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第3章无线传感器网络通信3.1无线传感器网络协议结构3.1.1传统网络协议OSI参考模型开放式系统互联网络参考模型(OSI)共有7个层次，如图3-1所示。从底向上依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。除物理层和应用层外，其余每层都和相邻上下两层进行通信。OSI参考模型应用层会话层物理层数据链路层网络层表示层传输层图3-1开放式系统互连（OSI)协议参考模型3.1.2无线传感器网络协议的分层结构从无线联网的角度来看，传感器网络结点的体系由分层的网络通信协议、网络管理平台和应用支撑平台三个部分组成(如图3-2所示)。应用支撑平台应用服务接口网络管理接口时间同步定位应用层传输控制路由MAC声、光、电、磁传输层网络层数据链路层物理层网络通信协议拓扑控制服务质量安全/移动/能量网络管理网络管理平台图3-2无线传感器网络结点的体系组成1.网络通信协议类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成，如图3-3所示。MAC层和物理层协议采用的是国际电气电子工程师协会(TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE)制定的IEEE802.15.4协议。应用业务、安全性可靠性、流量控制、吞吐量应用层传输层连接/无连接、路由、可达性网络层介质访问、功率管理、帧格式信道编码、无线传输、调制解调数据链路层IEEE802.15.4物理层图3-3传感器网络通信协议的分层结构IEEE802.15.4是针对低速无线个域网(Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN)制定的标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。IEEE802.15.4的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，所以许多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。1.网络通信协议2.网络管理平台网络管理平台主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理，包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。(1)拓扑控制。一些传感器结点为了节约能量会在某些时刻进入休眠状态，这导致网络的拓扑结构不断变化，而需要通过拓扑控制技术管理各结点状态的转换，使网络保持畅通，数据能够有效传输。拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议，降低能耗。(2)服务质量管理。服务质量管埋在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。它是网络与用户之间以及网络上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量约定。为了满足用户的要求，传感器网络必须能够为用户提供足够的资源，以用户可接受的性能指标工作。(3)能量管理。在传感器网络中电源能量是各个结点最宝贵的资源。为了使传感器网络的使用时间尽可能长，需要合理、有效地控制结点对能量的使用。每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系统进行能量分配决策。2.网络管理平台(4)安全管理。由于结点随机部署、网络拓扑的动态性和无线信道的不稳定，传统的安全机制无法在传感器网络中适用，因而需要设计新型的传感器网络安全机制，采用诸如扩频通信、接入认证/鉴权、数字水印和数据加密等技术。(5)移动管理。在某些传感器网络的应用环境中，结点可以移动，移动管理用来监测和控制结点的移动，维护到汇聚结点的路由，还可以使传感器结点跟踪它的邻居。2.网络管理平台(6)网络管理。网络管理是对传感器网络上的设备和传输系统进行有效监视、控制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。2.网络管理平台3.应用支撑平台应用支撑平台建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上，包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。3.2物理层3.2.1物理层的概述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，ISO)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链接上传输二进制比特流，并提供为建立、维护和释放物理链接所需要的机械、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。1．物理层的基本概念通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述，这四个特性的内容是指：(1)机械特性。。(2)电气特性。(3)功能特性。(4)规程特性。1．物理层的基本概念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。无线电波的传播特性与频率相关。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。(2)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)。(2)调制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)。(3)扩频技术无线传感器网络的低能耗、低成本、微型化等特点，以及具体应用的特殊需求给物理层的设计提出了挑战，在设计时需要重点考虑以下问题：(1)调制机制。(2)与上层协议结合的跨层优化设计。(3)硬件设计。3.无线传感器网络物理层的特点3.2.2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需注册的公用频段。表3.1列出了ISM应用中的可用频段。其中一些频率已经用于无绳电话系统和无线局域网。对于无线传感器网络来说，无线电接收机需要满足体积小、成本低和功率小的要求。1．传输介质无线传感器网络结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。基于红外线的接收机成本更低，也很容易设计。目前很多便携式电脑、PDA和移动电话都提供红外数据传输的标准接口。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。1．传输介质2．物理层帧结构表3-2描述了无线传感器网络结点普遍使用的一种物理层帧结构。由于目前还没有形成标准化的物理层结构，所以在实际设计时都是在该物理层帧结构的基础上进行改进。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。2．物理层帧结构3．物理层设计技术物理层主要负责数据的硬件加密、调制解调、发送与接收，是决定传感器网络结点的体积、成本和能耗的关键环节。物理层的设计目标是以尽可能少的能量消耗获得较大的链路容量。为了确保网络运行的平稳性能，该层一般需要与MAC层进行密切交互。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。3．物理层设计技术3.3数据链路层协议无线传感网络除了需要传输层机制实现高等级误差和拥塞控制外，还需要数据链路层功能。总体而言，数据链路层主要负责多路数据流、数据结构探测、媒体访问和误差控制，从而确保通信网络中可靠的Point-to-Point与Point-to-Multipoint连接。然而，无线传感网络协作与面向应用的性质，以及无线传感节点的物理约束(例如能量和处理能力约束)决定了完成这些功能的方式。多跳自组织无线传感网络MAC层协议需要实现两个目标：（1)对于感知区域内密集布置节点的多跳无线通信，需要建立数据通信链接以获得基本的网络基础设施。（2)为了使无线传感节点公平有效地共享通信资源，需要对共享媒体的访问进行管理。1．媒体访问控制无线传感网络的MAC协议必须具有固定能量保护、移动性管理和失效恢复策略。考虑现有的MAC解决方案，主要包含以下几种访问方式：(1)基于TDMA的媒体访问(2)基于混合TDMA/FDMA的媒体访问(3)基于CSMA媒体访问1．媒体访问控制一般而基于ARQ的误差控制主要采用重新传送恢复丢失的数据包/帧。虽然其他无线网络的数据链路层利用了基于ARQ的误差控制方案，但由于无线传感节点能量与处理资源的不足，无线传感网络应用中ARQ的有效性受到了限制。另外，FEC方案具有固有的解码复杂性，需要无线传感节点消耗大量处理资源。因此，具有低复杂度编码与解码方式的简单误差控制码可能是无线传感网络中误差控制的最佳解决方案。2．误差控制3.4网络层协议无线传感网络的网络层通常根据下列原则进行设计：(1)能量有效性