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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(InternationalOrganizationforStandardization,IOS)对开放系统互联(OpenSystemInterconnection，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：①为数据终端设备(DataTerminalEquipment，DTE)提供传送数据的通路。②传输数据。③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：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。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。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（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)。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，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(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)、跳频(FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSS)、跳时(TimeHoppingSpreadSpectrum,THSS)和宽带线性调频扩频(chirpSpreadSpectrum,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“工业、科学和医疗”(Industrial，ScientificandMedical,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(PHYServiceDataUnite,PSDU)，携带PHY数据包的数据，PSDU域是物理层的载荷。4字节1字节1字节可变长度前导码帧头帧长度(7比特)保留位PSDU同步头帧的长度，最大为128字节PHY负载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：①编码调制技术影响占用频率带宽、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。②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。IEEE802.15.4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433～464MHz、902～928MHz和2.4～2.5GHz的ISM波段。3.2MAC协议3.2.1MAC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(MediumAccessControl，MAC)协议。所谓MAC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(TimeDivisionMultipleAccess，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，尽量减少节点间的干扰。典型的方法是采用载波侦听多路访问(CarrierSenseMultipleAccess，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IEEE802.11MAC协议的分布式协调工作模式中，就采用了带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMAwithCollisionAvoidance，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IEEE802.11MAC协议基础上，人们设计出适用于传感器网络的多种MAC协