第二章 无线传感器网络技术关键技术(1)

1、 课程目录课程目录 物理层关键技术物理层关键技术 2.1 物理层关键技术物理层关键技术 2.2信道接入技术信道接入技术 2.3 无线传感器网络路由无线传感器网络路由 2.4 无线传感器网络拓扑控制技术无线传感器网络拓扑控制技术 2.5 无线传感器网络覆盖技术无线传感器网络覆盖技术 2.6 无线传感器网络的数据融合技术无线传感器网络的数据融合技术 2.7 无线传感器网络定位技术无线传感器网络定位技术 2.8 无线传感器网络时间同步技术无线传感器网络时间同步技术 2.9 通信标准通信标准 引言引言 通过拓扑控制可以自动生成通过拓扑控制可以自动生成 良好的网络拓扑结构，能够良好的网络拓扑结构，能够

2、提高路由协议和提高路由协议和MACMAC协议，协议， 媒体访问控制的效率，可以媒体访问控制的效率，可以 为数据融合、时间同步和目为数据融合、时间同步和目 标定位等很多方面奠定基础，标定位等很多方面奠定基础， 有利于节省节点能量来延长有利于节省节点能量来延长 网络的生存期。网络的生存期。 传感器网络协议负责是各个传感器网络协议负责是各个 独立的节点形成一个多跳的独立的节点形成一个多跳的 数据传输网络数据传输网络. . 目前研究的重点是网络层的目前研究的重点是网络层的 协议，也就是路由协议，以协议，也就是路由协议，以 及数据链路层协议，也就是及数据链路层协议，也就是 MACMAC媒体访问控制协议。

3、媒体访问控制协议。 路由协议决定监测信息的传路由协议决定监测信息的传 输路径，而输路径，而MACMAC用来构建底用来构建底 层的基础结构，控制传感器层的基础结构，控制传感器 节点的通信过程和工作模式。节点的通信过程和工作模式。 实现基本的安全机制，机密实现基本的安全机制，机密 性、点到点的消息认证、完性、点到点的消息认证、完 整性鉴别、新鲜性、认证广整性鉴别、新鲜性、认证广 播和安全管理。播和安全管理。 时间同步是需要协同工作的时间同步是需要协同工作的 一个关键机制。一个关键机制。 定位机制必须满足自组织性，定位机制必须满足自组织性， 健壮性、能量高效以及分布式健壮性、能量高效以及分布式 计算

4、等要求。在计算等要求。在WSNWSN定位过程中，定位过程中， 通常会采用三边测量法、三角通常会采用三边测量法、三角 测量法或极大似然估计法确定测量法或极大似然估计法确定 节点位置。节点位置。 对多分数据进行综合，去除冗余信息，对多分数据进行综合，去除冗余信息， 使得基于能量受限的情况下，减少传使得基于能量受限的情况下，减少传 输的数据量，这样可以有效节省能量。输的数据量，这样可以有效节省能量。 但是它也牺牲了其他性能，延迟的代但是它也牺牲了其他性能，延迟的代 价，鲁棒性的代价。价，鲁棒性的代价。 以数据库的方法在传感器网络中进行以数据库的方法在传感器网络中进行 数据管理。但是不同于传统的分布式

5、数据管理。但是不同于传统的分布式 数据库，数据库，WSNWSN节点上基本上是以数据节点上基本上是以数据 流的形式，所以需要的是数据流管理流的形式，所以需要的是数据流管理 系统。系统。 WSNWSN需要的无线通信技术是要求需要的无线通信技术是要求 低功耗、低成本。低功耗、低成本。 应用层的研究主要是各种传感器网络应用应用层的研究主要是各种传感器网络应用 系统的开发和多任务之间的协调。这其实系统的开发和多任务之间的协调。这其实 就是应用相关性。就是应用相关性。 课程目录课程目录 物理层关键技术物理层关键技术 2.1 物理层关键技术物理层关键技术 2.2信道接入技术信道接入技术 2.3 无线传感器网

6、络路由无线传感器网络路由 2.4 无线传感器网络拓扑控制技术无线传感器网络拓扑控制技术 2.5 无线传感器网络覆盖技术无线传感器网络覆盖技术 2.6 无线传感器网络的数据融合技术无线传感器网络的数据融合技术 2.7 无线传感器网络定位技术无线传感器网络定位技术 2.8 无线传感器网络时间同步技术无线传感器网络时间同步技术 2.9 通信标准通信标准 2.12.1 物理层关键技术物理层关键技术 前言前言 为数据流传输所需的物理连接的建立、为数据流传输所需的物理连接的建立、 维护和释放提供的机械的、电气的、功能维护和释放提供的机械的、电气的、功能 和规程性的模块叫做物理层。和规程性的模块叫做物理层。

7、 在无线传感器网络中，物理层是数据传在无线传感器网络中，物理层是数据传 输的最底层，向下直接与传输介质相连，输的最底层，向下直接与传输介质相连， 物理层协议是各种网络设备进行互联时必物理层协议是各种网络设备进行互联时必 须遵循的底层协议。须遵循的底层协议。 物理层的设计是无线传感器网络协议性物理层的设计是无线传感器网络协议性 能的能的决定因素决定因素。 物理层关键技术物理层关键技术 物理层关键技术物理层关键技术 2.12.1 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 物理层的设计目标物理层的设计目标 以尽可能少的能量消耗以尽可能少的能量消耗 获得较大的链路容量获得较大的链路容量 物理层需要考

8、虑的问题物理层需要考虑的问题 编码调制技术编码调制技术 通信速率通信速率 通信频段通信频段 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 频率分配频率分配 导体中电流强弱的改变会产导体中电流强弱的改变会产 生无线电波。利用这一现象，生无线电波。利用这一现象， 通过调制可以将信息加载到通过调制可以将信息加载到 无线电波之上。当电波通过无线电波之上。当电波通过 空间传播到达收信端，电波空间传播到达收信端，电波 引起的电磁场变化又会在导引起的电磁场变化又会在导 体中产生电流，通过调制将体中产生电流，通过调制将 信息从电流变化中提取出来，信息从电流变化中提取出来， 就达到信息传递的目的。就达到信息传递的

9、目的。 1 1 无线电波的定义无线电波的定义 无线电波是指在自由无线电波是指在自由 空间全方位传播的射空间全方位传播的射 频频段的电磁波，可频频段的电磁波，可 以很容易产生，也可以很容易产生，也可 以穿透建筑物体，因以穿透建筑物体，因 此被广泛应用于无线此被广泛应用于无线 通信中。通信中。 无线电波无线电波的的原理原理 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 频率分配频率分配 1 1 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 频率分配频率分配 1 1 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 频率分配频率分配 ISM ISM频段频段ISMISM波段一些频率及说明波段一些频率及说明 1

10、1 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 频率分配频率分配 1 1 频段的选择频段的选择 频率的选择频率的选择直接决定直接决定无线传感无线传感 器网络节点的天线尺寸、电感器网络节点的天线尺寸、电感 的集成度以及节点功耗，对于的集成度以及节点功耗，对于 无线传感器网络来说，必须根无线传感器网络来说，必须根 据实际应用场合来决定。据实际应用场合来决定。 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 电磁波的传播电磁波的传播 2 2 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 电磁波的传播电磁波的传播 2 2 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 2 2 电磁波的传播电磁波的传播 2.12

11、.1 物理层相关技术物理层相关技术 电磁波的传播电磁波的传播 2 2 越明亮信号越强 显然自由空间模型不足 以描述全部效应 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 电磁波的传播电磁波的传播 2 2 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 电磁波的传播电磁波的传播 2 2 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 物理层设计物理层设计 频率的选择频率的选择 ISMISM波段是首要的选择波段是首要的选择 ISMISM波段在高频和特高频波段在高频和特高频 的频率范围上都有分布，的频率范围上都有分布， 但信号在不同的频度上但信号在不同的频度上传传 播特性播特性、功率消耗功率消耗以及对以及对

12、器件性能器件性能和和天线天线要求却是要求却是 有很大区别。有很大区别。 频率的选择是影响无频率的选择是影响无 线传感器网络性能、线传感器网络性能、 成本的一个重要参数成本的一个重要参数. . 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 物理层设计物理层设计 从天线长度的角度从天线长度的角度 从功耗的角度从功耗的角度 从节点物理层集成化的角度从节点物理层集成化的角度 在在ISM 13.5MHzISM 13.5MHz，如果采用对偶天线，如果采用对偶天线， 天线长度为天线长度为5.6m5.6m，显然要求这么长，显然要求这么长 的天线很不适合小体积的无线传感的天线很不适合小体积的无线传感 器网络节点；

13、对于器网络节点；对于ISM 2.4GHzISM 2.4GHz，其，其 采用对偶天线，天线长度为采用对偶天线，天线长度为3.1cm3.1cm， 这么高的频率就可以将节点做的很这么高的频率就可以将节点做的很 小，也有利于天线的小，也有利于天线的MEMSMEMS集成。集成。 在传输相同的有效距离时，载波频在传输相同的有效距离时，载波频 率越高消耗能量越多率越高消耗能量越多;并且根据自由并且根据自由 空间无线传输损耗理论可以知道，空间无线传输损耗理论可以知道， 波长越短其传输损耗越大，也就意波长越短其传输损耗越大，也就意 味着高频率需要更大的发射功率来味着高频率需要更大的发射功率来 保证一定的传输距离

14、。保证一定的传输距离。 从节点的物理层集成化的角度：虽从节点的物理层集成化的角度：虽 然当前的然当前的CMOSCMOS工艺已经成为主流，工艺已经成为主流， 但是对大电感的集成化还是一个非但是对大电感的集成化还是一个非 常大的挑战，随着深亚微米工艺的常大的挑战，随着深亚微米工艺的 进展，更高的频率更易于电感的集进展，更高的频率更易于电感的集 成化设计，这对于未来节点的完全成化设计，这对于未来节点的完全 SOCSOC设计是有利的，所以频段的选设计是有利的，所以频段的选 择是一个非常慎重的问题。择是一个非常慎重的问题。 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 物理层的设计目标物理层的设计目标 以

15、尽可能少的能量消耗以尽可能少的能量消耗 获得较大的链路容量获得较大的链路容量 物理层需要考虑的问题物理层需要考虑的问题 编码调制技术编码调制技术 通信速率通信速率 通信频段通信频段 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 调制与解调调制与解调 3 3 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 调制与解调调制与解调 编码调制技术编码调制技术 常见的编码调制技常见的编码调制技 术术 窄带调制技术窄带调制技术 扩频调制技术扩频调制技术 超宽带超宽带UWBUWB调制技术调制技术 3 3 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 调制与解调调制与解调 3 3 窄带调制技术窄带调制技术 2.12.

16、1 物理层相关技术物理层相关技术 调制与解调调制与解调 3 3 扩频调制技术扩频调制技术 l发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽 l收端采用与发端相同的扩频码进行相关解调和解扩，恢复所传信息数据。收端采用与发端相同的扩频码进行相关解调和解扩，恢复所传信息数据。 l常用的包括跳频，直接序列扩频等等常用的包括跳频，直接序列扩频等等 C = B log2 (1+ S/N) 符号符号 +1 -1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 扩频扩频 解扩频解扩频 码片码片 d i（t） C i（t） y i

17、（t） -1 +1 y r（t） C i（t） d r（t） 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 调制与解调调制与解调 3 3 超宽带超宽带UWB调制技术调制技术 UWB (Ultra Wideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至是一种无载波通信技术，利用纳秒至 微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据 。通过在较宽的频谱上。通过在较宽的频谱上 传送极低功率的信号，传送极低功率的信号，UWB能在能在10米左右的范围内实现数百米左右的范围内实现数百 Mbit/s至数至数Gbit/s的数据传输速率。的数据传输速率。 抗干扰性能强抗干扰性能强 带宽极宽带宽极宽 消耗

18、电能小消耗电能小 保密性好保密性好 发送功率非常小发送功率非常小 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 调制与解调调制与解调 3 3 3 3种编码调制技术性能比较种编码调制技术性能比较 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 通信速率通信速率 4 4 2.12.1 物理层相关技术物理层相关技术 课程目录课程目录 物理层关键技术物理层关键技术 2.1 物理层关键技术物理层关键技术 2.2信道接入技术信道接入技术 2.3 无线传感器网络路由无线传感器网络路由 2.4 无线传感器网络拓扑控制技术无线传感器网络拓扑控制技术 2.5 无线传感器网络覆盖技术无线传感器网络覆盖技术 2.6 无线传

19、感器网络的数据融合技术无线传感器网络的数据融合技术 2.7 无线传感器网络定位技术无线传感器网络定位技术 2.8 无线传感器网络时间同步技术无线传感器网络时间同步技术 2.9 通信标准通信标准 无线传感器网络协议栈无线传感器网络协议栈 数据链路层数据链路层Data Link LayerData Link Layer 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 无线传感器网络特征无线传感器网络特征 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述 1 1 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技

20、术概述 可扩展性可扩展性 可靠性可靠性 分布式算法分布式算法 1 1 能源的有效性能源的有效性 在设计无线传感器网络的在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：协议时，需要着重考虑以下几个方面： 性能的综合测评性能的综合测评 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 无线传感器网络信道接入技术概述无线传感器网络信道接入技术概述 无线传感器网络信道接入的研究，其无线传感器网络信道接入的研究，其关键关键就是设就是设 计出优秀的计出优秀的MACMAC协议。协议。 针对用户不同的应用需求将传感器网络的针对用户不同的应用需求将传感器网络的MACMAC协协 议分为议分为3 3个个大大类类

21、。 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议、基于固定分配的协议、基于固定分配的MACMAC协议协议 以及基于按需分配的以及基于按需分配的MACMAC协议。协议。 1 1 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议：协议：2. 2. 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议：协议：2. 2. 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议：协议：2. 2. 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基

22、于竞争的MACMAC协议：协议：2. 2. 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 无线环境中不容易检测出是否发生冲突无线环境中不容易检测出是否发生冲突 存在存在“隐终端隐终端” 问题问题 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2

23、. 2. 1 1 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 2 2 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. S-MAC协议协议 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 2 2 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议 2. 2. 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2.2 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2

24、. 2. 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 2 2 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 2 2 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 举例举例 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 举例举例 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 2 2 4 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 2.22.2 信道接入技术信道接入技术 基于竞争的基于竞争的MACMAC协议协议2. 2. 3 3 节点处于侦听状态（活跃状态）， 直到TA时间没有激活事件发生 周期时间定时器溢出周期时间定时器溢出 从无线信道上收到数据从无线信道上收到数据 通过接受信号强度指示通过接受信号强度指示 RSSI感知到了存在无线通信感知到