的状态。 c s m a c a 过程如下图所示： d i f s 源站 i 叫 有帧要发送 i s i f 主。 目的站 l 傩| 时间 图2 5c s l 、嗄a ，c a 传输规程 其中s i f s 是短帧间间隔，d i f s 是分布式协调功能帧间间隔。n a 、，是网络分 配向量 站一他一 1 2 基于无线传感器的电磁频谱监测网络研究与仿真 介质忙则需要等待，当介质空先后，c s m 胱a 算法采用b e b ( 二进制指数 退避算法) 退避算法，利用随机退避时间控制各工作站发送帧的进行，从而使碰 撞达到最小。退避时间设置公式为： 退避时间= t c w m d o m ( ) 】s l o tt i m e 其中c w 表示竞争窗长度，是c w m i n c w m a x 中的一个整数，r a n d o m ( ) 表 示0 1 之间的一个随机数，s l o tt i m e 表示m i b ( 管理信息数据库) 中的时隙值。 退避机制如下： 如下图，站点a 、b 共享信道，a 站点检测到信道空闲时间大于d i f s 时发送 数据报，b 站点此时立刻停止退避时间计数，知道又检测到信道时间大于d i f s 时， 继续开始计数，当b 的计数器为o 时，开始发送数据。 站点a 站 图2 6 b e b 退避机制 发送次数与竞争窗的大小关系如下图： 延迟时问 图2 7 退避发送次数与竞争窗的大小 ( 2 ) r t s c t s ：采用四次握手机制，包括r t s c t s d a t a _ a c k 。首先， a 向b 发送r t s 信号，表明a 要向b 发送若干数据，b 收到r t s 后，向所有基 站发出c t s 信号，表明已准备就绪，a 可以发送，而其余欲向b 发送数据的基站 则暂停发送；双方在成功交换i 玎s c t s 信号( 即完成握手) 后才开始真正的数据 传递，保证了多个互不可见的发送站点同时向同一接收站点发送信号时，实际只 第二章i e e e 8 0 2 1 1 协议 1 3 能是收到接收站点回应c t s 的那个站点能够进行发送，避免了冲突发生。即使有 冲突发生，也只是在发送r t s 时，这种情况下，由于收不到接收站点的c t s 消息， 所有站点再用d c f 提供的竞争机制，分配一个随机退守定时值，等待下一次介质 空闲d i f s 后竞争发送r t s ，直到成功为止。机制实现如下： 如果没有收到a c k ，源站则认为数据丢失，会重新传输，但是如果只是返回 的a c k 丢失了，则目的站在接收到r t s 后则重新发送a c k 而不是c t s 。 其优点在于多个b s s 使用同一信道并有交叠，协议利用帧中的m p d u i d 来 防止重帧，由于同一帧具有相同的m p d u i d ，因此，接收站只需保持一个m p d u i d 缓存区，即可拒绝接收那些与缓存区中m p d u i d 值相同的重传帧。但是r t s c t s 不能用于具有广播或多址地址的m p d u 。因为如果i s 有多个目的地址，就会有 多个c t s 来对应。r t s c t s 额外的帧会增加冗余，降低效率，尤其对短数据帧， 所以该机制并不合理。 卜 源站 r t s i 数据 i 时间 一j 一p q 目的苎l ! li 竺i ? 其 爿 咕 n v ( 盯s ) 时间 l ln v ( cs ) 争用窗口 m v ：网络分配向量延迟接入 n v ( 数据帧) 2 3 2 网络连接 图2 8r t s c t s 传输机制 i e e e8 0 2 1 1 规定，网络连接的方式分为两种：被动扫描模式和主动扫描模式。 ( 1 ) 被动扫描模式。工作站对每一个信道进行一段时间的监听，具体时间长 短由c h 猢e l t i m e 确定。该工作站值寻找具有本站希望加入的s s i d ( 服务组标识 符，s e i c es e ti d e n t i f i e r ) 的信标帧，搜索到这个信息后，继而便分布通过认证和 连接过程建立起连接。 ( 2 ) 主动扫描。工作站发送包含有该站希望加入的s s i d 信息的探询( p r o b e ) 帧，然后开始等待探询响应帧。工作站也可以发送广播探询帧，广播帧会引起所 有包含该站的网络的响应。 1 4基于无线传感器的电磁频谱监测网络研究与仿真 2 3 3 分段重组 把一个媒介访问控制服务数据单元( m s d u ) 或者媒介访问控制管理协议数据 单元( m m p d u ) 分成较小的多个m a c 级帧一一媒介访问控制协议数据单元 ( m p d u ) 的过程称为分段。在信道特性限制了长帧成功接收概率的情况下，分段 创建的m p d u 的长度比原始的m s d u 或者m m p d u 的长度要小，以提高可靠性。 把m p s u 重新组装成一个m s d u 或者m m p d u 的过程称为分段重组。 只有在单播帧的情况下，m p d u 才分段，广播或者多目标传输帧不会被分段。 当从l l c 接收到一个定向的m s d u 或者从m a c 子层管理实体接收到一个定 向的m m p d u ，并且其长度超过a f r a g m e n t a t i o n n e s h o l d 值时，该m s d u 或者 m m p d u 将被分段成多个m p d u ，每个分段的长度不超过a f r a g m e n t a t i o n t l l r e s h o l d 的帧。如下图所示： _ m a c 帧实体 c r c m a c 帧实体c r c m a cm a c i 头部头部头部 帧实体 c r c帧实体c r c 头部 2 3 3 认证和加密 分段l 图2 9 分段 认证提供w l a n 中一个s t a 向另一个s t a 证明其身份的机制。认证过程是 一个问题提出、申请提出和结果交换的过程。如果证明交换是相互可以接收的， 则这2 个s t a 将告诉对方其身份申请是可信的。一个相互的认证关系必须经过成 功认证过程之后才能建立。认证可以在任何2 个s t a 之间进行。 i e e e8 0 2 1l b 定义了2 中认证模式，开放认证机制和共享密钥机制，使用的加 密方式是w e p 加密。开放认证机制实质上并没有实现w e p 加密的s 1 a 默认的加 密方式，其健全真交换的结果一定为“成功”。共享密钥使用一个公共密钥，同时 要求双方支持w e p 加密，然后使用w e p 对测试文本进行加密和解密，以此来证 明双方拥有相同的密钥。 2 3 4m a c 层帧结构 为了完成向协议栈高层的数据传输，i e e e8 0 2 1 1 的m a c 层应能从协议栈高 层接收m s d u 并可靠地将其发送到对等协议层。为此，m a c 层应在m s d u 头部 和尾部填入合适的信息，而被填入信息的m s d u 被称为媒介访问控制协议数据单 第二章i e e e 8 0 2 1 1 协议 1 5 元( m p d u ) 。m p d u 转发给物理层后再通过无线媒介将其发送给其他站点。 在m a c 层，接收到的m s d u 和加入的头部和尾部信息一起称为一个完整的。 这些帧包含地址信息，i e e e8 0 2 1 l 协议信息、用于置网络信息矢量( n a v ) 的信 息，以及帧校验信息。 m a c 层的帧格式由m a c 帧头、可变长帧实体、帧校验序列( f c s ) 构成 所有m a c 帧都由一系列固定顺序出现的域组成，格式如下图： l 字节：2 字节 266626 可变 4 帧控制持续时间i d地址l地址2地址3序列控制地址4帧体帧校验 图2 1 0 m a c 通用帧格式 ( 1 ) 帧控制：定义了该帧是管理帧、控制帧还是数据帧。 ( 2 ) 持续时间i d ：表示下一个帧发送的持续时间的值，值的大小取决于帧的 类型。一般取值为l 2 0 0 7 ( 十进制) 。 ( 3 ) 地址1 2 3 4 ：地址的类型取决于发送帧的类型。可以包含基本服务组标 识( b s s i d ) 、源地址、目标地址、发送站地址和接收站地址。组地址有组播地址 和广播地址，广播地址所有位均为1 。 ( 4 ) 序列控制：表明一个特定的m s d u 分段号，第一个分段号为0 ，后面发 送的依次加l 。 ( 5 ) 帧体：可变长度，0 2 3 1 2 字节。如果发送的是数据帧，该字段包含一个 l l c 数据单元， ( 6 ) 帧校验序列( f c s ) 。 2 4总结 本章介绍了基于无线传感器的电磁频谱监测网络的i e e e 8 0 2 1 l 协议栈，通过 对协议栈的介绍和分析，使得数据在节点之间的传输模式及确认机制等趋近明了。 也是对其他相关项目采用协议栈的标准提供了很好的模板和范例。 第三章t c p i p 协议栈 第三章t c p i p 协议栈 3 1网际协议 无线传感器网络的网络层负责把分组从源点交付到终点。网络层负责逻辑编 址和路由选择。对于本项目来说，网络层对上层来的分组添加首部，其中包括发 送端和接收端的逻辑地址，路由选择功能使得节点之间可以经过多跳来传输数 据。 网际协议( i p ) 是t c p i p 协议族使用的传输机制，协议非常成熟，应用非常 广泛，因此，网络层的数据传输采用该协议，应用方式可以方便的进行扩展。i p 作为一种分组交换网使用的无连接协议，使用数据报传输，这就意味着每一个分 组独立的进行处理，有可能使用不同的路由传输到终点，因此，这些数据报有可 能不会按序到达，也有可能丢失。作为一种不可靠的无连接协议，i p 尽最大努力 进行服务，但不提供差错检验或跟踪，它需要依靠更高层的协议解决这些问题【1 1 1 。 i p 层的分组叫做数据报，由首部和数据组成( 如图3 1 所示) ，首部长度2 0 6 0 字节，根据冗余选项的填充决定最后的长度。 首部数据 。 ，、一， v e rh ld s 段长度 4 位4 位8 位1 6 位 标识标志分片偏移 1 6 位 3 位 1 3 位 生存时间协议校验和 8 位8 位1 6 位 源i p 地址 目的i p 地址 琵。? i ：i ：，? 、j 。j j 爱毫蛾，i ? 。j 一j 、。t j j 7 ：! ? j ：_ 。，7 _ ：，7 j ，琶 图3 1 妒数据包头 各个字段的含义如下： 1 ) v e r 版本。常用的是i p v 4 版本，这里填“o l o o ”。 2 ) h l 首部长度。p 包包头的长度，以4 字节为单位，因为i p 数据报首部