传感器物理层及信道接入技术

课程目录物理层相关技术12信道接入技术IEEE802.15.4标准34ZigBee标准物理层相关技术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。1物理层相关技术频率分配物理层设计1.11.21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。1.1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1物理层相关技术频率分配频率应用范围3～30kHz海岸潜艇通信，远程距离通信，超远程距离导航30～300kHz越洋通信，中距离通信，地下岩层通信，远距离导航0.3～3MHz船用通信，业余无线电通信，移动通信，中距离导航3～30MHz远距离短波通信，国际定点通信30～300MHz电离层散射，流星余迹通信，人造电离层通信，对空间飞行体通信，移动通信0.3～3GHz小容量微波中继通信，对流层散射通信，中容量微波通信3～30GHz大容量微波中继通信，数字通信，大容量微波中继通信，卫星通信，国际海事卫星通信30～300GHz载入大气层时的通信，波导通讯1.11中国无线电管理委员会的规定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频段频率说明13.553～15.567MHz26.957～27.283MHz40.66～40.70MHz433～464MHz欧洲标准902～928MHz美国标准2.4～2.5GHz全球WPAN/WLAN5.725～5.875GHz全球WPAN/WLAN24～24.25GHz一些常用的ISM波段频率及说明1.11物理层相关技术频率分配1.1频段的选择1物理层相关技术频率分配物理层设计1.11.21物理层相关技术物理层设计1.2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1物理层相关技术物理层设计编码调制技术1常见的编码调制技术⑴窄带调制技术⑵扩频调制技术⑶超宽带UWB调制技术1.21ASKFSKPSK跳频(FHSS)直接序列扩频(DSSS)扩频通信的工作原理：在发送端将传送的信息用伪随机编码(扩频序列SpreadSequence)调制，实现频谱扩展后再传输;接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。扩频通信的特点：与传统的窄带通信方式相比，具有抗干扰、抗噪声、功率频谱低、具有保密性、隐蔽性和低截获概率等特点。数据超宽带UWB调制技术是一种无需载波的调制技术，其超低的功耗和易于集成的特点非常适合短距离通信的WSN应用，但是UWB需要较长的捕获时间，即需要较长的前导码，这将降低信号的隐蔽性，所以需要MAC层更好的协作。物理层相关技术物理层设计分类窄带扩频UWB成本343功耗254低传输范围和低速率354抗干扰能力154抗背景噪声能力252同步难易度322频谱利用率245多播能力134编码调制技术13种编码调制技术性能比较1.21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21.21一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率。比特能耗越小越好。物理层相关技术物理层设计通信频率的选择31.2考虑到无线传感器网络低成本的要求，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，但信号在不同的频率上传播特性、功率消耗以及对器件性能和天线的要求却有很大区别。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.1物理层相关技术物理层设计1.2从天线长度的角度在ISM13.5MHz，如果采用λ/4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ISM2.4GHz，其采用λ/4对偶天线，天线长度为3.1cm，这么高的频率就可以将节点做得很小，也有利于天线的MEMS集成。1物理层相关技术物理层设计1.2从功耗的角度在传输相同的有效距离时，载波频率越高消耗能量越多，这是因为频率载波越高，对频率合成器的要求也越高，而在射频前端发射机中的频率合成器是主要的功耗模块;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。1物理层相关技术物理层设计1.2从节点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。1物理层相关技术物理层设计1.2由于无线传感器网络是一种面向应用的网络，所以针对不同的实际应用，应该综合成本、功耗、体积等因素进行最优选择；美国联邦通信委员会FCC认为2.4GHz是当前工艺条件下，将功耗需求、成本、体积等折中较好的一个频段，并且是全球的ISM波段；但是，这个频段也是现阶段不同应用设备可能造成相互干扰最严重的频段：蓝牙、WLAN、微波炉设备、无绳电话等都采用该频段的频率。1物理层相关技术物理层设计1.2目前很多研究机构设计的无线传感器网络节点物理层基本上都是在现有的器件工业水平上展开的，基本上采用结构简单的幅移键控ASK、频移键控FSK、最小频移键控MSK调制方式，在频段的选择上也都集中在433~464MHz、902~928MHz及2.4~2.5GHz的ISM波段上。1课程目录物理层相关技术信道接入技术IEEE802.15.4标准ZigBee标准物理层相关技术1234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2.12.22.32.42.52信道接入技术无线传感器网络信道接入技术概述在无线传感器网络中，无线信道的使用方式是由媒体访问控制(MAC)协议决定的，为了能够使传感器节点合理分配有限资源，避免众多节点在同一时间发射信号时产生碰撞冲突，对于信道接入技术的研究也越来越多。2.12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，即MAC协议直接控制着无线射频收发器的活动，决定何时发送数据和接收数据，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：2.12信道接入技术无线传感器网络信道接入技术概述①能源的有效性②可扩展性⑤可靠性④分布式算法③性能的综合测评2.121,无线通信是传感器能量的主要消耗因素；2,由于目前节点的能量供应问题并没有得到很好解决，传感器节点本身能量不能自动补充或者补充不足，节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。传感器网络节点众多,并且节点数目分布密度的变化，节点的位置移动、新节点的加入，所以无线传感器网络的拓扑结构具有动态性，需要MAC协议具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。协议的设计需要在多种性能间取得平衡，各项性能包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量、带宽利用率等方面。各性能间的平衡往往比单个性能更重要。因为一个不平衡的协议即使在某一环境下表现好，很可能在另一环境下就会表现很差。比如一个协议如果太频繁地关闭无线收发装置来节能，不仅实时性和可靠性受到影响，包丢失引起的重传也会反过来影响节能的效果。传感器节点计算能力和存储能力受限，需要众多节点协同来完成某项应用任务，所以MAC协议运行分布式的算法可以更有效地避免由某些节点的失效造成网络瘫痪等现象发生。可靠性包括无错误链路的仔细选择、对数据包的检测和修复等。在无线网络中，包丢失主要是由缓冲器溢出和信号干扰造成的。避免缓冲器溢出是路由和MAC协议共同担负的责任。信道接入技术无线传感器网络信道接入技术概述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。针对用户不同的应用需求，我们将传感器网络的MAC协议分为3个大类。2.12信道接入技术无线传感器网络信道接入技术概述12.1基于竞争的MAC协议即节点在需要发送数据时采用竞争机制，随机地使用无线信道。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信道接入技术无线传感器网络信道接入技术概述22.1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信道接入技术无线传感器网络信道接入技术概述32.1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2.12.22.32.42.52信道接入技术基于竞争的MAC协议尝试通过使各传感器节点以最小复杂度、独立地进行运算的策略来保存能量。其基本思想是：传感器节点发送数据时，以某种竞争机制访问无线信道；如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重新发送数据，直到数据发送成功或放弃发送。最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。IEEE802.11MAC协议的分布式协调工作模式，采用带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)协议,目前大部分基于竞争的无线传感器网络协议都是在此基础上的改进。基于竞争的信道接入技术概述02.22信道接入技术基于竞争的信道接入技术IEEE802.11MAC协议1IEEE802.11MAC协议有点协调(PCF)和分布式协调(DCF)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。2.22信道接入技术基于竞争的信道接入技术IEEE802.11MAC协议1图1CSMA/CA中的虚拟载波侦听2.22请求帧，含NAV字段清除帧，含NAV字段网络分配矢量网络分配矢量信道接入技术基于竞争的信道接入技术S-MAC协议2S-MAC是在IEEE802.11协议的基础上针对传感器网络节省能量的需求设计的。为了降低由于碰撞重传、串音、空闲侦听和控制消息可能造成的能量消耗，S-MAC采用以下机制：2.22信道接入技术基于竞争的信道接入技术S-MAC协议2S-MAC协议采用以下机制:①S-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。②S-MAC协议沿用IEEE802.11的RTS/CTS机制降低碰撞几率。③通过网络分配矢量避免串音现象。④将长消息分割为若干短消息并集中突发传送，减少协议控制消息的开销。⑤S-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。2.22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