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1第3章传感器网络的通信与组网技术2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。将大量传感器节点遍撒指定区域，数据通过无线电传回监控中心，监控区域内信息尽收观察者的眼中。这是无线传感器网络技术应用的目标，其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。3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。4通信与组网技术通信处于传感器网络的最底层，包括物理层及MAC层；主要解决实现数据的点到点或则点到多点的传输问题，为上层组网提供通信服务；同时满足传感器网络大规模、低成本、低功耗及鲁棒性等要求。5通信与组网技术组网技术以底层通信技术为基础，建立一个可靠且具有严格功耗预算的通信网络，向用户提供服务支持；网络层负责数据的路由转发，传输层负责实现数据传输的服务质量保障；在资源消耗与网络服务性能之间平衡。63.1物理层3.1.1物理层概述1、物理层的基本概念在计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。国际标准化组织对开放系统互联(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。7网络中物理设备与传输介质的种类很多，通信也有不同的方式；物理层要尽可能屏蔽掉这些差异，使数据链路层感觉不到这种差异；确保数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输介质。8物理层处于最底层，是整个开放系统的基础，向下直接与物理传输介质相连接;物理层协议是各网络设备互联时遵守的底层协议;实现网络物理设备之间的二进制比特流的透明传输;负责主机间传输数据位，为物理介质上传输的比特流建立规则，及需何种传送技术在传输介质上发送数据;对数据链路层屏蔽物理传输介质的特性，以便对高层协议有最大的透明性，但定义了数据链路层所使用的访问方法9物理层的主要功能如下：①为数据终端设备(DataTerminalEquipment，DTE)提供传送数据的通路。数据通路可以是一个物理介质，也可由多个物理介质连接而成的。一次完整的数据传输包括激活物理连接、传送数据和终止物理链接。所谓“激活物理链接”就是不管有多少物理介质参与，都需将通信的两个数据终端设备连接起来，形成一通路。10物理层的主要功能如下：②传输数据。物理层要形成适合传输需要的实体，为数据传输服务，保证数据能在物理层正确通过，并提供足够的带宽，以减少信道的拥塞。数据传输的方式能满足点到点、一点到多点、串行或并行、半双工或全双工、同步或异步传输的需要。11物理层的主要功能如下：③其他管理工作如信道状态评估、能量检测等12具体的物理层协议比较复杂物理链接的方式很多：可以是点到点的，也可以是多点连接或广播连接。传输介质种类非常多：如架空明线、平衡电缆、同轴电缆、光纤、双绞线和无线信道等。13通信所用的互连设备是指数据终端设备和数据电路终端设备间的互连设备。具有一定数据处理能力和发送、接收数据能力的设备称为“数据终端设备”，也称为“物理设备”，如计算机、I／O设备终端等；介于数据终端设备和传输介质之间的数据通信设备或电路连接设备，称为“数据电路终端设备”，如调制解调器等。14物理层通信过程中，数据终端设备和数据电路终端设备之间应该既有数据信息传输，也有控制信息传输；制定相互之间的接口标准来协调工作。这些标准就是物理接口标准。15通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：①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。②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。③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。④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。162、无线通信物理层的主要技术无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、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。17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。18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。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。19(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。20调制技术通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化。解调是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者(信宿)处理和理解的过程。21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。22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。23根据原始信号所控制参量的不同，调制分为幅度调制（AmplitudeModulation,AM）、频率调制（FrequencyModulation,FM）和相位调制（PhaseModulation,PM）。当数字调制信号为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(AmplitudeShiftKeying,ASK)、频移键控(FrequencyShiftKeying,FSK)和相移键控(PhaseShiftKeying,PSK)。2420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。25(3)扩频技术扩频又称为扩展频谱，定义如下：•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。26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(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)；•跳频(FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSS)；•跳时(TimeHoppingSpreadSpectrum,THSS)；•宽带线性调频扩频(chirpSpreadSpectrum,chirp-SS，简称切普扩频)。27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。283、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。由于传感器网络的主要设计参数是成本和功耗，因而物理层的设计对整个网络的成功运行来说是至关重要的。采用了不适宜的调制方式、工作频带和编码方案，即使设计出的网络能够勉强完成预定的功能，也未必满足推广应用所需的成本和电池寿命方面的要求。293、无线传感器网络物理层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“工业、科学和医疗”(Industrial，ScientificandMedical,ISM)频段。ISM频段的优点：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。30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。31调制是无线通信系统的重要技术，它使得信号与信道匹配，增强电波的有效辐射，可以方便频率分配、减小信号干扰；扩频通信具有很强的抗干扰能力，可进行多址通信，安全性强，难以被敌方窃听；对于传感器网络来说，选择适当的调制解调和扩频机制是实现可靠通信传输的关键。32物理层设计的重点问题调制机制：低能耗和低成本的特点要求调制机制尽量设计简单，使得能量消耗最低。但另一方面无线通信本身的不可靠性，传感器网络与现有无线设备之间的无线电干扰，以及具体应用的特殊需要使得调制机制必须具有较强的抗干扰能力。与上层协议结合的跨层优化设计：物理层位于协议最底层，是整个协议栈的基础。它的设计对各上层内容的跨层优化设计具有重要的影响，而跨层优化设计是传感器网络协议设计的主要内容。硬件设计：在传感器网络的整个协议栈中，物理层与硬件的关系最为密切，微型化、低功耗、低成本的传感器单元、处理器单元和通信单元的有机集成是非常必要的。333.1.2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于无须注册的公用频段。34ISM频段的主要优点ISM是自由频段，可用频带宽，并且在全球范围内都具有可用性；没有特定的标准，给设计适合无线传感器网络的节能策略带来了更多的设计灵活性和空间。ISM频段存在一些使用上的问题，例如功率限制以及与现有的其他无线电应用之间存在相互干扰等。35ISM可用频段36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。37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，要求所选择的传输介质能支持健壮的