无线通信与WSN.doc

1227404003李松益05目录1无线通信11.1无线通信技术原理11.1.1无线通信传输21.1.2无线通信网络21.2无线通信的起源31.3无线电波51.3.1概述51.3.2原理51.3.3波长51.3.4应用71.4无线通信系统81.4.1分类81.4.2按应用分类几个典型的无线通信系统91.4.3速率与覆盖范围的关系121.4.4宽带接入技术比较132 Zigbee132.1概述132.2发展历程142.3 Zigbee联盟152.4 Zigbee是IEEE 802.15.4的扩展162.5 ZigBee和简单无线通讯之间最大区别172.6 ZigBee技术优点172.6.1低功耗172.6.2低成本172.6.3低速率172.6.4近距离182.6.5短时延182.6.6高容量182.6.7高安全182.6.8免执照频段183 WSN193.1概述193.2历史以及发展现状203.2.1国外：203.2.2国内203.3 WSN的体系结构203.4特征223.4.1与无线网络的区别223.4.2节点的限制223.4.3传感器网络的特点223.5应用233.5.1军事上的应用233.5.2环境观测和预报系统233.5.3医疗护理233.5.4智能家居243.5.5建筑物状态监控253.5.6完成空间探索253.6协议263.6.1MAC协议263.6.2MD协议263.6.3路由协议273.7关键技术283.8未来发展机遇展望28无线通信与WSN1无线通信1.1无线通信技术原理无线通信的传输媒介是无线电波，其频率要求在300GHz以下 （各种射频规范中常见的有三种定义3KHz 300GHz , 9KHz 300GHz , 10KHz 300GHz ）。无线通信技术就是指通过无线电波传播信号的一种技术。它的原理在于：通过调制将待传输信息加载于无线电波上并通过天线发送出去，当电波通过空间传播到达收信端，通过解调将信息恢复出来。无线通信可以简单分为单条和多条链路的无线传输。单条链路传输是指信源要把传输的消息通过无线电波发送给信宿，而多条链路的无线传输是指同时有多个信源要把信息发送给一个或多个信宿。实际上考虑要传输的业务以及通信控制等，多条链路的无线传输就形成一个无线通信网络。1.1.1无线通信传输无线传输系统需要发射设备、接收设备和传输媒介。在发射设备中首先对低频信号进行调制，即将其加载到高频的载波上。频率变换器将信号变换成发射电波所要求的频率，再经功率放 大后，由天线辐射并通过大气空间进行电磁波的传播。电波传播过程中受到衰落，接收信号功率很弱，在接收设备经过信号放大、频率变换、解调恢复原始信号。1.1.2无线通信网络由无线接入子网 （接入层 ），无线传输子网 （传输承载层 ）、核心子网、业务平台以及网管系统组成。无线接入子网:是直接面向用户的网络。一般由无线终端、基站/接入点、基站控制器/无线网络控制器/接入网关等组成。传输子网：是用于传输电信号或光信号的网络。可分为过哦及传输网与国内传输网。核心子网：除接入网和用户驻地传输网之外的网络，用于实现信息的交换。根据所承载的业务，可分为电路交换和分组交换子网。业务平台：是聚合各类应用需求的综合应用系统。网管系统：是一个软硬件结合以软件为主的分布式网络应用系统，用于管理无线网络，保证其高效正常运行。1.2无线通信的起源人类认识电磁波为100年左右。1864年麦克斯韦总结了电磁学实验定律，从数学上预言了电磁波的存在和光的电磁波本质。1887年赫兹用实验证明了麦克斯韦理论-电磁波的存在。为现代的无线电通信提供了理论根据。1897年马可尼 （Marconi ）用无线电波成功实现了在英格兰海峡行驶的船只上，连续不断的通信，开启了无线通信发展的大门。马可尼成为世界上第一个无线电技术专利的拥有者，并因为对发明无线电报的贡献而获得诺贝尔物理学奖。1902年第一个点到点的无线电链路在美国建立，也称为无线电报。1906年范信达 （Reginald Fessenden ）进行了第一次无线电广播，他通过调幅技术传输音乐和话音。1906年以后，军用和商用的船舶很快采用了无线电技术早起的陆地移动无线通信记录在警察发面的应用，1921年底特律警察局在车辆上有效的使用了AM无线通信技术进行移动语音通信。1927年贝尔实验室在纽约地区试验了电视播放，同时John Baird在英国也进行了类似的实验。1946年，第一个移动电话系统在美国圣路易斯投入使用。1947年，第一个由7个天线塔组成的连接纽约和波士顿的微波中继系统开始运行，这个中继系统可容纳两个城市的2400人同时通话。1958年，伴随着SCOR通信卫星的升空，无线通信进入了新时代。1977年贝尔实验室提出了蜂窝的概念。蜂窝概念是解决频率不足和用户容量问题的一个重大突破。进入了现代无线通信的应用。2003年起无线通信从几个方面得到发展：蜂窝通信在中国、印度市场上新的应用(摄像功能的电话)无线计算机网络 （WLAN ）取得了意想不到的成功，遵从IEEE （电气与电子工程协会）808.11标准的设备使得计算机可以像手机一样具有通用性和可移动性。无线传感器网络为从远端站点监测和控制工厂甚至是家居场所提供了可能。1.3无线电波1.3.1概述无线电波或射频波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，其频率 300GHz 以下 (下限频率较不统一，在各种射频规范书，常见的有三 3KHz300GHz, 9KHz300GHz, 10KHz300GHz)。无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。在天文学上，无线电波被称为射电波，简称射电。1.3.2原理无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。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。 通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。1.3.3波长波长大于1mm，频率小于300GHz的电磁波是无线电波。图1.3.3无线电波的传播途径无线电波是一种能量的传播形式，电场和磁场在空间中是相互垂直的，并都垂直于传播方向，在真空中的传播速度等于光速的约300000千米/秒。 图1.3.4波段范围1.3.4应用图1.3.4无线电波的应用电磁波应用的两个方向：1）无线电信息传输：在广大空域传送通信、导航等各种模拟和数字信息。常用的无线通信系统如：卫星通信、微波通信、蜂窝移动通信、无线局域网、个域网、固定无线接入等都属于此种应用。获取电磁波经各种目标或媒质反射 （或散射、折射 ）及在传播过程中的相互作用而携带的有关目标与媒质信息，或自然电磁波携带的有关辐射源特性的信息。用以探测研究无法直接采样测量对象的特性，即遥感。2）高功率无线电电力传输：一般为微波功率传输 （MPT ）1.4无线通信系统1.4.1分类1）按应用可分为. 移动. 无线接入. 微波2）按工作状态可分为. 移动. 固定3）按在通信网络的位置可分为. 无线接入. 无线传输4）按所使用频率波段可分为. 长波通信. 中波通信. 短波通信. 超短波通信. 微波通信1.4.2按应用分类几个典型的无线通信系统1）蜂窝移动通信图1.4.2蜂窝移动通信蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游功能。蜂窝移动通信业务是指经过由基站子系统和移动交换子系统等设备组成蜂窝移动通信网提供的话音、数据、视频图像等业务。2）卫星蜂窝通信卫星除了在电视市场应用外，蜂窝通信是卫星的第二个重要应用。“基站”(即卫星)距移动台的距离相当远：对于静止轨道卫星，距离为36000km；对于低轨道(LEO)卫星，距离为几百千米。因此，需要更大的发射功率，卫星上必须使用高增益天线(许多情况下移动台也用)，并且若用户在建筑物内部，则通信几乎无法进行。蜂窝尺寸：由于卫星与地球之间的遥远距离，即使就低轨道卫星而言，蜂窝直径小于100km也是不可能的；对静止轨道卫星，蜂窝区域会更大。这样大的蜂窝尺寸对卫星系统而言，既是优点也是缺点。积极的一面在于，即使针对地广人稀的区域也容易做到良好的覆盖。另一方面，这个区域内的频谱效率非常之低，也就意味着(假定分配给这项业务的频谱有限)只有很少的人可以同时通信。基站费用：建一个基站 （卫星）的费用比为陆地系统建造基站要高。不仅通信卫星的发射非常昂贵，而且还必须作为卫星和PSTN之间连接点的地面站建造适当的基础设施。3）无线局域网无线局域网(WLAN)的功能属性与无绳电话非常相似将便携式电脑通过无线链路连接到因特网(Internet)。WLAN现已开发出许多标准，以满足高数据速率的需求，并且这些标准都带有IEEE 802.11的标识。最原始的IEEE 802.11标准支持以1Mb/s的速率传输，最流行的802.11b标准(WiFi)支持高达11Mbit/s的速率，802.11a标准将速率提升到55Mbit/s。更高的速率将通过802.11n标准加以实现。在原理上，WLAN设备可以连接到任何采用相同标准的基站(接入点)。接入点的拥有者可以对接入做出限制如，通过适当的安全设置。4）个域网当网络覆盖区域变得比WLAN更小的时候，称之为个域网(PAN)。此类网络多数是为了达到简单的“电缆替代”效果。例如，遵从蓝牙 (Bluetooth)标准的设备,支持蜂窝电话和头戴式免持耳机之间不需要电缆的无线连接，两个设备间的距离小于1m。类似地，娱乐系统 (DVD播放器到电视)中的组件之间、计算机与其外设(打印机，鼠标)之间以及其他同类的应用都可以通过个域网的覆盖来形成无线链路。5）固定无线接入固定无线接入可看做是无绳电话或WLAN的演化形式，它从根本上替代了用户和陆上有线系统之间的专用线缆连接。与无绳系统的主要差别在于 （1 ）用户设备不具移动性；（2 ）基站几乎总是服务于多个用户。此外，通过固定无线接入设备中继之后的传输距离(在100m到几十千米之间)要比通过无绳电话中继后的传输距离长得多。固定无线接入的目的在于：不用从中心交换局到用户所在的办公室或居所铺设电缆就能向用户提供电话和数据连接。固定无线接入的主要市场向农村地区提供覆盖和在不具备任何有线基础设施的发展中国家建立连接。802.16(WiMax)标准通过在系统中引入有限的移动性，因而也就模糊了与蜂窝电话技术之间的界限。6）WiMaxWiMAX全称为World Interoperability for Microwave Access ，即全球微波接入互操作性。WiMAX的另一个名字是802.16。或广带无线接入(Broadband Wireless Access，BWA)标准。WIMAX是一项无线城域网(WMAN)技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口标准。它用于将无线接入点连接到互联网，也可连结公司与家庭等环境至有线骨干线路。它可作为线缆和DSL的无线扩展技术，从而实现无线宽带接入。3G与WiMax的差别就在于，WiMax倡导的将宽带无线化，而3G倡导的是将无线宽带化。1.4.3速率与覆盖范围的关系图1.4.3速率与覆盖范围的关系1.4.4宽带接入技术比较图1.4.4宽带接入技术比较2 Zigbee2.1概述Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协定，底层是采用IEEE802.15.4标准规范的媒体存取层与实体层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee协定层从下到上分别为实体层（PHY）、媒体存取层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。网络装置的角色可分为ZigBeeCoordinator、ZigBeeRouter、ZigBeeEndDevice等三种。2.2发展历程. 80年代,当单片机技术已经广泛普及，8051如日中天的时候,手机还是价值万元的大砖头,语音通讯也只有8K/S的通讯速度,无线通讯技术还是像美国莫托罗拉这样大公司实验室里的前沿。 . 90年代,向TI这样的大公司，投入巨资，开发短距离通讯芯片，10年努力,确以失败告终，有人统计过，那时，在美国进行无线产品的项目开发,有85%以上的开发项目会失败。复杂的高频，昂贵的设备，完全被封锁的技术，无线还只是在“天上”。 图2.2完整的CC2430通信模块. 最成功的应用，应该是汽车遥控器和车库门遥控这样的简单技术。. 无线单片机的普及为短距离无线通讯带来的全新变化：高度集成SOC，简化了高频设计，使开发无线应用设计转移到以软件代码为中心； 大量低价格，直观显示为特点的无线开发、测试工具的诞生，使无线应用开发成本大大降低； 在家建立自己的无线开发平台不是梦 想；无线SOC得到了非常广泛应用，特别是无线鼠标，键盘和游戏摇杆等方面。 . soc短距离无线应用的深入，对低成本无线网络技术提出了需求：应用中很多节点在密集区域 需求组网，高效率空中防碰撞。工业应用中环境复杂，要求穿透多层水泥墙等障碍物，传输路径不定需求无线路由(多跳通信）。 高通讯可靠性防干扰，加密。 容易安全接入和安装 自组网，自恢复网络，网络安全。2.3 Zigbee联盟国际著名soc半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者成立了一个非牟利业界组织 zigbee联盟，目的在于制定一个基于IEEE802.15.4、可靠、高性价比、低功耗的网络应用技术zigbee 。生产商可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、便宜又省电的各种无线产品。ZigBee技术有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现网络通信。这些传感器只需要很低的功耗， 以接力的方式通过无线电波将数据从 一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。 ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一 项标准，被称作IEEE802.15.4(ZigBee) 技术标准。2.4 Zigbee是IEEE 802.15.4的扩展ZigBee不仅只是IEEE802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee联盟还开发了安全层图2.4Zigbee与IEEE 802.15.42.5 ZigBee和简单无线通讯之间最大区别简单的点到点，点到多点通讯（目前很多这样的数传模块），包装结构比较简单，主要为同步序言，数据，校验几部分组成。而ZigBee是采用数据帧的概念，每个无线帧包括了大量无线包 装，包含了大量时间，地址，命令，同步等信息，真正的数据信息只占很少部分，而这正是ZigBee可以实现网络组织管理，实现高可靠传输的关键。2.6 ZigBee技术优点2.6.1低功耗在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作624个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势（在传感控制领域）。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。2.6.2低成本通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。2.6.3低速率Zigbee工作在20250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求2.6.4近距离传输范围一般介于10100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远（理论上无限）。2.6.5短时延Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要310 s、WiFi 需要3 s。2.6.6高容量Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。2.6.7高安全Zigbee 提供了三级安全模式2.6.8免执照频段采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。 此三个频带物理层并不相同,其各自信道带宽也不同,分别为0.6MHZ,2MHZ和5MHZ.分别有1个10个和16个信道。3 WSN3.1概述无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）就是由部署在检测区域内大量的廉价卫星传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。构成WSN的三要素：传感器、感知对象、观察者。影响力：美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。传感器网络被列为未来3大高科技产业一。美国的技术评论将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术。商业周刊 预测的未来4大新技术中，无线传感器网络也列入其中等。3.2历史以及发展现状3.2.1国外：起源于美国，根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。具有代表性的项目包括：1993-1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目；1999-2001年间由DAPRA资助UCBerkeley承担的SmartDust项目。1998-2002年DARPA资助，加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；