物理层及信道接入技术.ppt

无线传感器网络技术及其应用,课程目录,2.1,2.2,物理层相关技术,信道接入技术,标准,2.3,2.4,ZigBee标准,2.1,物理层相关技术,前言,在无线传感器网络中，物理层是数据传输的最底层，向下直接与传输介质相连，物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵循的底层协议。物理层的设计是无线传感器网络协议性能的决定因素。,2.1,物理层相关技术,频率分配,物理层设计,2.1,物理层相关技术,频率分配,导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可以将信息加载到无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流，通过调制将信息从电流变化中提取出来，就达到信息传递的目的。,无线电波的定义,无线电波是指在自由空间全方位传播的射频频段的电磁波，可以很容易产生，也可以穿透建筑物体，因此被广泛应用于无线通信中。,无线电波的原理,2.1,物理层相关技术,频率分配,ISM（Industrial-Scientific-Medical）频段是指特别为工业、科学、医学应用而保留的频率范围。ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，发射功率要求在1W以下，无需任何许可证。,ISM频段,ISM波段一些频率及说明,2.1,物理层相关技术,频率分配,频段的选择,频率的选择直接决定无线传感器网络节点的无线尺寸、电感的集成度以及节点功耗，对于无线传感器网络来说，必须根据实际应用场合来决定。,2.1,物理层相关技术,频率分配,物理层设计,2.1,物理层相关技术,物理层设计,物理层的设计目标,以尽可能少的能量消耗获得较大的链路容量,物理层需要考虑的问题,编码调制技术,通信速率,通信频段,2.1,物理层相关技术,物理层设计,编码调制技术,1,3种编码调制技术性能比较,常见的编码调制技术,窄带调制技术,扩频调制技术,超宽带UWB调制技术,2.1,物理层相关技术,物理层设计,提高数据传输速率可以减少数据收发时间，对于节能有一定的好处，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。,通信速率,2,2.1,物理层相关技术,物理层设计,通信频率的选择,3,ISM波段是首要的选择,ISM波段在高频和特高频的频率范围上都有分布，但信号在不同的频度上传播特性、功率消耗以及对器件性能和天线要求却是有很大区别。,频率的选择是影响无线传感器网络性能、成本的一个重要参数.,2.1,物理层相关技术,物理层设计,从天线长度的角度,从功耗的角度,从节点物理层集成化的角度,在ISM 13.5MHz，如果采用对偶天线，天线长度为5.6m，显然要求这么长的天线很不适合小体积的无线传感器网络节点；对于ISM 2.4GHz，其采用对偶天线，天线长度为3.1cm，这么高的频率就可以将节点做的很小，也有利于天线的MEMS集成。,在传输相同的有效距离时，载波频率越高消耗能量越多;并且根据自由空间无线传输损耗理论可以知道，波长越短其传输损耗越大，也就意味着高频率需要更大的发射功率来保证一定的传输距离。,从节点的物理层集成化的角度：虽然当前的CMOS工艺已经成为主流，但是对大电感的集成化还是一个非常大的挑战，随着深亚微米工艺的进展，更高的频率更易于电感的集成化设计，这对于未来节点的完全SOC设计是有利的，所以频段的选择是一个非常慎重的问题。,课程目录,2.1,2.2,物理层相关技术,信道接入技术,标准,2.3,2.4,ZigBee标准,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术概述,基于竞争的信道接入技术,基于固定分配的信道接入技术,按需分配的信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术面临的挑战,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术概述,目前，对大多数传感器硬件平台而言，无线通信模块是传感器节点能量的主要消耗者，而MAC子层直接与物理层连接，所以MAC协议节能效率的好坏将严重影响网络的生命周期。在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：,能源的有效性,可扩展性,可靠性,分布式算法,性能的综合测评,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术概述,小结,无线传感器网络信道接入的研究，其关键就是设计出优秀的MAC协议。本书针对用户不同的应用需求将传感器网络的MAC协议分为3个大类。,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术概述,1,基于竞争的MAC协议即节点在需要发送数据时采用某种机制随机的使用无线信道，这就要求在设计的时候必须要考虑到如果发送的数据发生冲突，采用何种冲突避免策略来重发，直到所有重要的数据都能成功发送出去。,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术概述,2,基于固定分配的MAC协议即节点发送数据的时刻和持续时间是按照协议规定的标准来执行，这样以来就避免了冲突，不需要担心数据在信道中发生碰撞所造成的丢包问题。目前比较成熟的机制是时分复用（TDMA）。,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术概述,3,基于按需分配的MAC协议即根据节点在网络中所承担数据量的大小来决定其占用信道的时间，目前主要有点协调和无线令牌环控制协议两种方式。,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术概述,基于竞争的信道接入技术,基于固定分配的信道接入技术,按需分配的信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术面临的挑战,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,IEEE 802.11 MAC协议,1,IEEE 802.11 MAC协议有 分布式协调（DCF）和点协调（PCF）两种访问控制方式。适用范围：PCF通过访问接入点来协调节点的数据收发，通过设置好的一定间隔时间查询当前哪些节点有数据发送的请求，PCF是一种基于优先级的无竞争访问，显然CSMA/CA协议不会采用此种控制方式；DCF是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，其中物理载波侦听由物理层提供，而虚拟载波侦听由MAC层提供。,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,IEEE 802.11 MAC协议,1,图2-1 CSMA/CA中的虚拟载波侦听,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,S-MAC协议,2,S-MAC协议采用以下机制:S-MAC协议引入了周期性侦听/睡眠的低占空比机制，通过控制节点的睡眠降低能量消耗。S-MAC协议沿用IEEE802.11的RTS/CTS机制降低碰撞几率。通过网络分配矢量避免串音现象。将长消息分割为若干段消息并集中突发传送，减少协议控制消息的开销。S-MAC协议将时间分为若干帧，每帧包括同步阶段、活动阶段和睡眠阶段。,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,S-MAC协议,2,图2-2 S-MAC协议的基本机制,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,S-MAC协议,2,优点:实现简单，减少了空闲监听时间，避免了传输碰撞和串音现象，减少了协议控制开销，节省了能量开销。缺点：由于周期性睡眠的原因，S-MAC协议数据的延迟较大，在不同的网络负载下，尤其是负载波动剧烈的情况下算法的效率将降低。,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,S-MAC协议,2,S-MAC协议实现的关键技术如下：（1）数据包的嵌套结构（2）堆栈结构和功能（3）选择和维护调度表（4）时间同步（5）带冲突避免的载波侦听多路访问（6）网络分配矢量,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,T-MAC协议,3,图2-3 T-MAC协议的基本机制,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,T-MAC协议,3,图2-4 T-MAC中基本的数据交换,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,T-MAC协议,3,T-MAC协议提出了两种方法解决早睡问题。第一种称为未来请求发送（FRTS）,还有一种解决早睡问题的方法称作满缓冲区优先（Full Buffer Priority）。,图2-5 T-MAC中早睡问题的两种解决方案,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,Sift协议,4,设计目标,对于检测到事件的N个节点，使其中R个节点能在最短的时间内无冲突成功发送出事件监测消息，而抑制剩余N-R个节点的消息发送。,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,Sift协议,4,工作原理,Sift协议使用了CW（竞争窗口长度）值固定的窗口，选择合适的发送概率分布，为不同的时隙在整个竞争节点集中筛选出一个发送节点。节点选择在第r个时隙发送数据的概率Pr为：r=1,CW,2.2,信道接入技术,基于竞争的信道接入技术,基于竞争的MAC协议的显著优点是：协议的简明性和可扩展性。,缺点：由于没有像基于预约的MAC协议那样使用某种机制对信道利用情况进行均衡，所以公平性就成为它的一个问题。,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术概述,基于竞争的信道接入技术,基于固定分配的信道接入技术,按需分配的信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术面临的挑战,2.2,信道接入技术,基于固定分配的信道接入技术,TDMA技术,CDMA技术,FDMA技术,SDMA技术,相比随机竞争接入机制，时分复用方式的优点：更能节省能量，因为省去了竞争机制的碰撞重传问题；缺点：它需要严格的时间同步，并且通常用在拓扑结构不变的网络，它不能很好地处理传感器节点移动和节点失效的情况，因此在网络扩展性方面存在严重不足。,2.2,信道接入技术,基于固定分配的信道接入技术,基于TDMA的传感器网络MAC协议:,（1）DEANA协议,（2）TRAMA协议,（3）DMAC协议,2.2,信道接入技术,基于固定分配的信道接入技术,CDMA技术,图2-9 向一个睡眠节点发送数据的信号时序过程,2.2,信道接入技术,基于固定分配的信道接入技术,FDMA技术,为了充分利用信道的带宽，从而提出了信道的频分复用的概念。频分复用系统的最大优点是信道复用率高，容许复用的路数多，分路也很方便。频分复用系统的主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。,2.2,信道接入技术,基于固定分配的信道接入技术,SDMA技术,SDMA是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，充分利用频率资源。空分多址还可以和其他多址方式相互兼容，从而实现组合的多址技术。在由中国提出的第三代移动通信标准TD-SCDMA中就应用了SDMA技术；此外在卫星通信中也有人提出应用SDMA。,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术概述,基于竞争的信道接入技术,基于固定分配的信道接入技术,按需分配的信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术面临的挑战,2.2,信道接入技术,按需分配的信道接入技术,1PCF方式,2WTRP方式,图2-10 IEEE 802.11 MAC层协议结构,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术概述,基于竞争的信道接入技术,基于固定分配的信道接入技术,按需分配的信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术面临的挑战,2.2,信道接入技术,无线传感器网络信道接入技术面临的挑战,能量有效性和网络性能有效性的平衡,优化的跨层设计,提供QoS（Quality of Service）支持,安全性,实时性,课程目录,2.1,2.2,物理层相关技术,信道接入技术,标准,2.3,2.4,ZigBee标准,2.3,标准,标准体系结构,物理层帧结构,物理层帧结构,2.3,标准,MAC层数据包格式,MAC层数据包格式,课程目录,2.1,2.2,物理层相关技术,信道接入技术,标准,2.3,2.4,ZigBee标准,2.4,ZigBee标准,1ZigBee技术概述,ZigBee技术一种面向自动化和低功耗、低成本、低复杂度、低速率的短距离无线通信技术。ZigBee技术是建立在标准之上，由ZigBee联盟对其进行标准化，因此ZigBee也被称为（ZigBee）技术标准。,2.4,ZigBee标准,2ZigBee技术的主要特征,低功耗,低成本,短时延,三级安全模式,近距离通信,免许可无线通信频段,低速率,2.4,ZigBee标准,3ZigBee网络结构,ZigBee支持的3种无线网络拓扑结构,2.4,ZigBee标准,4.ZigBee协议栈,物理层,MAC层,网络层,应用层,核心部分,2.4,ZigBee标准,4.ZigBee协议栈,网络层,图2-19 网络层帧控制字段结构,图2-18 网络层数据帧结构,2.4,ZigBee标准,5.ZigBee通信过程,基于ZigBee的点对点通信在MAC层上的流程示例图,THANKS,