传感器网络的通信与组网技术.

1物联接入层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。无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的、自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中需感知的对象信息，并发给观察者。所以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。6物理层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。18192021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。22(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。23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。24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。25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。26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)。2720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。2829303132333435(3)扩频技术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的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。36(3)扩频技术这一定义包含以下三方面意思：信号的频谱被展宽了采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱在接受端用相关解调（或相干解调）来解扩37传输任何信息都需要一定的频带，称为信息带宽或基带信号频带宽度。例如：人类语音的信息带宽为300～3400Hz；电视图像信息带宽为6.5MHz。在通常通信系统中，为了提高频带利用率，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。而扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达100～1000，属于宽带通信。38通过信号理论知道：在时间上是有限的信号，其频谱是无限的；脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽，近似成反比。因此，如很窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。CDMA蜂窝网移动通信系统就是采用直扩方式获得扩频信号的。这种很窄的脉冲码序列（其码速率很高）称为扩频码序列。所采用的扩频码序列与所传的信息数据无关（它与一般的正弦载波信号类似），不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。39要用宽频带信号来传输窄带信息，主要是为了通信的安全可靠。扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。1.信息论中关于信息容量的香农(Shannon)公式为：（1）式中，C——信道容量(用传输速率度量)，b/s；W——信号频带宽度，Hz；S——信号平均功率，W；N——噪声平均功率，W。扩频通信的理论基础40结论在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽度W和信噪比S／N是可以互换的。即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比情况下，传输信息。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。41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)。421.直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum)，简称直扩(DS－SS)。所谓直扩，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。稍后将详细介绍直扩原理。432.跳频扩频(FrequencyHoppingSpreadSpectrum)，简称跳频(FH-SS)。所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。系统有几个、几十个、甚至上千个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。所以，跳频系统也占用了比信息带宽要宽得多的频带。443.跳时(TimeHoppingSpreadSpectrum)，简称跳时(TH-SS)。跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用了很窄的时片去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。45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。463、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