短距离无线通信技术课程讲义(第八九讲)

1、短距离无线通信技术 主讲教师：夏玮玮 邮箱： 手机束放映开始放映目 录 短距离无线通信技术的基本理论 短距离无线通信技术的研究方向 短距离无线通信技术的典型应用 蓝牙（Bluetooth） 蓝牙基本原理与蓝牙相关的九个实验： 数字基带仿真、服务发现、语音传输、数据传输、电话网接入、局域网接入、通信传输的有效性和可靠性分析、数字图像的采集传输和处理 、无线多点组网 无线传感器网络（WSN）无线传感器网络基本原理无线传感器网络实验GSM/GPRS GSM/GPRS接入基本原理GSM/GPRS接入实验CDMACDMA接入基本原理CDMA接入实验基于蓝牙技术的系列实验 无线多

2、点组网结束放映开始放映实 验 简 介 本实验着重介绍无线组网的基本原理及相关概念，主要包括通信网络的基本组成、无线组网的基本原理及过程、网络的路由技术以及广播、组播的过程及实现。 学生利用已有的多个蓝牙设备进行组网操作，学习无线组网的基本原理及相关概念，理解点对多点的网络、Ad hoc网络多跳转接的拓扑结构、组网过程、简单的路由协议以及广播、组播的相关知识。基本原理通信网络拓扑结构路由技术组网过程广播和组播回目录1. 通信网络拓扑结构通信网分类业务种类：电话通信网、数据通信网、广播电视网网络服务范围：室内网、长途网、国际网网型网星型网复合型网环型网总线型网现代通信网实现的五种基本结构两台计算机

3、能互相通信必须解决的问题计算机互相通信时使用什么样的物理媒介？信道特性如果使用的通信媒介是多台计算机共享的，如何决定在某一时刻由哪台计算机发送数据包？信道共享如何对计算机进行编址，以唯一区分每个数据包的发送者和接收者？地址分配如果两台计算机不是直连在一起的，数据包如何选出一条从起点到目的地的合适通路？路由选择如何检测通信过程中的错误，检测到错误后又如何去校正错误？错误检测通信过程中使用什么数字格式来表示数据？协议 研究这些问题的技术通常称为计算机联网技术 OSI（ 开放系统互联模型）从低到高的七层： 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层网络层：隐藏各种链路的具体特性，向传

4、输层提供一个逻辑上的网络，将数据包通过一条或多条链路从源设备传送到目的设备。一个网络设备就是一个网络节点：主设备和从设备地位和作用网络节点：主 机：包括PC机、工作站、文件服务器等等。路由器：在主机和其它路由器之间转发数据包，使得主 机不必和通信所用的链路直接相连。转发：是路由器将接收到的数据包又发送出去的过程，目的是为了使数据包离它的目的地更近一些。 回原理目录2. 路由技术路由技术所要研究的问题: 数据包能够通过多条路径从源设备到达目的设备，选择什么路径最合适。路由器之间通过路由协议交换信息，以报告它们各自所连接的网络和设备，更新路由表。扩散式路由法 ：数据分组从原始节点发往与它相邻的每个

5、节点，接收到该数据分组的节点检查它是否已经收到过该分组。如果已经收到过，则将它抛弃；如果未收到过，该节点便把这个分组发往除了该分组来源的那个节点以外的所有的相邻节点。查表路由法：在每个节点中使用路由表，指明从该节点到网络中的任何节点应该选择的路径，数据包到达节点之后按照路由表规定的路径前进。 路由表：一种以表的形式组织的软件数据结构，节点通过它为那些目的节点不是自己的包作出一个转发决策。路 由：目的地址、源地址、下一跳地址以及端口等。回原理目录路由选择流程图几种典型的无线网络结构：无线局域网的网络结构无中心拓扑结构：（用于用户数较少的临时组网） 网络中任意两个站点均可直接通信，一般使用公用广播

6、信道； 网络抗毁性能好、建网容易、费用较低、整体网络移动性好； 用户数较多时，信道竞争限制网络性能，路由信息占据大部分有效通信。有中心拓扑结构： 一个无线站点作为基站，网络中所有站点对网络的访问和通信均由其控制； 能实现高速率通信，网络中站点布局受环境限制较小； 中心站为实现局域网互联和接入有线主干网提供了一个逻辑接入点（AP）。蜂窝移动电话网络结构：覆盖方式分为小容量大区制（用户较少的地域）和大容量小区制；小区制的频率利用率提高，相互间干扰减少； 蜂窝网的结构能够实现信息的无缝连接。3. 组网过程 微微网和分布式网络： 微微网：蓝牙网络的基本单元。微微网中一个主设备可以同时连接多个从设备，处

7、于激活状态的从设备最多是7个，其余的可以处于守候状态。主设备是微微网的中心。 分布式网络：由同一区域中的多个微微网构成，相互有重叠的区域并且存在特定的连接。 一个蓝牙设备可以时分复用工作在多个微微网中（同一节点在不同的微微网中即可作为主设备又作从设备，或是多个微微网的从设备）。 一个蓝牙设备不能在多个微微网中作为主设备（使用同样的跳频序列和相位，变成同一个微微网）。 在分布式网络中，大量的节点相互连接，构建支持移动性的无线Ad hoc网络。Ad hoc网络： 网络中所有节点(设备)的地位都是平等的。 每个节点都有路由器的功能，信息可以经由各节点转发至目的节点。 若两个节点不在同一微微网中，即使

8、其空间距离很近，也无法直接通信。 网络中节点的角色分配： 任意两个节点能通过多跳实现相互间的通信； 路由算法尽可能简洁，网络效率尽可能高。一种称为“蓝牙树”的组网方式即可达到上述要求 。组网方式：主设备（M）可以查询周围蓝牙设备并与其建链；从设备（S）不可主动查询，建链后不可被其它蓝牙设备查询到，也不能再主动发起建链和被动建链；主从设备（M/S）不可主动查询，但建链后可被其它蓝牙设备查询到，不能主动发起建链但可被动建链。组网原则：一个主设备至多可与n个从设备建立链路（本实验中为了使得网络结构更加清晰，规定一个主设备最多可与2个从设备建立链路） ；两个从设备间不能直接建立链路（通过主设备路由转接

9、）；所有的从设备节点只能受到一个主设备的控制。“蓝牙树”组网过程 组网过程：每个节点都知道：（1）自己是否是根设备；（2）与它相距一跳的周围设备的地址；（3）与自己相距一跳的周围设备是否已在微微网中。这些信息可以通过设备间建立连接时交换地址信息而获得，它们在网络的管理和单播、广播、组播等功能的实现上起着重要的作用。每个节点都要将自己所知的设备信息（路由信息）告知它的主设备（父设备）。网络中的根设备最终掌握网络中所有节点设备的路由信息。 每个节点都将自己的父设备作为其默认路由器，认为它含有更多的路由信息。当无法从本节点的路由表中确定发送的下一跳节点时，都将此数据包发给默认路由器进行处理。 单跳转

10、接： 网络中任意一个节点设备，向与自己相距一跳的相邻设备发送信息。 多跳转接： 网络中的任意一个节点设备，向与自己不直接相连的设备发送信息。4. 广播和组播广播（所有设备） 由任何一个节点设备向网络内的所有其他节点发送同一消息。任何设备收到目的地址为广播地址的数据都接收。（本实验的广播地址为FF:FF:FF:FF:FF ）。组播（某些特定设备）一个节点设备向网络内某组发送组播信息。网络中任何一个节点设备都可以申请加入一个或多个组播组。每个组播组通过唯一的组播地址来识别。发给某个组的数据只有该组成员才能接收。 组播的目的地址是一个集合（可以实现向多个目的地址传送数据）。 不同微微网的设备可以构成

11、同一个组（这些特定设备属于同一个组，但是可以不属于同一个微微网）。 组播也需要组播路由算法。 组播路由表的维护比较复杂，无线网络环境下就更为繁琐：一方面要尽量减少网络发送信息数量；另一方面又不能漏掉任何一个本组的节点。回原理目录实 验 环 境5台PC为一组。硬件： SEMIT TTP6601 5块； USB 连接线 5根；软件： OS：Windows 2000； 屏幕分辨率：1024768；实 验 内 容组网过程单播路由信息广播与组播回目录1. 组网过程 假设参加组网的共有5个BT设备：a、b、c、d、e。首先由一个设备（例如b）发起查询，如果找到多个设备，则任选其二（例如d、e）主动与其建链

12、。网络结构图 在这个阶段，b、d、e构成一个微微网，b为主设备(M)，d、e为从设备(S)。 再由另外一个设备a发起查询，查询到设备b和设备c，再主动建链。 此时，a、b、c、d、e构成了一个分布式网络。设备a成为网络中的根设备。最终形成如前图所示的拓扑结构，它是个典型的二叉树形结构，每个设备的角色为M，S, M/S。 尽管参与组网的设备数量较少，它实际上已组成了一个自组织的Ad hoc网络。回内容目录注意：（重复强调）在微微网中对处于激活状态的从设备的个数限制为2；某个设备一旦成为从设备（即d、e），它就不能再被其它设备发现，也不能查询其它设备或与其它设备建链。在建链过程中，如果已经作为M的

13、设备（如b）再接受建链成功，要把自己的从设备的信息（路由信息）告知上一个主设备（父设备）。这样最终所有设备的路由信息都保留在树形结构的根设备（最上层的父设备）中。每个节点也拥有自己的路由信息，路由表中包含默认路由器，也就是它的父节点。当它无法从本地路由表查找到数据的目的地址时就转发给默认路由器，因为默认路由器可能包含有比它本身更多的路由信息。 单跳转接 例如设备d向设备b发送信息，或者设备b向设备d、e发送信息。 多跳转接 例如设备e向设备c发送信息。这时需要通过多个节点的转接来传递信息。 注意到有些节点间的物理距离虽然很近，例如设备d、e，但由于两个节点都是从设备，它们之间不能直接传送信息。

14、 实验中体会如何基于以上网络，通过单跳或多跳实现网络中任意两个节点间的通信。 广播 网络中的某个设备（如e）向所有的设备发送一公共消息，网络中的全部设备（包括发送设备本身）都能收到此公共信息。组建网络窗口（规定一台设备最多主动与其它两台设备建立连接）回内容目录点击单播按钮弹出此对话框，可以在下拉菜单中选择对象，也可以手动输入，确定后进入输入数据框。收、发双方都观察并记录下数据包的路由信息。请查看发送成功的单播数据的路由信息或接收到的单播数据的路由信息。回内容目录2. 单播3. 路由信息 显示发送数据的路由信息 观察实验中各节点之间地址及数据信息的交换过程，理解简单的路由协议的实现过程。 参考前

15、述的路由选择流程图，在前面的网络结构图中标记出自己的路由选择。回内容目录4. 广播与组播回内容目录 网络中设置两个组播组 回内容目录广播 由任一节点设备向网络内所有其他节点发送同一消息，观察其发送的目标地址以及数据交换过程； 观察在该情况下的路由过程与两个节点间数据单播的过程有何不同。组播 网络中任一节点都可申请加入一或多个组，而后网络中的任一节点设备向某组发送组播信息，观察数据包的发送过程； 更改节点加入的多播组，观察结果。 组播路由表的维护比较复杂，无线网络环境下就更为繁琐。大家可以根据本实验组成的网络思考或设计组播路由表的格式以及如何维护组播路由表。 实 验 知 识 点通信网络的基本结构

16、计算机联网技术网络节点路由技术组网过程单跳与多跳转接广播和组播回内容目录思 考 题组播具体如何实现？路由器如何知道相应的组播目的节点在哪一方向？如何减小无用组播数据的传播以及形成环路的情况？本实验的组网方式有什么不足，你能提出更好的组网方式吗？尝试组建各种拓扑结构的网络。无线网络环境非常复杂，链路经常会在某一方或双方可能都不知道的情况下因不可靠而断开，如何保证网络的自检查和恢复？对网络负载将会有何影响？回目录基于蓝牙技术的系列实验数字图像的采集传输和处理实验简介 本实验软件主要对数字图像采集，传输，处理过程进行了介绍。 学生利用本软件及数字图像采集与传输设备，了解数字图像采集与传输的过程，理解

17、几种常见图像格式的文件结构，掌握简单的数字图像处理原理，如:伪彩，平滑 ，锐化，图像增强，直方图变换等。 本实验需要操作者具有图像处理、信号系统等相关背景知识。 基本原理 1. 数字图像采集 2. 数字图像传输 3. 数字图像处理直方图与灰度变换 图像的平滑图像的锐化和轮廓增强滤波伪彩色变换 1. 数字图像采集 数字图像采集系统结构框图 数字图像采集系统由摄像头、CCD、模数转换器A/D、高速缓存及控制器组成。 摄像头产生一个对应于物体的光学图像，CCD将此光学图像转换为相应的电信号，A/D将CCD输出的连续的电信号转换成离散的电信号，最后将此电信号存储在存储器中，以便进一步的处理。CCD、A

18、/D、存储器都是由控制器控制的。 2. 数字图像传输物理图像被划分为称作图像元素的小区域，图像元素简称为像素（Pixel）。每个像素具有两个属性：位置和灰度。位置（或称地址）由扫描线内的采样点两个坐标决定，它们又称为行和列。表示该像素位置上亮暗程度的整数值称为灰度。在每个像素位置，图像的亮度被采样和量化，从而得到图像对应点上表示其亮暗程度的一个整数值。在对所有的像素都完成转化后，图像就被表示成一个整数矩阵。数字矩阵是计算机处理的对象，因此传输数字图像就是传输这个数字矩阵的内容。 2. 数字图像传输图像压缩 数据压缩技术利用了数据固有的冗余性和不相关性，将一个大的数据文件转换成较小的文件。压缩过

19、的文件可以在需要的时候以精确的或近似的方式将原文件恢复出来。两个文件的大小之比(压缩比)确定了压缩的程度。 无损压缩的算法删除的仅仅是冗余的信息，因此可以在解压缩时精确恢复原图像。 有损压缩的算法允许压缩过程中损失一定的信息，因此只能对原图像进行近似的重构，而不是精确的复原。 2. 数字图像传输数字图像的不同格式 1. bmp格式bmp（bitmap）文件格式是windows本身的位图文件格式。一个.bmp格式的文件通常有.bmp的扩展名。bmp文件可用每象素1、4、8、16或24位来编码颜色信息，这个位数称作图像的颜色深度，它决定了图像所含的最大颜色数。2. jpeg格式jpeg文件格式提供

20、一种存储深度位象素的有效方法。Jpeg和bmp最大的区别是jpeg使用一种有损压缩算法，它利用了人的视角系统的特性，牺牲了一部分的图像数据来达到较高的压缩率，但是这种损失很小以至于人们很难察觉。 2.数字图像传输 原BMP图象 压缩质量为70的JEPG图象 压缩质量为1的JEPG图象 101KB 21.8KB 3.24KB 3.数字图像处理数字图像处理最基本的目的之一就是改善图像 数字图像处理的方法：直方图与灰度变换 图像的平滑图像的锐化和轮廓增强滤波伪彩色变换3. 数字图像处理直方图及灰度变换 直方图是用于表达图像灰度分布情况的统计表。 直方图的纵坐标为某灰度的象元数，横坐标为灰度值 。 常

21、用的直方图是规格化和离散化的，即纵坐标用相对值表示，定义为： 式中，p(r)为连续灰度的概率密度函数。计算机中直方图常画为竖的线状图 3.数字图像处理（续）直方图的动态范围 直方图的灰度动态范围对实用计算机图像处理系统来说，是通过模数转换器件才能得到的灰度分布数据。 3.数字图像处理（续）sP(s)sP(r)rr 直方图线性变换 由线性的或分段线性的单值函数确定的灰度变换。 直方图线性拉伸与压缩是种直方图线性映射技术,是一种空域处理方法。 用映射的方法把原来压缩的直方图分得开一些，这叫直方图拉伸 。 拉伸和压缩直方图有许多方法，最常用的是线性映射。 3.数字图像处理（续）3.数字图像处理（续）

22、图像平滑 噪声分两大类，一类是点状、尖峰状颗粒噪声，另一类是分布的噪声，如高斯噪声等。对于点状噪声最有效的方法就是图像平滑技术。 图像邻域平均法 图像平滑技术在空域中处理的原理是选中图像的小区，进行各象元灰度平均，再把此灰度值赋予该小区的中点(x,y)，作为该点的新灰度值g(x,y)。加权平均法 为了去掉尖峰噪声，同时又要保存原图像的各种边缘，则可用加权平均法。其他方法 如选择平均法、多幅平均法、空间滤波法以及频域低通滤波法。 3.数字图像处理（续）3.数字图像处理（续）图像锐化和轮廓增强 图像锐化的作用使灰度反差增强，这个技术有利于轮廓抽取。因为轮廓或边缘就是图像中灰度变化率最大的地方。若把

23、图像平滑理解为积分作用，则图像锐化相当于微分作用。为了把轮廓抽取出来，就是要找一种方法把图像的最大灰度变化处找出来。 梯度法 空域图像锐化 频域图像锐化 3.数字图像处理（续）梯度法 为突出图像各不同走向的边缘，可采用各项同性且具有旋转不变性的梯度算子 其幅度： 若取阀值T，则认为 才是边缘。3.数字图像处理（续） 空域图像锐化： 一维波形锐化： 二维波形锐化： （为锐化因子） 常用模板： 频域图像锐化： 高频提升滤波器 3.数字图像处理（续）3.数字图像处理（续）3.数字图像处理（续）3.数字图像处理（续）图像滤波 进行图像平滑的同时保护目标边缘，不使其模糊，仅仅去除噪声。 滤波方法 中值滤

24、波 加权平均法 半邻域法3.数字图像处理（续）伪彩色变换 由于人眼的生理特性是对于微小的灰度变化不敏感，而对彩色的微小差别极为敏感，利用该特性就可以把人眼不敏感的灰度信号映射为人眼灵敏的彩色信号，以增强人对图像中细微变化的分辨力。 从黑白域图像映射到彩色域的增强手段叫做伪彩色增强。 真彩色、伪彩色和假彩色 真彩色：自然物体的彩色叫做真彩色 。 3.数字图像处理（续）3.数字图像处理（续）假彩色一般有三种： 第一种是把真实景物图像的象元逐个地映射为另一种颜色，使目标在原图像中更突出。 第二种是把多光谱图像中任三个光谱图像映射为可见光红、绿、蓝三个可见光谱段的信号，再合成为一幅彩色图像。 第三种是

25、把黑白图像，用灰度级映射或频谱映射而成为类似真实彩色的处理，相当于黑白照片的人工着色方法。 伪彩色：即伪彩色指定，相当于假彩色的一个特例，也就是指定某灰度为某种彩色。 3.数字图像处理（续）实验环境每两台PC为一组。硬件：SEMIT 6603 一块； SEMIT 6605 一块；串口连接电缆两根；并口线一根;电源适配器二个。软件：Windows 2000，显示设置采用Windows标准字体，分辨率为1024768。 实验内容（1） 进行图像采集与传输（2）对采集到的图像进行处理（3）根据数字图像处理原理进行编程 图像采集与传输图像处理学生编程实 验 知 识 点回内容目录 数字图像采集 系统构成

26、 数字图像传输 图像压缩 数字图像的不同格式 数字图像处理直方图与灰度变换 图像的平滑图像的锐化和轮廓增强滤波伪彩色变换 思考题 除了BMP和JPEG还有哪些静态图像格式 它们都采用了哪些编码方法，又何优缺点？ 硬件参数与软件处理对数字图像有何影响？ 目 录 短距离无线通信技术的基本理论 短距离无线通信技术的研究方向 短距离无线通信技术的典型应用 蓝牙（Bluetooth） 蓝牙基本原理与蓝牙相关的九个实验： 数字基带仿真、服务发现、语音传输、数据传输、电话网接入、局域网接入、通信传输的有效性和可靠性分析、数字图像的采集传输和处理 、无线多点组网 无线传感器网络（WSN）无线传感器网络基本原理

27、无线传感器网络实验GSM/GPRS GSM/GPRS接入基本原理GSM/GPRS接入实验CDMACDMA接入基本原理CDMA接入实验无线传感器网络实验结束放映开始放映实 验 简 介 本实验系统采用IEEE802.15.4和Zigbee协议实现了多个传感器节点之间的无线通信，通过对本实验提供的软件操作以及对路由的观察，能够使学生对无线传感器网络的组网过程、路由协议有一个较为深入的理解。 要求学生： （1）理解并掌握无线传感器网络的工作原理及组网过程。 （2）理解无线传感器网络的路由算法。基本原理概述无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）由部署在监测区域内大量的

28、微型传感器节点组成，通过无线的方式形成一个多跳的自组织网络，不仅可以接入Internet，还可适用于有线接入方式所不能胜任的场合，提供优质的数据传输服务。无线传感器网络节点可以协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。 协作：WSN节点可以随机或者特定地布置在监测区域内部或附近，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。基本原理无线传感器网络结构无线传感器网络典型的体系结构包括分布式传感器节点、网关、互联网和监控中心等。在传感器网络中，各个节点的功能都是相同的，它们既是信息

29、包的发起者，也是信息包的转发者。大量传感器节点被布置在整个监测区域中，每个节点将自己所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户。数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送方式传送给网关，然后再通过互联网、卫星信道或者移动通信网络传送给最终用户。用户也可以对网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据等。 无线传感器网络体系结构基本原理无线传感器网络特点节点数量众多，分布密集。为了对一个区域进行监测，往往有成千上万个传感器节点空投到该区域。传感器节点分布非常密集，利用节点之间高度连接性来保证系统的容错性和抗毁性。硬件资源有限。节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、内存空

30、间比普通的计算机功能要弱很多。电源容量有限。网络节点一般由电池供电，其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用（死亡）。自组织网络。无线传感器网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。基本原理无线传感器网络特点无中心的网络。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等式网络。结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与

31、它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。基本原理 传感器节点结构传感器节点的体系结构 一个传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。 传感模块负责采集监测区域内的有用信息并进行数据转换； 处理器模块负责控制整个传感器节点的运行，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据； 无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集到的数据； 能量供

32、应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。基本原理无线传感器网络协议栈 无线传感器网络通信协议主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。 在低层采用IEEE802.15.4工作组所定义的数据链路层和物理层协议，而在数据链路层以上的协议则是由Zigbee联盟制定。 协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。 Zigbee协议栈基本原理 物理层 物理层负责载波频率产生、信号的调制解调等工作。 IEEE802.15.4

33、定义了2.4GHz物理层和868/915MHz物理层两个物理层标准，两个物理层都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率的不同。 2.4GHz频段有16个信道，能够提供250kbps的传输速率，物理层采用的是O-QPSK调制。 868MHz是欧洲的ISM频段，只用一个信道，传输速率为20kbps，物理层采用BPSK调制； 915MHz是美国的ISM频段，有10个信道，传输速率为40kbps，物理层采用的也是BPSK调制方式。 基本原理 数据链路层 数据链路层负责数

34、据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。 媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信。 差错控制保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目标节点。在无线传感器网络中，两个主要的差错控制模式是前向错误修正（FEC）和自动重复请求（ARQ）两种。 就实现机制而言，介质访问控制（MAC）子层协议可分为3类：确定性分配、竞争占用和随机访问。 IEEE802.15.4定义的MAC层采用了CSMA-CA（载波监听多信道接入/避免冲突）协议的信道共享多点接入技术。 基本原理 网络层 网络层主要负责路由生成与路由选择。 路由协议可以大致分为四类：洪泛式路由协议、层次式路由协议、以数据为中心的路由协议、以及基于位置

35、信息的路由协议。 洪泛式路由协议：它不需要维护网络的拓扑结构和路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发数据包给所有的邻节点。典型算法为扩散法（Flooding）。 层次式路由协议：将传感节点分簇，簇内通讯由簇头节点来完成，簇头节点进行数据聚集和合成减少传输信息量，最后簇头节点把聚集的数据传送给终端节点。典型算法为低功耗自适应聚类路由算法（LEACH）。 基本原理 网络层 以数据为中心的路由协议：它提出对传感器网络中的数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制局部范围内。这种方式的通信不再依赖特定的节点，而是依赖于网络中的数据，降低了不必要的开销，从而延长

36、网络生命周期。典型算法为向扩散（Directed Diffusion）。 基于位置信息的路由协议：它利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的地域，从而缩减数据的传送范围。典型算法为GEAR算法。 在本实验中我们采用的是AODV路由算法（Ad hoc on demand distance vector,Ad hoc按需距离矢量协议）。AODV是按需的路由协议，它只根据源节点的需要才建立节点之间的路由。 无线传感器网络的应用 军事领域 商业应用 环境监测/农业应用 医疗保健：方便快捷的实现远程医疗。可随时了解被监护病人的情况，还可长时间地收集人的生理数据。 空间探测基本原理 无线传感器网络的

37、应用实例火山监测 基本原理 无线传感器网络的应用实例地震监测基本原理 无线传感器网络的应用实例气体采样基本原理基本原理 无线传感器网络的应用实例- CR based WSN 将无线传感器网络和认知无线电技术相结合是当前的研究热点之一，国际上较有影响的课题有欧洲的SENDORA项目。在SENDORA项目中，无线传感器网络被赋予进行频谱感知的任务。 认知无线电（Cognitive Radio，CR）是通过利用空闲频谱来提高频谱利用率的技术，其核心思想是，从用户（即认知网络用户）不对主用户（即授权用户）产生干扰的前提下，动态地使用主用户的授权频谱。 SENDORA项目研究场景 实 验 环 境硬件：6

38、台PC机、6个无线传感器模块、1-2个GSM模块；配套的串口连线和直流电源适配器。软件：操作系统为Windows2000或 Windows XP；文档阅读软件：Microsoft Word（用于撰写实验报告）。实 验 内 容 本实验平台采用基于2.4GHZ的Zigbee模块进行传感器节点的设计，传感器节点可以组成不同拓扑结构的网络，并且可以通过多跳将采集到的数据传输到控制节点，并由控制节点将采集到的数据通过GSM网络发送到用户的手机上；用户也可以通过手机发送命令来控制的传感器网络进行数据采集。无线传感器网络实验系统框图 实验内容如下：1. 配置模块，对各个模块进行初始化。2.由主控节点发命令将

39、几个节点组成不同形状的网络拓扑（星形、链形、网状）。3.由主控节点发送命令采集各个节点的温度，并把采集到的数据发送到用户的手机，可以设置一个报警温度，当某一个节点采集到的温度超过这一警戒温度时向用户发送报警信息；主控节点还可以接收手机发送过来的控制命令来控制节点进行数据采集。4.对本实验中所采用的路由算法（AODV路由算法）进行软件仿真。 实 验 步 骤在实验之前，把硬件连接好。PC机上接两个串口，其中串口1接在传感器模块的串口上，串口2接在GSM模块的串口上。然后打开实验程序。1. 从开始菜单中选择 程序SEMIT TTP无线传感器网络实验 菜单，程序启动，进入到配置节点界面。 配置节点界面

40、 首先初始化串口，将实验要用的6个传感器模块分别接到PC机的串口1上写入节点配置信息，包括：射频发射功率、节点类型（Master、RN、EN）、网络ID、节点ID、路由规则。在写入配置之前先要初始化模块。 主节点（Master Node，简称Master）是整个网络的控制中心。它负责网络准入，动态地址分配等。它能够主动扫描本身覆盖范围内的传感器节点。其它节点总是首先试图与主节点进行连接，Master是一个具有完整路由能力的节点,它维持整个网络完整的路由表。 路由节点（Routing Node，简称RN），可看成是一个简单的无线收发器，它能够中继信息，这样就扩展了网络的覆盖范围； 末端节点（End Node，简称EN），仅仅能执行被动扫描，是网络中最简单的类型，这种节点不支持任何路由功能，它们只能够与Master、RN节点进行连接。 组建网络界面 2点