第1章 无线传感器网络概述

1、第一章第一章 无线传感器网络概述无线传感器网络概述郑来波郑来波山东大学信息学院通信研究所山东大学信息学院通信研究所办公室：信息学院北楼办公室：信息学院北楼513513电话：电话：8836220888362208Email: Email: 第1章 无线传感器网络概述什么是短距离无线通信网络？什么是短距离无线通信网络？到目前为止，学术界和工程界对此并没有一个严格的定义。一般而言，短距到目前为止，学术界和工程界对此并没有一个严格的定义。一般而言，短距离无线通信的主要特点为离无线通信的主要特点为通信距离短通信距离短，覆盖距离一般感动，覆盖距离一般感动10200m；另外，；另外，无线发射器的无线发射器的

2、发射功率较低发射功率较低，发射功率一般小于，发射功率一般小于100mW，工作频率多为，工作频率多为免免付费、免申请付费、免申请的全球通用的工业、科学、医学（的全球通用的工业、科学、医学（Industrial、Scientific and Medical，ISM）频段。）频段。常用的常用的ISM频段有频段有27MHz、315MHz、433MHz、868MHz（欧洲）、（欧洲）、902928MHz（美国）和（美国）和2.4GHz。目前，在我国使用最多的还是目前，在我国使用最多的还是27MHz、315MHz、433MHz和和2.4GHz。1.1 短距离无线网络概述短距离无线网络概述 第1章 无线传感

3、器网络概述短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，它是指集信息采集、信息短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，它是指集信息采集、信息传输、信息处理于一体的传输、信息处理于一体的综合性智能信息系统综合性智能信息系统，并且其传输距离限制在一个，并且其传输距离限制在一个较短的范围内（通常是几米以内）。通过各类集成化的微型传感器协作进行较短的范围内（通常是几米以内）。通过各类集成化的微型传感器协作进行实时实时感知、采集和监测感知、采集和监测各类感兴趣的研究和应用信息。各类感兴趣的研究和应用信息。低成本、低功能和对等通信低成本、低功能和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。，是短

4、距离无线通信技术的三个重要特征和优势。首先，低成本是短距离无线通信的客观要求。因为各种通信终端的产销量首先，低成本是短距离无线通信的客观要求。因为各种通信终端的产销量都很大，要提高终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。都很大，要提高终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。其次，低功耗是相对于其他无线通信技术而言的一个特点。这与其通信距其次，低功耗是相对于其他无线通信技术而言的一个特点。这与其通信距离短的特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的概率也小，发射功率离短的特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的概率也小，发射功率普遍很低，通常在普遍很低，通常在1mW量级。量级。

5、最后，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施最后，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，不需要网络设备进行中转，故空中接的无线通信技术。终端之间对等通信，不需要网络设备进行中转，故空中接口设计和高层协议都相对较简单，无线资源管理通常采用竞争的方式（如载口设计和高层协议都相对较简单，无线资源管理通常采用竞争的方式（如载波侦听）。波侦听）。第1章 无线传感器网络概述目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth)，无线局域网，无线局域网802.11(Wi-Fi)和红外数据传输

6、和红外数据传输(IrDA)。同时更有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，他们分别是：同时更有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，他们分别是：ZigBee、超、超宽频宽频(Ultra Wide Band)、短距通信、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线、无线1394和专用无线系统等。和专用无线系统等。他们都有其立足的特点他们都有其立足的特点: 或基于传输速度、距离、耗电量的特别需求；或基于传输速度、距离、耗电量的特别需求； 或着眼于功能的扩充性；或着眼于功能的扩充性； 或符合某些单一应用的特别需求；或符合某些单一应用的特别需求； 或建立竞争技术的差异化等。或建立竞争技术的差

7、异化等。不过没有一种技术能完美到足以满足所有的需求。不过没有一种技术能完美到足以满足所有的需求。1.1.2 常用短距离无线通信技术的介绍常用短距离无线通信技术的介绍第1章 无线传感器网络概述ZigBee系统采用的是直序扩频技术（系统采用的是直序扩频技术（DSSS)，使得原来较高的功率、较窄，使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频率，以有效控制噪声，是一种抗干扰能力极强，的频率变成较宽的低功率频率，以有效控制噪声，是一种抗干扰能力极强，保密性，可靠性都很高的通信方式。保密性，可靠性都很高的通信方式。蓝牙系统采用的是跳频扩频技术（蓝牙系统采用的是跳频扩频技术（FHSS)，这些系统仅在部分

8、时间才会发生，这些系统仅在部分时间才会发生使用频率冲突，其他时间则能在彼此相异无干扰的频道中运作。使用频率冲突，其他时间则能在彼此相异无干扰的频道中运作。ZigBee系统是非跳频系统，所以蓝牙在多次通信中才可能有一次会和系统是非跳频系统，所以蓝牙在多次通信中才可能有一次会和ZigBee的通信频率产生重叠，且将会迅速跳至另一个频率。的通信频率产生重叠，且将会迅速跳至另一个频率。在大多数情况下，蓝牙不会对在大多数情况下，蓝牙不会对ZigBee产生严重威胁，而产生严重威胁，而ZigBee对蓝牙系统对蓝牙系统的影响可以忽略不计。的影响可以忽略不计。 第1章 无线传感器网络概述1IrDA技术技术红外线数

9、据协会红外线数据协会 (Infrared Data Association，IrDA)是致力于建立红外线无是致力于建立红外线无线连接的非营利组织，是一种利用红外线进行线连接的非营利组织，是一种利用红外线进行点对点点对点的数据传输协议，通信的数据传输协议，通信距离一般在距离一般在0到到1m之间，传输速度最快可达到之间，传输速度最快可达到16Mbps,通信介质为波长通信介质为波长900nm左右的近红外线。左右的近红外线。其传输具有其传输具有小角度、短距离、直线数据传输、保密性强及传输速率较高小角度、短距离、直线数据传输、保密性强及传输速率较高等特等特点，适于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无需申

10、请频率的使用权，成点，适于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无需申请频率的使用权，成本低廉。本低廉。IrDA已被全球范围内的众多厂商采用，目前主流的软硬件平台均提已被全球范围内的众多厂商采用，目前主流的软硬件平台均提供对它的支持。供对它的支持。IrDA的不足在于它是一种的不足在于它是一种视距传输视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，而且只适合间不能被其他物体阻隔，而且只适合2台设备之间的连接。台设备之间的连接。IrDA目前的研究目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。第1章 无

11、线传感器网络概述2蓝牙技术蓝牙技术蓝牙系统一般由蓝牙系统一般由无线单元、链路控制单元、链路管理单元和蓝牙软件无线单元、链路控制单元、链路管理单元和蓝牙软件（协议（协议栈）单元等四个单元组成。栈）单元等四个单元组成。蓝牙技术的蓝牙技术的特点和优点特点和优点在于：在于：Bluetooth工作在全球开放的工作在全球开放的2.4GHzISM频段；频段；使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频停产，在一次连接中，无使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频停产，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳跳”到另一个信道；到另一个信道；在有效范围

12、内可越过障碍物进行连接，没有特别的通信视角和方向要求；在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通信视角和方向要求；组网简单方便；低功耗、通信安全性好；组网简单方便；低功耗、通信安全性好；数据传输带宽可达数据传输带宽可达1Mbps；一台蓝牙设备可同时与其他一台蓝牙设备可同时与其他7台蓝牙设备建立连接；支持语音传输。台蓝牙设备建立连接；支持语音传输。第1章 无线传感器网络概述Bluetooth产品涉及产品涉及PC、笔记本、移动电话等信息设备和、笔记本、移动电话等信息设备和A/V设备、汽车电设备、汽车电子、家用电器和工业设备领域。尤其是个人局域网应用，包括无绳电话、子、家用电器和工业设备领域。尤

13、其是个人局域网应用，包括无绳电话、PDA与计算机的互联。与计算机的互联。但但Bluetooth同时存在同时存在植入成本高、通信对象少、通信速率较低植入成本高、通信对象少、通信速率较低等问题，它等问题，它的发展与普及尚需经过市场的磨炼，其自身的技术也有待于不断完善和提高。的发展与普及尚需经过市场的磨炼，其自身的技术也有待于不断完善和提高。蓝牙的典型应用有：蓝牙的典型应用有：语音数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备语音数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的联接。上，完成与广域网的联接。外围设备互连是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。外围设

14、备互连是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。个人局域网（个人局域网（PAN），主要用于个人网络与信息的共享与交换。），主要用于个人网络与信息的共享与交换。 第1章 无线传感器网络概述 3. Wi-Fi技术技术Wi-Fi（Wireless Fidelity，即无线保真技术）是属于无线局域网的一种，通，即无线保真技术）是属于无线局域网的一种，通常是指符合常是指符合IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准（定义的一个无线网络通信的工业标准（IEEE 802.11）。）。它使用的是它使用的是2.4GHz附近的频段，物理层定义了两种无线调频方式和一种红附近的频段，物理层定义了两种无线调频方式和一种红外

15、传输方式。外传输方式。Wi-Fi基于基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g和和IEEE802.11n。最大优点：最大优点：传输的有效距离很长，传输速率较高（可达传输的有效距离很长，传输速率较高（可达11Mbps），与各种），与各种802.11DSSS设备兼容。设备兼容。第1章 无线传感器网络概述目前，最新的交换机能把目前，最新的交换机能把Wi-Fi无线网络从接近无线网络从接近100m的通信距离扩大到约的通信距离扩大到约6.5Km。使用使用Wi-Fi的门槛较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较的门槛较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较

16、密集的地方设置密集的地方设置“热点热点”，并通过高速线路即可接入因特网。，并通过高速线路即可接入因特网。主要特性：主要特性：速度快，可靠性高；速度快，可靠性高；在开放性区域通信距离在开放性区域通信距离305m，在封闭区域通信距离为，在封闭区域通信距离为76122m；方便与现有的有线以太网络整合，组网结构弹性化、灵活、价格较低。方便与现有的有线以太网络整合，组网结构弹性化、灵活、价格较低。在未来，在未来，Wi-Fi最具应用潜力的将主要在最具应用潜力的将主要在SOHO、家庭无线网络以及不便安装、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物等场所。电缆的建筑物等场所。目前，目前，Wi-Fi已成为最为流行的笔

17、记本电脑技术而大受青睐。已成为最为流行的笔记本电脑技术而大受青睐。然而，然而，IEEE802.11标准的发展呈多元化趋势，其标准仍存在一些亟须解决的标准的发展呈多元化趋势，其标准仍存在一些亟须解决的问题（如：厂商间的互操作性和备受关注的安全性问题）。问题（如：厂商间的互操作性和备受关注的安全性问题）。第1章 无线传感器网络概述4RFID技术技术RFID是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。取相关数据。RFID由标签由标签(Tag)、解读器、解读器(Reader)和天线和天线(Antenna)三个基

18、本要素组成。三个基本要素组成。基本工作原理：基本工作原理：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag，无源标签或被动标签，无源标签或被动标签)，或，或者主动发送某一频率的信号者主动发送某一频率的信号(ActiveTag，有源标签或主动标签，有源标签或主动标签)。解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。第1章 无线传感器网络概述 RFID将渗透到包括汽车、

19、医药、食品、交通运输、能源、军工、动物管理以将渗透到包括汽车、医药、食品、交通运输、能源、军工、动物管理以及人事管理等各个领域。及人事管理等各个领域。然而，由于成本、标准等问题的局限，然而，由于成本、标准等问题的局限，RFID技术和应用环境还很不成熟。主技术和应用环境还很不成熟。主要表现在：要表现在：制造技术较为复杂，智能标签的生产成本相对过高；制造技术较为复杂，智能标签的生产成本相对过高；标准尚未统一，最大的市场尚无法启动；标准尚未统一，最大的市场尚无法启动；应用环境和解决方案还不够成熟，安全性将接受很大考验。应用环境和解决方案还不够成熟，安全性将接受很大考验。第1章 无线传感器网络概述5U

20、WB技术技术UWB（Ultra Wideband，超宽带技术）起源于，超宽带技术）起源于20世纪世纪50年代末，此前主要年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并备受关注。技术又被重新提出，并备受关注。UWB是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，在较宽的频谱上是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，在较宽的频谱上传送较低功率信号。传送较低功率信号。UWB不使用载波，而是使用短的能量脉冲

21、序列，并通过正交频分调制或直不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。第1章 无线传感器网络概述UWB可提供高速率的无线通信，保密性很强，发射功率谱密度非常低，被可提供高速率的无线通信，保密性很强，发射功率谱密度非常低，被检测到的概率也很低，在军事通信上有很大的应用前景。检测到的概率也很低，在军事通信上有很大的应用前景。UWB通信采用调时序列，能够抗多径衰落，因此特别适合高速移动环境下通信采用调时序列，能够抗多径衰落，因此特别适合高速移动环境下使用。使用。更重要的是，更重要的是，UWB通信又被称为是无载波的基

22、带通信，几乎是全数字通信通信又被称为是无载波的基带通信，几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很少，因此可以减小系统的复杂性，降低成系统，所需要的射频和微波器件很少，因此可以减小系统的复杂性，降低成本。本。优势：优势：与当前流行的短距离无线通信技术相比，与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB具有抗干扰能力强、传输速具有抗干扰能力强、传输速率高、带宽极宽、发射功率小等优点，具有广阔的应用前景，在室内通信、率高、带宽极宽、发射功率小等优点，具有广阔的应用前景，在室内通信、高速无线高速无线LAN、家庭网络等场合才能得到充分应用。、家庭网络等场合才能得到充分应用。第1章 无线传感器网络概述弱

23、点：弱点：主要是占用的带宽过大，可能会干扰其他无线通信系统，因此其频率许可问主要是占用的带宽过大，可能会干扰其他无线通信系统，因此其频率许可问题一直在争论之中。题一直在争论之中。另外，有学者认为，尽管另外，有学者认为，尽管UWB系统发射的平均功率很低，但由于其脉冲持系统发射的平均功率很低，但由于其脉冲持续时间很短，瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的续时间很短，瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。正常工作。但是学术界的种种争论并不影响但是学术界的种种争论并不影响UWB的开发和使用，的开发和使用，2002年年2月美国通信协月美国通信协会会(FCC)批

24、准了批准了UWB用于短距离无线通信的申请。用于短距离无线通信的申请。第1章 无线传感器网络概述6ZigBee技术技术ZigBee技术主要用于无线个域网（技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于），是基于IEE802.15.4无线标准无线标准研制开发的，是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案，主要应研制开发的，是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案，主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网络或协议比蓝牙、高速率个人区域网络或802.11x无线局域网更简单使用

25、，无线局域网更简单使用，可以认为是蓝牙的同族兄弟。可以认为是蓝牙的同族兄弟。使用使用2.4GHz波段，采用跳频技术。波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是率是250kb/s，传输范围可达，传输范围可达134m。可与可与254个节点联网。个节点联网。可以比蓝牙更好的支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。可以比蓝牙更好的支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩

26、具等领域拓展展ZigBee的应用。的应用。第1章 无线传感器网络概述ZigBee技术特点：技术特点：数据传输速率低。数据传输速率低。只有只有10kb/s250kb/s,专注于低传输应用。专注于低传输应用。功耗低。功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通五号干电池可使用在低耗电待机模式下，两节普通五号干电池可使用6个月至个月至2年。年。这也是这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。的支持者所一直引以为豪的独特优势。 低成本。低成本。因为因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；积极投入积极投入ZigBee开发的开发的Mot

27、orola以及以及Philips，均已在，均已在2003年正式推出芯片，年正式推出芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具有飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具有价格竞争力。价格竞争力。 网络容量大网络容量大。每个。每个ZigBee网络最多可支持网络最多可支持255个设备，也就是说每个个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外设备可以与另外254台设备相连接。台设备相连接。 有效范围小。有效范围小。有效覆盖范围有效覆盖范围1075m之间，具体依据实际发射功率的大小之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆

28、盖普通的家庭或办公室环境。和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 工作频段灵活。工作频段灵活。使用的频段分别为使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）（欧洲）915MHz（美国），均为免执照频段。（美国），均为免执照频段。第1章 无线传感器网络概述早在早在20世纪世纪70年代就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器年代就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，人们把它归结为而构成传感器网络雏形，人们把它归结为第一代传感器网络第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展，传感器网络同时还具有获取多种信息信号的综合随着相关学科

29、的不断发展，传感器网络同时还具有获取多种信息信号的综合能力，采用串能力，采用串/并接口（如并接口（如RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成了有）与传感控制器相连，构成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络第二代传感器网络。在在20世纪世纪90年代后期和年代后期和21世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络，这采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络，这是是第三代传感器网络第三代传感器网络。第四代传感

30、器网络第四代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多功能、多信息信号获取能正在研究开发，用大量的具有多功能、多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。线传感器网络。无线传感器网络的发展科分成三个阶段：无线数据网络、无线自组织网络、无线传感器网络的发展科分成三个阶段：无线数据网络、无线自组织网络、无线传感器网络。无线传感器网络。1.2 无线传感器网络发展历程无线传感器网络发展历程 第1章 无线传感器网络概述1 ALOHA协议协议ALOHA协议（或称协议（或称ALOHA技术、技术、

31、ALOHA网）是世界上最早的无线电计算网）是世界上最早的无线电计算机通信网。机通信网。ALOHA协议分为纯协议分为纯ALOHA和时隙和时隙ALOHA两种。两种。纯纯ALOHA：只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。当然，这样会产生冲突从而造只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区缓冲区的数据进行比较，就可以的数据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。知道

32、数据帧是否遭到破坏。同样的道理，其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破同样的道理，其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧遭到破坏（即检测到冲突），那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。坏（即检测到冲突），那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。所谓等待一段随机长的时间，就是为了防止发生冲突的用户在检测到冲突后所谓等待一段随机长的时间，就是为了防止发生冲突的用户在检测到冲突后立即重发数据，而使各个用户错开重发时间，以避免连锁冲突的恶性循环。立即重发数据，而使各个用户错开重发时间，以避免连锁冲突的恶性循环。1.2.1 无线数据网络无线数据网络第1章 无线传感器网络概

33、述时隙时隙ALOHA协：协：将时间分为将时间分为离散离散的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数的时间片，用户每次必须等到下一个时间片才能开始发送数据，从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提据，从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。高了信道的利用率。在时隙在时隙ALOHA系统中，计算机并不是在用户按下回车键后就立即发送数据，系统中，计算机并不是在用户按下回车键后就立即发送数据，而是要等到下一个时间片开始时才发送。而是要等到下一个时间片开始时才发送。这样，连续的纯这样，连续的纯ALOHA就变成离散的时隙就变成离散的时隙

34、ALOHA。由于冲突的危险区平均减少为纯由于冲突的危险区平均减少为纯ALOHA的一半，因此时隙的一半，因此时隙ALOHA的信道利的信道利用率可以达到用率可以达到36.8%，是纯，是纯ALOHA协议协议的两倍。的两倍。但对于时隙但对于时隙ALOHA，用户数据的平均传输时间要高于纯，用户数据的平均传输时间要高于纯ALOHA系统。系统。第1章 无线传感器网络概述2 PRNET系统系统PRNET(Packet Radio NETwork)，称为，称为“分组无线网络分组无线网络”，是，是Ad hoc网络网络的前身。的前身。对分组无线网络的研究源于军事通信的需要，并已经持续了近对分组无线网络的研究源于军事

35、通信的需要，并已经持续了近20年。早在年。早在1972年，美国年，美国DARPA就启动了分组无线网项目，研究分组无线网络在战场就启动了分组无线网项目，研究分组无线网络在战场环境下数据通信中的应用。环境下数据通信中的应用。项目完成之后，项目完成之后，DAPRA又在又在1993年启动了高残存性自适应网络（年启动了高残存性自适应网络（SURAN, SURvivable Adaptive Network）项目。研究如何将）项目。研究如何将PRNET的成果加以扩的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适

36、应网络协议。应网络协议。1994年，年，DARPA又启动了全球移动信息系统（又启动了全球移动信息系统（GloMo, Global Mobile Information Systems）项目。在分组无线网络已有成果的基础上对能够满）项目。在分组无线网络已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今。研究，并一直持续至今。1991年成立的年成立的IEEE802.11标准委员会采用了标准委员会采用了“Ad hoc网络网络”一词来描述这一词来描述这种特殊的对等式无线移动网络

37、。种特殊的对等式无线移动网络。 Notes1) What is the meaning of Ad hoc? Ad hoc is a Latin phrase which means for this purpose. It generally signifies a solution designed for a specific problem or task, non-generalizable, and which cannot be adapted to other purposes.2) What is Ad hoc network? A wireless ad hoc netwo

38、rk is a decentralized wireless network. The network is ad hoc because each node is willing to forward data for other nodes, and so the determination of which nodes forward data is made dynamically based on the network connectivity. This is in contrast to wired networks in which routers perform the t

39、ask of routing. It is also in contrast to managed (infrastructure) wireless networks, in which a special node known as an access point manages communication among other nodes.第1章 无线传感器网络概述3 Amateur分组无线网络分组无线网络Amateur分组无线网络是一个由各国业余无线电爱好者设计构建的自组、多分组无线网络是一个由各国业余无线电爱好者设计构建的自组、多跳、全国范围的网络。跳、全国范围的网络。Amateu

40、r的缺陷是地区间只能使用低速率短波链路。由于在链路层以上缺乏的缺陷是地区间只能使用低速率短波链路。由于在链路层以上缺乏统一的协议，用户只能通过人工的方式配置路由，限制了网络的应用。统一的协议，用户只能通过人工的方式配置路由，限制了网络的应用。Amateur分组无线网络的后续研究包括：分组网络与分组无线网络的后续研究包括：分组网络与Internet雏形的互联，雏形的互联，多种短波通信物理层协议的开发，基于卫星的分组网络等。多种短波通信物理层协议的开发，基于卫星的分组网络等。最主要的进步在于多路访问冲突避免（最主要的进步在于多路访问冲突避免（multiple access collision av

41、oidance，MACA）无线信道接入协议的开发。）无线信道接入协议的开发。MACA将载波监听多路访将载波监听多路访问机制与问机制与Apple公司的公司的Localtalk网络中使用的网络中使用的RTS/CTS通信握手机制相结合，通信握手机制相结合，极大地解决了极大地解决了“隐藏终端隐藏终端”和和“暴露终端暴露终端”问题。问题。第1章 无线传感器网络概述4无线局域网（无线局域网（WLAN）无线局域网（无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）就是在各工作站和）就是在各工作站和设备之间，不再使用通信电缆，而采用无线的通信方式连接的局域网。设备之间，不再使用通

42、信电缆，而采用无线的通信方式连接的局域网。一般来讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可以称之为无线局域网。一般来讲，凡是采用无线传输媒体的计算机局域网都可以称之为无线局域网。无线局域网传输媒体：无线局域网传输媒体：无线电波；无线电波；红外线。红外线。第1章 无线传感器网络概述无线电波方式又可分为扩展频谱方式和窄带调制方式（根据调制方式的不无线电波方式又可分为扩展频谱方式和窄带调制方式（根据调制方式的不同）。同）。 扩展频谱方式是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通扩展频谱方式是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，它虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗

43、干扰能力和安全性；信方式，它虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性； 窄带调制方式是指数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频窄带调制方式是指数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去，与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高，发射出去，与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高，但是通信可靠性较差。但是通信可靠性较差。红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且红外线的使用不必受国家无红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且红外线的使用不必受国家无线电管理委员会的限制。线电管理委员会的限制。但是红外线对非透明物体的透过性较差，

44、传输距离受限。但是红外线对非透明物体的透过性较差，传输距离受限。第1章 无线传感器网络概述5无线个域网（无线个域网（WPAN）无线个域网（无线个域网（Wireless Personal Area Networks，WPAN）是一种与无线）是一种与无线广域网（广域网（WWAN）、无线城域网（）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（）、无线局域网（WLAN）并列）并列但覆盖范围较小的无线网络，是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向但覆盖范围较小的无线网络，是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络

45、技术。支持无线个人局域网的技术包括：蓝牙、支持无线个人局域网的技术包括：蓝牙、ZigBee、超宽带（、超宽带（UWB）、）、IrDA、HomeRF等，每一项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥等，每一项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥最佳的作用。最佳的作用。虽然在某些方面，有些技术被认为是在无线个人局域网空间中相互竞争的，虽然在某些方面，有些技术被认为是在无线个人局域网空间中相互竞争的，但是他们常常相互之间又是互补的。但是他们常常相互之间又是互补的。第1章 无线传感器网络概述无线自组织网络，即无线自组织网络，即MANET（Mobile Ad Hoc Network）

46、，是一个由几十），是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。网络。目的：通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。目的：通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。通常节点具有持续的能量供给。无线自组织网络不同于传统无线通信网络的技术。传统的无线蜂窝通信网络，无线自组织网络不同于传统无线通信网络的技术。传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。而需要固定的网络设备如基地站的支持

47、，进行数据的转发和用户服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。但高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。但无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全性不高无线自组织网络也存在网络带宽受限、对

48、实时性业务支持较差、安全性不高的弊端。的弊端。目前，国内外有大量研究人员进行此项目研究。目前，国内外有大量研究人员进行此项目研究。1.2.2 无线自组织网络无线自组织网络第1章 无线传感器网络概述无线传感器网络的研究和使用最早可追溯到冷战时期，美国在其战略区域布无线传感器网络的研究和使用最早可追溯到冷战时期，美国在其战略区域布置了声学监视系统（置了声学监视系统（Sound Surveillance System, SOSUS）,用于检测和跟用于检测和跟踪静默下的前苏联潜艇。踪静默下的前苏联潜艇。美国国防高级研究计划局（美国国防高级研究计划局（DARPA）在）在1978年发起了分布式传感器网络研

49、年发起了分布式传感器网络研讨会，该研讨会在宾夕法尼亚州的卡耐基讨会，该研讨会在宾夕法尼亚州的卡耐基-梅隆大学召开。梅隆大学召开。1998年美国国防高级研究计划局又提出了年美国国防高级研究计划局又提出了“传感器信息技术计划传感器信息技术计划SensIT”，计划的发起使得人们对无线传感器系统的兴趣持续增长。，计划的发起使得人们对无线传感器系统的兴趣持续增长。无线传感器网络技术被认为是无线传感器网络技术被认为是21世纪中能够对信息技术、经济和社会进步发世纪中能够对信息技术、经济和社会进步发挥重要作用的技术，其发展潜力巨大，该技术的广泛应用，将会对现代军事、挥重要作用的技术，其发展潜力巨大，该技术的广

50、泛应用，将会对现代军事、现代信息技术、现代制造业及许多重要的社会领域产生巨大的影响。现代信息技术、现代制造业及许多重要的社会领域产生巨大的影响。1.2.3 无线传感器网络无线传感器网络第1章 无线传感器网络概述1.3.1 传感器网络的特点传感器网络的特点1大规模网络大规模网络2自组织网络自组织网络3多跳路由多跳路由4. 动态性网络动态性网络5以数据为中心的网络以数据为中心的网络6兼容性应用的网络兼容性应用的网络 不同的应用背景对传感器网络的要求不同，设计要面向应用。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，设计要面向应用。1.3 无线传感器网络的特征无线传感器网络的特征 第1章 无线传感器网络概述

51、1.3.2 传感器节点的限制传感器节点的限制1电源能量有限电源能量有限2通信能力有限通信能力有限3计算和存储能力有限计算和存储能力有限第1章 无线传感器网络概述1网络拓扑控制网络拓扑控制 良好的拓扑控制是保证网络性能的基础。良好的拓扑控制是保证网络性能的基础。2网络协议网络协议 拓扑结构和网络资源的动态变化，对网络协议提出更高的要求。拓扑结构和网络资源的动态变化，对网络协议提出更高的要求。 研究重点是网络层协议和数据链路层协议。研究重点是网络层协议和数据链路层协议。3网络安全网络安全 其研究方法和计算手段与传统网络有很大不同。其研究方法和计算手段与传统网络有很大不同。4时间同步时间同步 许多许

52、多 应用需要时间同步，如高速公路区间测速。应用需要时间同步，如高速公路区间测速。5定位技术定位技术 大多数检测数据必须知道位置信息才有意义。大多数检测数据必须知道位置信息才有意义。 通过设置信标节点，可以按照一定算法计算其他节点的位置。通过设置信标节点，可以按照一定算法计算其他节点的位置。1.4 传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术 第1章 无线传感器网络概述6数据融合数据融合 通常传感器网络采集的信息存在大量冗余。通常传感器网络采集的信息存在大量冗余。 数据融合技术可以节省能量，提高信息准确度。但增加了延迟，降低了可数据融合技术可以节省能量，提高信息准确度。但增加了延迟，降低了可靠性。靠

53、性。7数据管理数据管理 传感器网络可以看做分布式数据库，但又与传统分布式数据库有很大区别。传感器网络可以看做分布式数据库，但又与传统分布式数据库有很大区别。8无线通信技术无线通信技术 需要短距离低功耗无线通信技术。常用无线通信平台为需要短距离低功耗无线通信技术。常用无线通信平台为IEEE802.15.4.9嵌入式操作系统嵌入式操作系统 需要根据传感器网路特点设计操作系统。需要根据传感器网路特点设计操作系统。10应用层技术应用层技术 面向具体应用。面向具体应用。1.4 传感器网络的关键技术传感器网络的关键技术 第1章 无线传感器网络概述1军事应用军事应用（1）智能微尘）智能微尘(smartdus

54、t)（2）战场环境侦察与监视系统）战场环境侦察与监视系统（3）传感器组网系统）传感器组网系统2智能家居智能家居3环境监测环境监测4建筑物质量监控建筑物质量监控5医疗护理医疗护理6其他方面应用其他方面应用1.5 无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用第1章 无线传感器网络概述目前，比较典型的仿真平台或基于现有平台的无线传感器网络模型，包括目前，比较典型的仿真平台或基于现有平台的无线传感器网络模型，包括NS-2，OPNET，GloMoSim，TOSSIM，PowerTOSSIM等等。1.6.1 NS-2仿真平台仿真平台NS-2是著名的用于网络研究的离散事件仿真工具，主要致力于是著名的用于网络研究的离散事件仿真工具，主要致力于OSI模型的仿模型的仿真，且其源码开放，适合二次开发。真，且其源码开放，适合二次开发。一些研究小组对一些研究小组对NS-2进行了扩展，使它能支持无线传感器网络的仿真，包括进行了扩展，使它能支持无线传感器网络的仿真，包括传感器模型、电池模型、小型的协议栈、混合仿真的支持和场景工具等。传感器模型、电池模型、小型的协议栈、混合仿真的支持和场景工具等。但由于但由于NS-2对数据包级进行非常详细的仿真，接近于运行时的数据包数量，对数据包级进行非常详细的仿真，接近于运行时的数据包数量，使得其无法进行大规模网络的仿真。使得其无法进行大规模