物联网技术-无线传感网-第二课-徐宪清7438294.pptx

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1、集成电路与物联网工程物联网技术The Internet of Things Technology徐宪清徐宪清集成电路与物联网工程通常通常传感器感器节点的通信覆盖范点的通信覆盖范围只有几十米到几百米，人只有几十米到几百米，人们要考要考虑如何在有限的通信能力条件下，完成探如何在有限的通信能力条件下，完成探测数据的数据的传输。无无线通信是通信是传感器网感器网络的关的关键技技术之一。之一。集成电路与物联网工程物 理 层数据链路层网 络 层传 输 层应 用 层能 量 分 配移 动 管 理应 用 优 化无线传感器网络分层结构：无线传感器网络分层结构：集成电路与物联网工程第一部分 传感器网络的通信与组网技术

2、物理层一MAC层协议二路由协议三集成电路与物联网工程第一部分 传感器网络的通信与组网技术物理层一MAC层二路由协议三集成电路与物联网工程1.物理物理层1.1 物理物理层概述概述1、物理、物理层的基本概念的基本概念在在计算机网算机网络中物理中物理层考考虑的是的是怎怎样才能在才能在连接各种接各种计算机的算机的传输介介质上上传输数据的比特流数据的比特流。集成电路与物联网工程国国际标准化准化组织(International Organization for Standardization,IOS)对开放系开放系统互互联(Open System Interconnection，OSI)参考模型中物理参考

3、模型中物理层的定的定义如下：物理如下：物理层为建立、建立、维护和和释放数据放数据链路路实体之体之间的二的二进制比特制比特传输的物理的物理连接，提供机械的、接，提供机械的、电气的、功气的、功能的和能的和规程性的特性。程性的特性。从定从定义可以看出，物理可以看出，物理层的特点是的特点是负责在物理在物理连接上接上传输二二进制比制比特流，并提供特流，并提供为建立、建立、维护和和释放物理放物理连接所需要的机械、接所需要的机械、电气、功能气、功能和和规程的特性。程的特性。集成电路与物联网工程物理物理层的主要功能如下：的主要功能如下：为数据数据终端端设备(Data Terminal Equipment，DT

4、E)提供提供传送数据的通路。送数据的通路。传输数据。数据。其他管理工作。其他管理工作。如信道状如信道状态评估、能量估、能量检测等等等等集成电路与物联网工程通常物理接口通常物理接口标准准对物理接口的四个特性物理接口的四个特性进行了描述：行了描述：机械特性机械特性。它。它规定了物理定了物理连接接时使用的可接插使用的可接插连接器的形状和尺寸，接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。接器中的引脚数量和排列情况等。电气特性气特性。它。它规定了在物理定了在物理连接上接上传输二二进制比特流制比特流时，线路上信号路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。速率与

5、距离限制。功能特性功能特性。它。它规定了物理接口上各条信号定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定的功能分配和确切定义。物理接口信号物理接口信号线一般分一般分为数据数据线、控制、控制线、定、定时线和地和地线。规程特性程特性。它定。它定义了信号了信号线进行二行二进制比特流制比特流传输线的一的一组操作操作过程，程，包括各信号包括各信号线的工作的工作规则和和时序。序。集成电路与物联网工程2、无、无线通信物理通信物理层的主要技的主要技术 无无线通信物理通信物理层的主要技的主要技术包括包括介介质的的选择、频段的段的选择、调制制技技术和和扩频技技术。(1)介介质和和频段段选择无无线通信的介通信的介质包括

6、包括电磁波和声波。磁波和声波。电磁波是最主要的无磁波是最主要的无线通信通信介介质，而声波一般，而声波一般仅用于水下的无用于水下的无线通信。根据波通信。根据波长的不同，的不同，电磁波磁波分分为无无线电波、微波、波、微波、红外外线、毫米波和光波等，其中无、毫米波和光波等，其中无线电波在无波在无线网网络中使用最广泛。中使用最广泛。集成电路与物联网工程无无线电按波按波长和和频率分率分 长波：波波：波长1000，频率率300KHz-30KHz 中波：波中波：波长100M-1000M,频率率300KHz-3000KHz 短波短波:波波长100M-10M，频率率3MHz30MHz 超短波：波超短波：波长1M

7、-10M，频率率30MHz-300MHz,亦称甚高亦称甚高频（VHF）波、米波）波、米波 微波微波:波波长1M-1MM,频率率300MHz-300KMHz。无无线电按用途分：民用、商用、按用途分：民用、商用、军用用民用：一般指我民用：一般指我们听得无听得无线广播，一般没有太高的波段广播，一般没有太高的波段 商用：机商用：机场、通、通讯运运营商使用的无商使用的无线电 军用：用：军事用途。事用途。集成电路与物联网工程无无线电波是容易波是容易产生，可以生，可以传播很播很远，可以穿，可以穿过建筑物，建筑物，因而被广泛地用于室内或室外的无因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。无通信。无线电波是全波是全方

8、向方向传播信号的，它能向任意方向播信号的，它能向任意方向发送无送无线信号，所以信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。准。集成电路与物联网工程无无线电波的波的传播特性与播特性与频率相关。如果率相关。如果采用采用较低低频率，率，则它能它能轻易地通易地通过障碍物，障碍物，但但电波能量随着与信号源距离波能量随着与信号源距离r的增大而急的增大而急剧减小，大致减小，大致为1/r3。如果采用高。如果采用高频传输，则它它趋于直于直线传播，且受障碍物阻播，且受障碍物阻挡的影的影响。无响。无线电波易受波易受发动机和其它机和其它电子子设备的干的干扰。另

9、外，由于无另外，由于无线电波的波的传输距离距离较远，用用户之之间的相互串的相互串扰也是需要关注的也是需要关注的问题，所以每个国家和地区都有关于无所以每个国家和地区都有关于无线频率管率管制方面的使用授制方面的使用授权规定。定。集成电路与物联网工程ISM频段集成电路与物联网工程(2)调制技制技术调制和解制和解调技技术是无是无线通信系通信系统的关的关键技技术之一。通常信号源的之一。通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和信息（即信源）含有直流分量和频率率较低的低的频率分量，称率分量，称为基基带信号。信号。基基带信号往往不能作信号往往不能作为传输信号，因而要将基信号，因而要将基带信号信号转换为相相

10、对基基带频率而言率而言频率非常高的率非常高的带通信号，以便于通信号，以便于进行信道行信道传输。通常将。通常将带通信号通信号称称为已已调信号，而基信号，而基带信号称信号称为调制信号。制信号。集成电路与物联网工程调制制对通信系通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和解制和解调往往在很大程度上决定着通信系往往在很大程度上决定着通信系统的的质量。根据量。根据调制中采用的制中采用的基基带信号的信号的类型，可以将型，可以将调制分制分为模模拟调制制和和数字数字调制制。模模拟调制制是用模是用模拟基基带信号信号对高高频载波的某一参量波的某一参量进行控制，

11、使高行控制，使高频载波随着模波随着模拟基基带信号的信号的变化而化而变化。化。数字数字调制制是用数字基是用数字基带信号信号对高高频载波的某一参量波的某一参量进行控制，使高行控制，使高频载波随着数字基波随着数字基带信号的信号的变化而化而变化。目前通信系化。目前通信系统都在由模都在由模拟制式制式向数字制式向数字制式过渡，因此数字渡，因此数字调制已制已经成成为了主流的了主流的调制技制技术。该参量可以是信号的幅度、频率或相位该参量可以是信号的幅度、频率或相位。集成电路与物联网工程根据原始信号所控制参量的不同，根据原始信号所控制参量的不同，调制分制分为幅度幅度调制制（Amplitude Modulatio

12、n,AM）、）、频率率调制制（Frequency Modulation,FM）和）和相位相位调制制（Phase Modulation,PM）。）。当数字当数字调制信号制信号为二二进制矩形全占空脉冲序列制矩形全占空脉冲序列时，由于，由于该序列只存序列只存在在“有有电”和和“无无电”两种状两种状态，因而可以采用，因而可以采用电键控制，被称控制，被称为键控控信号，所以上述数字信号的信号，所以上述数字信号的调幅、幅、调频、调相分相分别又被称又被称为幅移幅移键控控(Amplitude Shift Keying,ASK)、频移移键控控(Frequency Shift Keying,FSK)和相移和相移键控

13、控(Phase Shift Keying,PSK)。集成电路与物联网工程 20世世纪80年代以来，人年代以来，人们十分重十分重视调制技制技术在无在无线通通信系信系统中的中的应用，以用，以寻求求频谱利用率更高、利用率更高、频谱特性更特性更好的数字好的数字调制方式。由于振幅制方式。由于振幅键控信号的抗噪声性能不控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无理想，因而目前在无线通信中广泛通信中广泛应用的用的调制方法是制方法是频率率键控和相位控和相位键控。控。集成电路与物联网工程(3)扩频技技术扩频又称又称为扩展展频谱，它的定，它的定义如下：如下：扩频通信技通信技术是一种信是一种信息息传输方式，其信号所占有

14、的方式，其信号所占有的频带宽度度远大于所大于所传信息必需的最小信息必需的最小带宽；频带的的扩展是通展是通过一个独立的一个独立的码序列来完成，用序列来完成，用编码及及调制制的方法来的方法来实现，与所，与所传信息数据无关；在接收端用同信息数据无关；在接收端用同样的的码进行相行相关同步接收、解关同步接收、解扩和恢复所和恢复所传信息数据。信息数据。扩展展频谱，增，增强系系统的抗干的抗干扰能力！能力！集成电路与物联网工程这一定一定义包含以下三方面意思：包含以下三方面意思：n信号的信号的频谱被展被展宽了了 n采用采用扩频码序列序列调制的方式来展制的方式来展宽信号信号频谱 n在接受端用相关解在接受端用相关解

15、调（或相干解（或相干解调）来解）来解扩集成电路与物联网工程传输任何信息都需要一定的任何信息都需要一定的频带，称，称为信息信息带宽或基或基带信号信号频带宽度。例如：度。例如：n人人类语音的信息音的信息带宽为3003400Hz；n电视图像信息像信息带宽为6.5MHz。在通常通信系在通常通信系统中，中，为了提高了提高频带利用率，通常都是利用率，通常都是尽量采用大体相当的尽量采用大体相当的带宽的信号来的信号来传输信息。而信息。而扩频通信的通信的信号信号带宽与信息与信息带宽之比之比则高达高达1001000，属于，属于宽带通信。通信。集成电路与物联网工程通通过信号理信号理论知道：知道：n在在时间上是有限的

16、信号，其上是有限的信号，其频谱是无限的；是无限的；n脉冲信号脉冲信号宽度越窄，其度越窄，其频谱就越就越宽，近似成反比。，近似成反比。因此，如很窄的脉冲序列被所因此，如很窄的脉冲序列被所传信息信息调制，制，则可可产生很生很宽频带的信号。的信号。CDMA蜂蜂窝网移网移动通信系通信系统就是采用直就是采用直扩方方式式获得得扩频信号的。信号的。这种很窄的脉冲种很窄的脉冲码序列（其序列（其码速率很高）速率很高）称称为扩频码序列。所采用的序列。所采用的扩频码序列与所序列与所传的信息数据无的信息数据无关（它与一般的正弦关（它与一般的正弦载波信号波信号类似），不影响信息似），不影响信息传输的透的透明性。明性。扩

17、频码序列序列仅仅起起扩展信号展信号频谱的作用。的作用。集成电路与物联网工程典型扩频通信的一般工作原理如图2所示。图2 典型的扩频通信系统模型扩频通信的工作原理扩频通信的工作原理信道由图2可看出，扩频通信系统主要由原始信息、信息调制（信源编译码、信道编译码）、载波调制与解调、扩频调制与解调和信道六大部分组成。集成电路与物联网工程n信源信源编码的目的是减小信息的冗余度，提高信道的目的是减小信息的冗余度，提高信道的的传输效率。效率。n信道信道编码（差（差错控制）的目的是增加信息在信道控制）的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有中的冗余度，使其具有检错或或纠错的能力，以的能力，以提高信道的提高

18、信道的传输质量。量。n调制部分的目的是使制部分的目的是使经信道信道编码后的符号能在适后的符号能在适当的当的频段段传输，通常使用的数字信号，通常使用的数字信号调制方式分制方式分为振幅振幅键控控ASK、频移移键控控FSK、移相、移相键控控PSK。n扩频调制和解制和解调是是为了提高系了提高系统的抗干的抗干扰能力而能力而进行的信号行的信号频谱展展宽和和还原。原。集成电路与物联网工程扩频技技术按照工作方式的不同，可以分按照工作方式的不同，可以分为以下四种：以下四种：直接序列直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)、跳跳频(Frequency Hopping

19、 Spread Spectrum,FHSS)、跳跳时(Time Hopping Spread Spectrum,THSS)宽带线性性调频扩频(chirp Spread Spectrum,chirp-SS，简称切普称切普扩频)。集成电路与物联网工程扩频通信与一般无通信与一般无线通信系通信系统相比，主要是在相比，主要是在发射端增加了射端增加了扩频调制，而在接收端增加了制，而在接收端增加了扩频解解调。扩频技技术的的优点点包括：易于重复使用包括：易于重复使用频率，提高了无率，提高了无线频谱利用利用率率;抗干抗干扰性性强，误码率低率低;隐蔽性好，蔽性好，对各种窄各种窄带通信系通信系统的干的干扰很很小小;

20、可以可以实现码分多址分多址;抗多径干抗多径干扰;能精确地定能精确地定时和和测距距;适合数字适合数字话音和数据音和数据传输，以及开展多种通信，以及开展多种通信业务;安装安装简便，易于便，易于维护。集成电路与物联网工程3、无、无线传感器网感器网络物理物理层的特点的特点无无线传感器网感器网络作作为无无线通信网通信网络中的一种中的一种类型，因此它包含了上述介型，因此它包含了上述介绍的无的无线通信物理通信物理层技技术的特点。的特点。目前无目前无线传感器网感器网络的通信的通信传输介介质主要是主要是无无线电波波、红外外线和和光波光波三三种种类型。无型。无线电波的通信限制波的通信限制较少，通常人少，通常人们选

21、择“工工业、科学和医、科学和医疗”(Industrial，Scientific and Medical,ISM)频段。段。ISM频段的段的优点在于它点在于它是自由是自由频段，无段，无须注册，可注册，可选频谱范范围大，大，实现起来灵活方便。起来灵活方便。ISM频段的段的缺点主要是功率受限，另外与缺点主要是功率受限，另外与现有多种无有多种无线通信通信应用存在相互干用存在相互干扰问题。集成电路与物联网工程尽管尽管传感器网感器网络可以通可以通过其它方式其它方式实现通信，譬如通信，譬如各种各种电磁波（如射磁波（如射频和和红外）、声波，但无外）、声波，但无线电波是当波是当前前传感器网感器网络的主流通信方式

22、，在很多的主流通信方式，在很多领域得到了广泛域得到了广泛应用用。集成电路与物联网工程1.3 传感器网感器网络物理物理层的的设计1、传输介介质目前无目前无线传感器网感器网络采用的主要采用的主要传输介介质包括无包括无线电、红外外线和光波等。和光波等。在无在无线电频率率选择方面，方面，ISM频段是一个很好的段是一个很好的选择。因。因为ISM频段在大多数国家属于无段在大多数国家属于无须注册的公用注册的公用频段。段。集成电路与物联网工程无无线传感器网感器网络节点之点之间通信的另一种手段是通信的另一种手段是红外技外技术。红外通信的外通信的优点是无点是无须注册，并且抗干注册，并且抗干扰能力能力强。红外通信的

23、主要缺点是穿透能力差，要求外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接送者和接收者之收者之间存在存在视距关系。距关系。这导致了致了红外外难以成以成为无无线传感感器网器网络的主流的主流传输介介质，而只能在一些特殊，而只能在一些特殊场合得到合得到应用。用。集成电路与物联网工程对于一些特殊于一些特殊场合的合的应用情况，用情况，传感器网感器网络对通信通信传输介介质可可能有特能有特别的要求。例如，的要求。例如，舰船船应用可能要求使用水性用可能要求使用水性传输介介质，譬，譬如能穿透水面的如能穿透水面的长波。复波。复杂地形和地形和战场应用会遇到信道不可靠和用会遇到信道不可靠和严重干重干扰等等问题。另外，一些

24、另外，一些传感器感器节点的天点的天线可能在高度和可能在高度和发射功率方面比不射功率方面比不上周上周围的其它无的其它无线设备，为了保了保证这些低些低发射功率的射功率的传感器网感器网络节点正常完成通信任点正常完成通信任务，要求所，要求所选择的的传输介介质能支持健壮的能支持健壮的编码和和调制机制。制机制。集成电路与物联网工程2、物理、物理层帧结构构物理物理帧的第一个字段是前的第一个字段是前导码，字，字节数一般取数一般取4，用于收，用于收发器器进行行码片或片或者符号的同步。第二个字段是者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常度通常为一个字一个字节，表示同步，表示同步结束，束，数据包开始数据包开始传输。

25、帧头与前与前导码构成了同步构成了同步头。帧长度字段通常由一个字度字段通常由一个字节的低的低7位表示，其位表示，其值就是后就是后续的物理的物理层PHY负载的的长度，因此它的后度，因此它的后续PHY负载的的长度不会超度不会超过127个字个字节。物理物理帧PHY的的负载长度可度可变，称，称为物理服物理服务数据数据单元元(PHY Service Data Unite,PSDU)，携，携带PHY数据包的数据，数据包的数据，PSDU域是物理域是物理层的的载荷荷。集成电路与物联网工程3、物理、物理层设计技技术物理物理层需要考需要考虑编码调制技制技术、通信速率和通信、通信速率和通信频段等段等问题：编码调制技制

26、技术影响占用影响占用频率率带宽、通信速率、收、通信速率、收发机机结构和构和功率等一系列的技功率等一系列的技术参数。比参数。比较常常见的的编码调制技制技术包括幅移包括幅移键控、控、频移移键控、相移控、相移键控和各种控和各种扩频技技术。提高数据提高数据传输速率可以减少数据收速率可以减少数据收发的的时间，对于于节能具有能具有意意义，但需要同，但需要同时考考虑提高网提高网络速度速度对误码的影响。一般用的影响。一般用单个比个比特的收特的收发能耗来定能耗来定义数据数据传输对能量的效率，能量的效率，单比特能耗越小越好。比特能耗越小越好。集成电路与物联网工程在低速无在低速无线个域网个域网(LR-PAN)的的8

27、02.15.4标准中，定准中，定义的物理的物理层是是在在868MHz、915MHz、2.4GHz三个三个载波波频段收段收发数据。在数据。在这三个三个频段都使用了直接序列段都使用了直接序列扩频方式。方式。IEEE 802.15.4标准非常适合无准非常适合无线传感器网感器网络的特点，是的特点，是传感器网感器网络物理物理层协议标准的最有力准的最有力竞争者之一。目前基于争者之一。目前基于该标准的射准的射频芯片芯片也相也相继推出，例如推出，例如Chipcon公司的公司的CC2420无无线通信芯片，通信芯片，现在的在的SoC的的CC2430、CC2530等。等。集成电路与物联网工程总的来看，的来看，针对无

28、无线传感器网感器网络的特点，的特点，现有的物理有的物理层设计基本采用基本采用结构构简单的的调制方式，在制方式，在频段段选择上主要上主要集中在集中在433464MHz、902928MHz和和2.42.5GHz的的ISM波段。波段。集成电路与物联网工程第一部分 传感器网络的通信与组网技术物理层一MAC协议二路由协议三集成电路与物联网工程2.MAC协议2.1 MAC协议概述概述无无线频谱是无是无线通信的介通信的介质，这种广播介种广播介质属于稀缺属于稀缺资源。在无源。在无线传感器网感器网络中，可能有多个中，可能有多个节点点设备同同时接入信道，接入信道，导致分致分组之之间相互冲突，使接收方相互冲突，使接

29、收方难以分辨出接收到的数据，从而浪以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道了信道资源，源，导致网致网络吞吐量下降。吞吐量下降。为了解决了解决这些些问题，就需要，就需要设计介介质访问控制控制(Medium Access Control，MAC)协议。所所谓MAC协议就是通就是通过一一组规则和和过程来有效、有序和公平地程来有效、有序和公平地使用共享介使用共享介质。集成电路与物联网工程(1)采用分布式控制采用分布式控制还是集中控制；是集中控制；(2)使用使用单一共享信道一共享信道还是多个信道；是多个信道；(3)采用固定分配信道方式采用固定分配信道方式还是随机是随机访问信道方式。信道方式。目前无目前无线传

30、感器网感器网络MAC协议可以按照下列条件可以按照下列条件进行分行分类：集成电路与物联网工程本本课根据上述的第三种分根据上述的第三种分类方法，将方法，将传感器网感器网络的的MAC协议分分为以下三种：以下三种：(1)时分复用无分复用无竞争接入方式争接入方式。无。无线信道信道时分复用分复用(Time Division Multiple Access，TDMA)方式方式给每个每个传感器感器节点分配点分配固定的无固定的无线信道使用信道使用时段，避免段，避免节点之点之间相互干相互干扰。集成电路与物联网工程 (2)随机随机竞争接入方式争接入方式。如果采用无。如果采用无线信道的随机信道的随机竞争接入方式，争接

31、入方式，节点在需要点在需要发送数据送数据时随机使用无随机使用无线信道，信道，尽量减少尽量减少节点点间的干的干扰。典型的方法是采用。典型的方法是采用载波波侦听多听多路路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)的的MAC协议。集成电路与物联网工程 (3)竞争与固定分配相争与固定分配相结合的接入方式合的接入方式。通。通过混合采用混合采用频分复用或者分复用或者码分复用等方式，分复用等方式，实现节点点间无冲突的无无冲突的无线信道分配。信道分配。集成电路与物联网工程基于基于竞争的随机争的随机访问MAC协议采用按需使用信道的方式，它的采用按需使用信道的方式，它的基本思想是

32、当基本思想是当节点需要点需要发送数据送数据时，通，通过竞争方式使用无争方式使用无线信道，信道，如果如果发送的数据送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据数据，直到数据发送成功或放弃送成功或放弃发送。送。典型的基于典型的基于竞争的随机争的随机访问MAC协议是是载波波侦听多路听多路访问(CSMA)接入方式。在无接入方式。在无线局域网局域网IEEE 802.11 MAC协议的分布式的分布式协调工作模式中，就采用了工作模式中，就采用了带冲突避免的冲突避免的载波波侦听多路听多路访问(CSMA with Collision Avoidance，CSMA/CA)协议，它

33、是基于，它是基于竞争的无争的无线网网络MAC协议的典型代表。的典型代表。集成电路与物联网工程CSMA依侦听发送策略的分类依侦听发送策略的分类n根据具体的侦听发送策略，可将CSMA分为非持续CSMA（non-persistent CSMA）n当要发送帧的设备侦听到线路忙或发生冲突时，会随机等待一段时间再进行侦听；若发现不忙则立即发送；此策略可以减少冲突，但会导致信道利用率降低，以及较长的延迟。1-持续CSMA（1-persistent CSMA）n当要发送帧的设备侦听到线路忙或发生冲突时，会持续侦听；若发现不忙则立即发送。当传播延迟较长或多个设备同时发送帧的可能性较大时，此策略会导致较多的冲突，

34、导致性能降低。p-持续CSMA（p-persistent CSMA）n当要发送帧的设备侦听到线路忙或发生冲突时，会持续侦听；若发现不忙，则根据一个事先指定的概率p来决定是发送帧还是继续侦听（以p的概率发送，1-p的概率继续侦听）；此种策略可以达到一定的平衡，但对于参数p的配置会涉及比较复杂的考量。正确使用以上策略可以在一定程度上减少冲突的发生，但无法彻底解决冲突问题。集成电路与物联网工程CSMA/CA载载波波侦侦听听多多路路访访问问冲冲突突避避免免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）此种方案采用主动避免

35、碰撞而非被动侦测的方式来解决冲突问题。可以满足那些不易准确侦测是否有冲突发生的需求，如无线局域网。CSMA/CA协议主要使用两种方法来避免碰撞：设备欲发送帧，且侦听到信道空闲时，维持一段时间后，再等待一段随机的时间依然空闲时，才提交数据。由于各个设备的等待时间是分别随机产生的，因此很大可能有所区别，由此可以减少冲突的可能性。RTS-CTS握手（handshake）：设备欲发送帧前，先发送一个很小的RTS（Request to Send）帧给目标端，等待目标端回应CTS（Clear to Send）帧后，才开始传送。此方式可以确保接下来传送数据时，不会发生冲突。同时由于RTS帧与CTS帧都很小，

36、让传送的无效开销变小。此方案应用于无线局域网的IEEE 802.11标准。集成电路与物联网工程在在IEEE 802.11 MAC协议基基础上，人上，人们设计出适用于出适用于传感器感器网网络的多种的多种MAC协议。下面首先介下面首先介绍IEEE 802.1l MAC协议的内容，然后介的内容，然后介绍一种适一种适用于无用于无线传感器网感器网络的典型的典型MAC协议。集成电路与物联网工程2.2 IEEE 802.11 MAC协议 IEEE 802.11 MAC协议分分为分布式分布式协调功能功能(Distributed Coordination Function,DCF)和点和点协调功能功能(Poin

37、t Coordination Function，PCF)两种两种访问控制方式，其中控制方式，其中DCF方式是方式是IEEE 802.11协议的基的基本本访问控制方式。控制方式。集成电路与物联网工程在在DCF工作方式工作方式下，下，载波波侦听机制听机制通通过物理物理载波波侦听听和和虚虚拟载波波侦听听来来确定无确定无线信道的状信道的状态。物理。物理载波波侦听听由物理由物理层提供，虚提供，虚拟载波波侦听由听由MAC层提供。提供。集成电路与物联网工程 IEEE 802.11 MAC协议规定了三种基本定了三种基本帧间间隔隔(InterFrame Space，IFS)，用来提供，用来提供访问无无线信道的信

38、道的优先先级：（1）SIFS(short IFS)：最短：最短帧间间隔。隔。（2）PIFS(PCF IFS)：PCF方式下方式下节点使用的点使用的帧间间隔。隔。（3）DIFS(DCF IFS)：DCF方式下方式下节点使用的点使用的帧间问隔。隔。集成电路与物联网工程根据根据CSMA/CA协议，当，当节点要点要传输一个分一个分组时，它首先，它首先侦听信道听信道状状态。如果信道空。如果信道空闲，而且，而且经过一个一个帧间间隔隔时间DIFS后，信道仍然后，信道仍然空空闲，则站点立即开始站点立即开始发送信息。如果信道忙，送信息。如果信道忙，则站点始站点始终侦听信道，听信道，直到信道的空直到信道的空闲时间

39、超超过DIFS。当信道最。当信道最终空空闲下来的下来的时候，候，节点点进一步使用二一步使用二进制退避算法，制退避算法，进入退避状入退避状态来避免来避免发生碰撞。生碰撞。集成电路与物联网工程随机退避随机退避时间按下面公式按下面公式进行行计算：算：退避退避时间=Random()aSlottime 其中，其中，Random()是在是在竞争窗口争窗口0，CW内均匀分布的内均匀分布的伪随机整数；随机整数；CW是整数随机数，它的数是整数随机数，它的数值位于位于标准准规定的定的aCWmin和和aCWmax之之间；aSlottime是一个是一个时槽槽时间，包，包括括发射启射启动时间、介、介质传播播时延、延、检

40、测信道的响信道的响应时间等。等。集成电路与物联网工程网网络节点在点在进入退避状入退避状态时，启，启动一个退避一个退避计时器，器，当当计时达到退避达到退避时间后后结束束退避状退避状态。在退避状。在退避状态下，下，只有当只有当检测到信道空到信道空闲时才才进行行计时。如果信道忙，退。如果信道忙，退避避计时器中止器中止计时，直到，直到检测到信道空到信道空闲时间大于大于DIFS后才后才继续计时。当多个。当多个节点点推推迟且且进入随机退避入随机退避时，利，利用随机函数用随机函数选择最小退避最小退避时间的的节点作点作为竞争争优胜者。者。集成电路与物联网工程 802.11 MAC协议通通过立即主立即主动确确认

41、机制机制和和预留机制留机制提高性能。在主提高性能。在主动确确认机制中，当目机制中，当目标节点收到一个点收到一个发送送给它的有效数据它的有效数据帧(DATA)时，必，必须向源向源节点点发送一个送一个应答答帧(ACK)，确，确认数据已被正确接收到。数据已被正确接收到。为了保了保证目目标节点在点在发送送ACK过程中不与其它程中不与其它节点点发生冲突，目生冲突，目标节点使用点使用SIFS帧间隔。主隔。主动确确认机制只能用于有明确目机制只能用于有明确目标地址的地址的帧，不能用于，不能用于组播和广播播和广播报文文传输。集成电路与物联网工程2.3 典型典型MAC协议：S-MAC协议这里介里介绍一种适用于无一

42、种适用于无线传感器网感器网络的比的比较典型的典型的MAC协议，即，即S-MAC协议(Sensor MAC)。这种种协议是在是在802.1l MAC协议的基的基础上，上，针对传感器网感器网络的的节省能量需求而提出的。省能量需求而提出的。S-MAC协议的适用条件是的适用条件是传感器网感器网络的数据的数据传输量不大，网量不大，网络内部内部能能够进行数据的行数据的处理和融合以减少数据通信量，网理和融合以减少数据通信量，网络能容忍一定程度能容忍一定程度的通信延的通信延迟。它的。它的设计目目标是提供良好的是提供良好的扩展性，减少展性，减少节点能耗。点能耗。集成电路与物联网工程通常无通常无线传感器网感器网络

43、的无效能耗主要来源于如下四的无效能耗主要来源于如下四种原因：种原因：空空闲监听听数据冲突数据冲突串串扰控制开控制开销集成电路与物联网工程（1）周期性）周期性侦听和睡眠机制听和睡眠机制 S-MAC协议将将时间分分为帧，帧长度由度由应用程序决定。用程序决定。帧内分内分监听听工作工作阶段和睡眠段和睡眠阶段。段。监听听/睡眠睡眠阶段的持段的持续时间要根据要根据应用情况用情况进行行调整。当整。当节点点处于睡眠于睡眠阶段段时，关，关闭无无线电波，以波，以节省能量。当省能量。当然然节点需要点需要缓存存这期期间收到的数据，以便工作收到的数据，以便工作阶段集中段集中发送。送。集成电路与物联网工程具有相同具有相同

44、调度的度的节点形成一个所点形成一个所谓的虚的虚拟簇，簇，边界界节点点记录两个或多个两个或多个调度。如果度。如果传感器网感器网络的部署范的部署范围较广，广，可能形成众多不同的虚可能形成众多不同的虚拟簇，使得簇，使得S-MAC协议具有良好的可具有良好的可扩展性。展性。为了适了适应新加入新加入节点，每个点，每个节点要点要定期广播自己的定期广播自己的调度信息，使新度信息，使新节点可点可以与已以与已经存在的相存在的相邻节点保持同步。如点保持同步。如果果节点同点同时收到两种不同的收到两种不同的调度，如度，如图所示的所示的处于两个不同于两个不同调度区域重合部分度区域重合部分的的节点，那么点，那么这个个节点可

45、以点可以选择先收到先收到的的调度，并度，并记录另一个另一个调度信息。度信息。集成电路与物联网工程（2）流量自适）流量自适应侦听机制听机制流量自适流量自适应侦听机制的基本思想是在一次通信听机制的基本思想是在一次通信过程中，通信程中，通信节点的点的邻居在通信居在通信结束后不立即束后不立即进入睡眠状入睡眠状态，而是保持，而是保持侦听一段听一段时间。如果如果节点在点在这段段时间内接收到内接收到RTS分分组，则可以立刻接收数据，可以立刻接收数据，无无须等到下一次等到下一次调度度侦听周期，从而减少了数据分听周期，从而减少了数据分组的的传输延延迟。如果在如果在这段段时间内没有接收到内没有接收到RTS分分组，

46、则转入睡眠状入睡眠状态直到下一直到下一次次调度度侦听周期。听周期。集成电路与物联网工程（3）冲突和串音避免机制）冲突和串音避免机制 为了减少冲突和避免串音，了减少冲突和避免串音，S-MAC协议采用了与采用了与802.11 MAC协议类似的虚似的虚拟和物理和物理载波波监听机制，以及听机制，以及RTS/CTS握手交互机制。握手交互机制。两者的区两者的区别在于当在于当邻居居节点点处于通信于通信过程程时，执行行S-MAC协议的的节点点进入睡眠状入睡眠状态。集成电路与物联网工程（4）消息）消息传递机制机制 S-MAC协议采用了消息采用了消息传递机制，可以很好地支持机制，可以很好地支持长消息的消息的发送送

47、。由于无。由于无线信道的信道的传输差差错与消息与消息长度成正比，短消息度成正比，短消息传输成功的成功的概率要大于概率要大于长消息。消息。消息消息传递机制根据机制根据这一原理，将一原理，将长消息分消息分为若干个短消息，采若干个短消息，采用一次用一次RTS/CTS交互的握手机制交互的握手机制预约这个个长消息消息发送的送的时间，集中，集中连续发送全部短消息。送全部短消息。这样既可以减少控制既可以减少控制报文的开文的开销，又可以提，又可以提高消息高消息发送的成功率。送的成功率。集成电路与物联网工程S-MAC与与IEEE 802.11 MAC协议的突的突发分分组传送送集成电路与物联网工程第一部分 传感器

48、网络的通信与组网技术物理层一MAC层二路由协议三集成电路与物联网工程3.路由路由协议3.1 路由路由协议概述概述路由路由选择(routing)是指是指选择互互连网网络从源从源节点向目的点向目的节点点传输信息的行信息的行为，并且信息至少通，并且信息至少通过一个中一个中间节点。点。路由路由协议负责将数据分将数据分组从源从源节点通点通过网网络转发到目的到目的节点，点，它包括两个功能：它包括两个功能：寻找源找源节点和目的点和目的节点点间的的优化路径；化路径；将数据分将数据分组沿着沿着优化路径正确化路径正确转发。集成电路与物联网工程与与传统网网络的路由的路由协议相比，无相比，无线传感器网感器网络的路由的

49、路由协议具有以下特点：具有以下特点：（1）能量）能量优先先（2）基于局部拓扑信息）基于局部拓扑信息（3）以数据）以数据为中心中心（4）应用相关用相关集成电路与物联网工程在根据具体在根据具体应用用设计路由路由协议时，必，必须满足足如下要求：如下要求：（1）能量高效）能量高效（2）可）可扩展性展性（3）稳健性健性（4）快速收）快速收敛性性集成电路与物联网工程我我们从各种从各种应用的角度出用的角度出发，将路由，将路由协议分分为四四类：（1）能量感知路由）能量感知路由协议高效利用网高效利用网络能量是能量是传感器网感器网络路由路由协议的一个的一个显著特征。著特征。为了了强调高效利用能量的重要性，高效利用

50、能量的重要性，这里将它里将它们划分划分为能量感能量感知路由知路由协议。能量感知的路由。能量感知的路由协议从数据从数据传输的能量消耗出的能量消耗出发，讨论最少能量消耗和最最少能量消耗和最长网网络生存期等生存期等问题。集成电路与物联网工程（2）基于）基于查询的路由的路由协议在在诸如如环境境检测、战场评估等估等应用中，需要不断用中，需要不断查询传感器感器节点采点采集的数据。在集的数据。在汇聚聚节点（点（查询节点）点）发出任出任务查询命令，命令，传感器网感器网络的的终端探端探测节点向点向监控中心控中心报告采集的数据。在告采集的数据。在这类监控和控和检测的的应用用问题中，通信流量主要是中，通信流量主要是