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1、第3章,传感器网络的通信与组网技术,做到目视千里、耳听八方是人类长久的梦想，现代卫星技术的出现虽然使人们离这一目标前进了很多，但卫星高高在上，洞察全局在行，明察细微就勉为其难了。将大量的传感器节点遍撒指定区域，数据通过无线电波传回监控中心，监控区域内的所有信息就会尽收观察者的眼中了。这就是人们对无线传感器网络技术应用的美好展望，它的实现依赖于优秀的数据传输方法，需要新型的网络通信技术。,通常传感器节点的通信覆盖范围只有几十米到几百米，人们要考虑如何在有限的通信能力条件下，完成探测数据的传输。无线通信是传感器网络的关键技术之一。,3.1 物理层,3.1.1 物理层概述,1、物理层的基本概念,在计
2、算机网络中物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据的比特流。国际标准化组织(International Organization for Standardization,IOS)对开放系统互联(Open System Interconnection，OSI)参考模型中物理层的定义如下：物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性。从定义可以看出，物理层的特点是负责在物理连接上传输二进制比特流，并提供为建立、维护和释放物理连接所需要的机械、电气、功能和规程的特性。,物理层的主要功能如下：,为数据终端设备(Data
3、Terminal Equipment，DTE)提供传送数据的通路。传输数据。其他管理工作。,通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。,2、无线通信物理层的主要技术 无线通信物理层的主要技术
4、包括介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术。(1)介质和频段选择 无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在无线网络中使用最广泛。,无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。无线电波是全方向传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。,无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小，大致为1/r3
5、。如果采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，所以每个国家和地区都有关于无线频率管制方面的使用授权规定。,(2)调制技术 调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。,调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和解调
6、往往在很大程度上决定着通信系统的质量。根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制和数字调制。模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。,根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制（Amplitude Modulation,AM）、频率调制（Frequency Modulation,FM）和相位调制（Phase Modulation,PM）。当数字调制信号为
7、二进制矩形全占空脉冲序列时，由于该序列只存在“有电”和“无电”两种状态，因而可以采用电键控制，被称为键控信号，所以上述数字信号的调幅、调频、调相分别又被称为幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)和相移键控(Phase Shift Keying,PSK)。,20世纪80年代以来，人们十分重视调制技术在无线通信系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性更好的数字调制方式。由于振幅键控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无线通信中广泛应用的调制方法是频率键控和相位键控。,(3)扩频技术 扩频又称为扩展频谱，
8、它的定义如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。,扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)、跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)、跳时(Time Hopping Spread Spectrum,THSS)和宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectr
9、um,chirp-SS，简称切普扩频)。,扩频通信与一般无线通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调。扩频技术的优点包括：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率;抗干扰性强，误码率低;隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小;可以实现码分多址;抗多径干扰;能精确地定时和测距;适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务;安装简便，易于维护。,3、无线传感器网络物理层的特点 无线传感器网络作为无线通信网络中的一种类型，因此它包含了上述介绍的无线通信物理层技术的特点。目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波、红外线和光波三种类型。无线电波的通信限制较少，通常人们选择
10、“工业、科学和医疗”(Industrial，Scientific and Medical,ISM)频段。ISM频段的优点在于它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便。ISM频段的缺点主要是功率受限，另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。,尽管传感器网络可以通过其它方式实现通信，譬如各种电磁波（如射频和红外）、声波，但无线电波是当前传感器网络的主流通信方式，在很多领域得到了广泛应用。,3.1.2 传感器网络物理层的设计,1、传输介质,目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红外线和光波等。在无线电频率选择方面，ISM频段是一个很好的选择。因为ISM频段在大多数国家属
11、于无须注册的公用频段。,无线传感器网络节点之间通信的另一种手段是红外技术。红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。红外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。这导致了红外难以成为无线传感器网络的主流传输介质，而只能在一些特殊场合得到应用。,对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对通信传输介质可能有特别的要求。例如，舰船应用可能要求使用水性传输介质，譬如能穿透水面的长波。复杂地形和战场应用会遇到信道不可靠和严重干扰等问题。另外，一些传感器节点的天线可能在高度和发射功率方面比不上周围的其它无线设备，为了保证这些低发射功率的传感器网络节点正常完成通信任务，要求所选择的传输
12、介质能支持健壮的编码和调制机制。,2、物理层帧结构,物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取4，用于收发器进行码片或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为一个字节，表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。帧长度字段通常由一个字节的低7位表示，其值就是后续的物理层PHY负载的长度，因此它的后续PHY负载的长度不会超过127个字节。物理帧PHY的负载长度可变，称为物理服务数据单元(PHY Service Data Unite,PSDU)，携带PHY数据包的数据，PSDU域是物理层的载荷。,3、物理层设计技术,物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题：编码调制技术影响
13、占用频率带宽、通信速率、收发机结构和功率等一系列的技术参数。比较常见的编码调制技术包括幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术。提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于节能具有意义，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。,在低速无线个域网(LR-PAN)的802.15.4标准中，定义的物理层是在868MHz、915MHz、2.4GHz三个载波频段收发数据。在这三个频段都使用了直接序列扩频方式。IEEE 802.15.4标准非常适合无线传感器网络的特点，是传感器网络物理层协议标准的最有力竞争者之一。目前基于该标准的射
14、频芯片也相继推出，例如Chipcon公司的CC2420无线通信芯片。,总的来看，针对无线传感器网络的特点，现有的物理层设计基本采用结构简单的调制方式，在频段选择上主要集中在433464MHz、902928MHz和2.42.5GHz的ISM波段。,3.2 MAC协议,3.2.1 MAC协议概述,无线频谱是无线通信的介质，这种广播介质属于稀缺资源。在无线传感器网络中，可能有多个节点设备同时接入信道，导致分组之间相互冲突，使接收方难以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道资源，导致网络吞吐量下降。为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议。所谓MA
15、C协议就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。,(1)采用分布式控制还是集中控制；(2)使用单一共享信道还是多个信道；(3)采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式。,目前无线传感器网络MAC协议可以按照下列条件进行分类：,本书根据上述的第三种分类方法，将传感器网络的MAC协议分为以下三种：(1)时分复用无竞争接入方式。无线信道时分复用(Time Division Multiple Access，TDMA)方式给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，避免节点之间相互干扰。,(2)随机竞争接入方式。如果采用无线信道的随机竞争接入方式，节点在需要发送数据时随机使用无线信道，尽量
16、减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的MAC协议。,(3)竞争与固定分配相结合的接入方式。通过混合采用频分复用或者码分复用等方式，实现节点间无冲突的无线信道分配。,基于竞争的随机访问MAC协议采用按需使用信道的方式，它的基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。典型的基于竞争的随机访问MAC协议是载波侦听多路访问(CSMA)接入方式。在无线局域网IEEE 802.11 MAC协议的分布式协调工作模式中，就采用了带冲突
17、避免的载波侦听多路访问(CSMA with Collision Avoidance，CSMA/CA)协议，它是基于竞争的无线网络MAC协议的典型代表。,所谓的CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。在IEEE 802.11 MAC协议基础上，人们设计出适用于传感器网络的多种MAC协议。下面首先介绍IEEE 802.1l MAC协议的内容，然后介绍一种适用于无线传感器网络的典型MAC协议。,3.2.2 IEEE
18、 802.11 MAC协议,IEEE 802.11 MAC协议分为分布式协调功能(Distributed Coordination Function,DCF)和点协调功能(Point Coordination Function，PCF)两种访问控制方式，其中DCF方式是IEEE 802.11协议的基本访问控制方式。,在DCF工作方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。物理载波侦听由物理层提供，虚拟载波侦听由MAC层提供。,IEEE 802.11 MAC协议规定了三种基本帧间间隔(InterFrame Space，IFS)，用来提供访问无线信道的优先级：（1）SI
19、FS(short IFS)：最短帧间间隔。（2）PIFS(PCF IFS)：PCF方式下节点使用的帧间间隔。（3）DIFS(DCF IFS)：DCF方式下节点使用的帧间问隔。,根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。,随机退避时间按下面公式进行计算：退避时间=Random()aSlottime 其中，Random()是在竞争窗口0，C
20、W内均匀分布的伪随机整数；CW是整数随机数，它的数值位于标准规定的aCWmin和aCWmax之间；aSlottime是一个时槽时间，包括发射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。,网络节点在进入退避状态时，启动一个退避计时器，当计时达到退避时间后结束退避状态。在退避状态下，只有当检测到信道空闲时才进行计时。如果信道忙，退避计时器中止计时，直到检测到信道空闲时间大于DIFS后才继续计时。当多个节点推迟且进入随机退避时，利用随机函数选择最小退避时间的节点作为竞争优胜者。,802.11 MAC协议通过立即主动确认机制和预留机制业提高性能。在主动确认机制中，当目标节点收到一个发送给它的有效数据
21、帧(DATA)时，必须向源节点发送一个应答帧(ACK)，确认数据已被正确接收到。为了保证目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用SIFS帧间隔。主动确认机制只能用于有明确目标地址的帧，不能用于组播和广播报文传输。,3.2.3 典型MAC协议：S-MAC协议,这里介绍一种适用于无线传感器网络的比较典型的MAC协议，即S-MAC协议(Sensor MAC)。这种协议是在802.1l MAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的。S-MAC协议的适用条件是传感器网络的数据传输量不大，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度的通信延迟。它的设
22、计目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗。,通常无线传感器网络的无效能耗主要来源于如下四种原因：空闲监听 数据冲突 串扰 控制开销,（1）周期性侦听和睡眠机制 S-MAC协议将时间分为帧，帧长度由应用程序决定。帧内分监听工作阶段和睡眠阶段。监听/睡眠阶段的持续时间要根据应用情况进行调整。当节点处于睡眠阶段时，关闭无线电波，以节省能量。当然节点需要缓存这期间收到的数据，以便工作阶段集中发送。,具有相同调度的节点形成一个所谓的虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。如果传感器网络的部署范围较广，可能形成众多不同的虚拟簇，使得S-MAC协议具有良好的可扩展性。为了适应新加入节点，每个节点要定期广播自己的调
23、度信息，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。如果节点同时收到两种不同的调度，如图所示的处于两个不同调度区域重合部分的节点，那么这个节点可以选择先收到的调度，并记录另一个调度信息。,（2）流量自适应侦听机制 流量自适应侦听机制的基本思想是在一次通信过程中，通信节点的邻居在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一段时间。如果节点在这段时间内接收到RTS分组，则可以立刻接收数据，无须等到下一次调度侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。如果在这段时间内没有接收到RTS分组，则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。,（3）冲突和串音避免机制 为了减少冲突和避免串音，S-MAC协议采用了与802
24、.11 MAC协议类似的虚拟和物理载波监听机制，以及RTS/CTS握手交互机制。两者的区别在于当邻居节点处于通信过程时，执行S-MAC协议的节点进入睡眠状态。,（4）消息传递机制 S-MAC协议采用了消息传递机制，可以很好地支持长消息的发送。由于无线信道的传输差错与消息长度成正比，短消息传输成功的概率要大于长消息。消息传递机制根据这一原理，将长消息分为若干个短消息，采用一次RTS/CTS交互的握手机制预约这个长消息发送的时间，集中连续发送全部短消息。这样既可以减少控制报文的开销，又可以提高消息发送的成功率。,S-MAC与IEEE 802.11 MAC协议的突发分组传送,3.3 路由协议,3.3
25、.1 路由协议概述,路由选择(routing)是指选择互连网络从源节点向目的节点传输信息的行为，并且信息至少通过一个中间节点。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它包括两个功能：寻找源节点和目的节点间的优化路径；将数据分组沿着优化路径正确转发。,与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点：,（1）能量优先（2）基于局部拓扑信息（3）以数据为中心（4）应用相关,在根据具体应用设计路由协议时，必须满足如下要求：,（1）能量高效（2）可扩展性（3）稳健性（4）快速收敛性,我们从各种应用的角度出发，将路由协议分为四类：,（1）能量感知路由协议,高效利用网络能量是传
26、感器网络路由协议的一个显著特征。为了强调高效利用能量的重要性，这里将它们划分为能量感知路由协议。能量感知的路由协议从数据传输的能量消耗出发，讨论最少能量消耗和最长网络生存期等问题。,（2）基于查询的路由协议,在诸如环境检测、战场评估等应用中，需要不断查询传感器节点采集的数据。在汇聚节点（查询节点）发出任务查询命令，传感器网络的终端探测节点向监控中心报告采集的数据。在这类监控和检测的应用问题中，通信流量主要是查询节点和传感器探测节点之间的命令和数据传输，同时传感器探测节点的采集信息通常要进行数据融合，通过减少通信流量来节省能量，即数据融合技术与路由协议的设计相结合。,（3）地理位置路由协议,在诸
27、如目标跟踪的应用问题中，往往需要唤醒距离被跟踪目标最近的传感器节点，以便得到关于目标的更精确位置等相关信息。在这类与坐标位置有关的应用问题中，通常需要知道目的节点的精确或者大致地理位置。把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点的路由选择功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗。,（4）可靠的路由协议,传感器网络的某些应用对通信的服务质量有较高要求，可能在可靠性和实时性等方面有特别要求。例如，采用视频传感器进行战场环境监测时，希望传输的视频图像能够尽可能的流畅些。但传感器网络的无线链路稳定性一般难以保证，通信信道质量比较低，网络拓扑变化频繁，要满足用户的某些方面的服务质量指标，需要
28、考虑可靠的路由协议设计技术。,3.3.2 典型路由协议：定向扩散路由,定向扩散（Directed Diffusion，DD）路由协议是一种基于查询的路由机制。扩散节点通过兴趣信息发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣信息到整个区域或部分区域内的所有传感器节点。兴趣信息用来表示查询的任务，表达了网络用户对监测区域内感兴趣的具体内容，例如监测区域内的温度、湿度和光照等数据。在兴趣信息的传播过程中，协议将逐跳地在每个传感器节点上建立反向的从数据源到汇聚节点的数据传输梯度，传感器探测节点将采集到的数据沿着梯度方向传送给汇聚节点。,定向扩散路由机制可以分为周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个阶段:,（1
29、）兴趣扩散阶段,在路由协议的兴趣扩散阶段，汇聚节点周期性地向邻居节点广播兴趣消息。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个节点在本地保存一个兴趣列表，对于每一个兴趣内容，列表中都有一个表项记录发来该兴趣消息的邻居节点、数据发送速率和时间戳等任务相关信息，以建立该节点向汇聚节点传递数据的梯度关系。每个兴趣可能对应多个邻居节点，每个邻居节点对应一个梯度信息。,（2）数据传播阶段,当传感器探测节点采集到与兴趣匹配的数据时，把数据发送到梯度上的邻居节点，并按照梯度上的数据传输速率，设定传感器模块采集数据的速率。由于可能从多个邻居节点收到兴趣消息，节点向多个邻居发送数据，汇聚节点可能收到经过多个路径的相同数据。,（3）路径加强阶段,定向扩散路由机制通过正向加强机制来建立优化路径，并根据网络拓扑的变化来修改数据转发的梯度关系。兴趣扩散阶段是为了建立源节点到汇聚节点的数据传输路径，数据源节点以较低速率来采集和发送数据，我们称这个阶段建立的梯度为探测梯度。,定向扩散路由在路由建立时需要一个兴趣扩散的洪泛传播，在能量和时间方面开销较大，尤其是当底层MAC协议采用休眠机制时，有时可能造成兴趣建立的不一致，因而在网络设计时需要注意避免这些问题。,
