WSN（3）（1）：第三章无线传感网络的通信与组网

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。所以我们下面介绍WSN在物理层技术、MAC协议、路由协议、传输控制四个方面的要求与特点。这里只介绍物理层和MAC层，剩下的请看WSN(3)(2)

物理层技术

物理层的基本概念

无线传感器网络物理层主要功能：

无线传感器网络物理层与计算机网络物理层、无线网络物理层的区别（必考）

无线通信物理层的主要技术

1. 介质和频段的选择

无线传感器介质包括电磁波和声波，其中电磁波的分类及其优缺点如下：

2. 调制技术

3. 扩频技术

扩频通信技术的定义

◎扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：

扩频通信优点：

无线传感器网络物理层的特点与设计

MAC协议

MAC协议概述

MAC协议定义、重要性：

MAC协议设计的原则：

无线传感器网络MAC层主要耗能情况：

根据随机/固定信道分配方式，无线网络MAC协议的分类：

IEEE 802.11 MAC协议

CSMA/CD和CSMA/CA的区别：

典型MAC协议：S-MAC协议

典型MAC协议：B-MAC协议

典型MAC协议：C-TDMA协议

C-MAC：

S-MAC：

总结【必考】：

MAC协议设计的基本原则：

掌握CSMA/CA协议（对比CSMA/CD协议）：

掌握S-MAC协议（对比CSMA/CA）：

掌握B-MAC协议（对比S-MAC）：

物理层技术

物理层的基本概念

OSI对物理层的定义：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。

无线传感器网络物理层主要功能：

负责将比特流信息转换成最合适于在无线信道上传输的信号。即：数据的调制、发送和接收。

无线传感器网络物理层与计算机网络物理层、无线网络物理层的区别（必考）

（1）与计算机网络物理层区别较大，无线传感器网络以无线通信为基础；

（2）与无线网络物理层区别是：

①突出低能耗、低成本、微型化的需求；

②常用扩频技术增强抗干扰能力；

③相比无线网络通信环境复杂，某些环境下需要考虑高穿透率频段，比如地下、水下；

无线通信物理层的主要技术

无线传感器网络物理层主要技术：

1. 介质和频段的选择

无线传感器介质包括电磁波和声波，其中电磁波的分类及其优缺点如下：

①无线电波：频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力也越强，电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小。低频段资源紧张，主要应用于广播、电视、寻呼等系统。高频段资源丰富，但直线传输。（光）

优点：频段资源丰富、无方向性、易部署、传输距离远、速率高

缺点：易受干扰、存在多径传播

c=fλ M=10^6 G=10^9

②微波：频率为300MHz-300GHz(1m~1mm)的电磁波。基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。广泛应用于物联网通信中，常用2.4GHz开发频段，比如蓝牙、Zigbee、WIFI

优点：速率高、存在开放性频段；

缺点：视距传输（中继传输）、绕射能力差

③红外线：波长范围为0.70μm～1mm。

优点：实现简单、速率高、不受无线电波的干扰、红外线的使用不受国家无线电管理委员会的限制；

缺点：方向性要求高、中间不可阻挡、对非透明物体的透过性极差，只能在一些特殊的WSN应用中使用。

④毫米波：波长为1-10毫米的电磁波，26.5～300GHz。是光波向低频的发展与微波向高频的延伸，在传播时不易受到自然光和热辐射源的影响，是5G的关键技术。速度可达上G。

优点：速率高、下一代明星技术；

缺点：实现复杂

⑤光波：传统意义上的可见光。波长0.3～3μm之间的电磁波。目前研究的产品速率已经可以达到10Gbps。

优点：无辐射、速度快、便捷、无干扰；

缺点：部署受限

◎无线传感器网络物理层主要采用无线电波通信（ISM频段）

433～464MHz（欧洲用）、902～928MHz（美国用）、2.4～2.5GHz（WLAN/WPAN）的ISM波段；低频穿透力强，但速率低；高频穿透力差，但速率高；前三个频段都使用了直接序列扩频方式。

2. 调制技术

根据原始信号所控制的参量的不同，可以将调制分为：

① 幅度调制（Amplitude Modulation, AM） ② 频率调制（Frequency Modulation, FM） ③ 相位调制（Phase Modulation, PM）

3. 扩频技术

扩频技术---增强抗干扰能力

扩频通信的基本思想和理论依据是香农公式：C=B*log2(1+S/N)

这个公式指出：如果信道容量C不变，则信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的。只要增加信号带宽，就可以在较低的信噪比的情况下，以相同的信息速率来可靠地传输信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，仍然能保持可靠的通信。也就是说，可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。

也就是说：增加信号带宽就能降低信噪比，增强抗干扰能力

扩频通信技术的定义

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：

① 直接序列扩频(DSSS)：在发送端直接用具有高码率的扩频码序列对信息比特流进行调制, 从而扩展信号的频谱, 在接收端, 用与发送端相同的扩频码序列进行相关解扩, 把展宽的扩频信号恢复成原始信息。一种直接序列扩频技术是使用异或运算将数字信息流与扩展码位流结合起来。【IEEE802.15.4定义的物理层中采用的扩频技术】

例如说在发射端将"1"用11000100110，而将"0"用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频，而在接收机处只要把收到的序列是11000100110就恢复成"1"是00110010110就恢复成"0"，这就是解扩。这样信源速率就被提高了11倍，同时也使处理增益达到10dB以上，从而有效地提高了整机倍噪比。

② 跳频(FHSS)：通信收发双方同步地改变频率的通信方式。收发双方必须满足跳频频率相同、跳频序列相同和跳频时钟相同三个条件，主要应用于军事领域【蓝牙物理层协议中使用的扩频技术】

跳频扩频是载波频率按一个编码序列产生的图形以离散增量变动。所有可能的载波频率的集合称为跳频集。数字信息与二进制伪码序列模2相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变，其输出波形如图所示。

③ 跳时(THSS)：与跳频系统相似，跳时是使发射信号在时间轴上离散地跳变。我们先把时间轴分成许多时隙，这些时隙在跳时扩频通信中通常称为时片，若干时片组成一跳时时间帧。在一帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。

可以把跳时理解为：用一伪随机码序列进行选择的多时隙的时移键控。由于采用了窄得很多的时隙去发送信号，相对说来，信号的频谱也就展宽了。

在这种方式中，将传输时间划分成称为帧的时间段，每个帧的时间段再划分成时隙，如图所示。在每帧内，一个时隙调制一个信息。帧的所有信息比特累积发送。

④ 宽带线性调频扩频(chirp-SS)。

扩频通信优点：

◎扩频通信与一般无线通信系统相比，主要是在发送端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调。其优点如下：

① 易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率;

② 隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小;

③ 抗干扰性强，误码率低;

④ 实现码分多址;

⑤ 抗多径干扰;

⑥ 能精确地定时和测距;

⑦ 适合数字话音和数据传输;

⑧ 安装简便，易于维护。

4. OFDM技术

OFDM（正交频分复用：Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing）是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。OFDM结合了多载波调制(MCM)和频移键控(FSK)，把高速的数据流分成多个平行的低速数据流，把每个低速的数据流分到每个单子载波上,在每个子载波上进行FSK。

5. UWB超宽带技术

UWB Ultra Wide Band超宽带。是近年来发展较快的短距离无线通信技术之一；具有高传输速率、非常高的时间和空间分辨率、低功耗、保密性好、低成本以及易于集成等特点，被认为是未来短距离高数据通信最具潜力的技术。

根据FCC对UWB的定义，UWB信号带宽大于500Mhz或者相对带宽大于0.2。

相对带宽定义 $f_{c}=2\times \frac{f_{H} - f_{L}}{f_{H}+f_{L}}$

fH和fL是系统最高频率和最低频率

UWB的介绍、实现与优点缺点（其实是测距实现、在厚泉无人机定位上，他们就用到了UWB技术精准定位）

无线传感器网络物理层的特点与设计

物理层信道传播特性：传播遇到物体引起的反射、饶舌、散射传播（具有随机性）；Friis传输公式表明接收天线的接收功率和发射天线的发射功率的关系；多径传播；噪声；

设计要点：

（物理层）

节点的成本要求：低成本->大量->WSN才有价值：集成化->减少分立元件

节点的功耗要求：平均功耗在几个uW

通信速率的要求：主要采用无线电波通信（ISM开放评断[缺点是可能导致互相干扰]）、红外线、光波

通信频段的选择：主要集中在433~464MHz、902~928MHz、2.4~2.5GHz的ISM频段，都是用直接序列扩频

编码调制方式的选择：M-ary调制方式、扩频通信调制方式、UWB技术

物理帧结构：物理帧PHY的负载长度可变，称为物理服务数据单元(PHY Service Data Unite, PSDU)，携带PHY数据包的数据，PSDU域是物理层的载荷。

MAC协议

MAC协议概述

MAC协议定义、重要性：

无线传感器网络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。

在WSN中，MAC协议决定了无线信道的使用方式，在传感器节点间分配有限的通信资源，构建传感网的底层基础结构。MAC协议对传感器网络的性能有较大的影响，是保障WSN高效通信的关键协议之一，其优劣直接影响网络吞吐量和节点能耗。

MAC协议设计的原则：

首要目标：最大化网络的生存时间（节能）

其次：扩展性、实时性、吞吐量、带宽利用率

最后：公平性

无线传感器网络MAC层主要耗能情况：

（1）空闲侦听

（2）冲突重传+重传等待

（3）非目的节点串扰

（4）不同步导致分组空传

（5）控制开销

能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗。其中通信能耗所占比重最大，因此减少通信能耗是延长网络生存时间的有效手段。无线通信模块包括：发送、接收、空闲和睡眠，其中发送的能耗最大。

根据随机/固定信道分配方式，无线网络MAC协议的分类：

（1）时分复用无竞争接入方式：无线信道时分复用（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。

优点是：无干扰，全局控制；

缺点是：效率低，灵活性低，需协调器控制

（2）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（CSMA）的MAC协议。

优点是：高效、灵活；

缺点是：可能存在干扰

（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。

IEEE 802.11 MAC协议

CSMA/CA：采用无线方式，收发不同步，无法边发包边检测，虽然可以冲突避免，但是需空闲侦听，耗能较大。

在无线局域网IEEE 802.11 MAC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(CSMA with Collision Avoidance，CSMA/CA)协议。

CSMA/CD和CSMA/CA的区别：

CSMA/CD机制：

用于有线；

边发包边检测（通过电缆电压变化检测，当数据发生碰撞时电缆中的电压就会随着发生变化）【无法用于无线局域网的原因：CSMA/CD由于要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，这是无线局域网不能做到的】

CSMA/CA机制：

用于无线；

无法边发包边检测，仅能通过ACK应答确认是否冲突（无法实现发收同时，且无线信号发送时会掩盖掉其他干扰信号，较难检测）

掌握CSMA/CA协议（对比CSMA/CD协议）：

适用于无线，需通过ACK确认是否冲突，通过RTS/CTS/NAV 虚拟载波监听方式解决站点隐蔽问题；
对不同的报文设计不同的时间间隔SIFS/PIFS/DIFS

802.11定义了两种不同的接入方式：

分布式协调功能（DCF：每个节点CSMA机制接入，通过争用信道获取发送权，也可预约信道，DIFS）
点协调功能（PCF：集中式，支持近乎实时的应用，由AP集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免冲突）

典型MAC协议：S-MAC协议

典型MAC协议：B-MAC协议

典型MAC协议：C-TDMA协议

【绝对是重点，肯定考，不仅要知道每个MAC协议，还要进行不同协议的对比】

C-MAC：

C-MAC（又称C-TDMA）：是分簇结构的，在多个传感器节点形成的簇中，有一个簇头节点，簇头节点收集和处理簇内节点发来的数据，并把处理后的数据发送到汇聚节点，同时负责为簇内的节点分配时隙。【时分复用，所以簇簇之间不会有干扰，一个簇工作时候，另外的在睡眠】

该协议分为4个阶段：

数据传输阶段：各节点在各自分配的时隙内向网关发送数据

刷新阶段：节点周期性的向簇头报告其状态；

刷新引起的重组阶段：紧跟在刷新阶段之后，簇头节点根据簇内节点的情况，重新分配时隙；

事件触发的重组阶段：节点能量小于特定值、拓扑发生变化等都是需要重组的事件，重新触发分配时隙。

优点：能够减少空闲侦听，避免信道冲突，也考虑了可扩展性

缺点：区域内簇头节点和成员节点需要严格的时间同步，对簇头节点的处理能力、能量和处置方式都有较高的要求。

S-MAC：

采用周期性侦听和睡眠机制，有效减少空闲侦听，降低能耗。但是通信延时增加，调度占空比固定，不能很好适应网络流量的变化。

S-MAC，一种在802.11MAC协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出的协议，采用了周期性侦听和睡眠的方式来节省能量

具体过程（S-MAC就是让所有的节点一块儿醒来，通信一段时间后再一块儿睡眠）

① 每个节点独立调度它的工作状态，周期性转入睡眠状态。

② 每个节点用SYNC消息通告自己的调度状态，保存相邻节点的调度信息。

③ 具有相同调度的节点形成一个所谓的虚拟簇，边界节点记录两个或多个调度。

④ 为了适应新加入节点，每个节点要定期广播自己的调度信息，使新节点可以与已经存在的相邻节点保持同步。

⑤ 如果节点同时收到两种不同的调度，如图所示的处于两个不同调度区域重合部分的节点，那么这个节点可以选择先收到的调度，并记录另一个调度信息。

优点：与CSMA协议对比：S-MAC通过设置睡眠/监听状态减少了空闲监听时间，降低了能耗

缺点：

①通信延迟累加

②调度占空比固定，不能很好的适应网络流量的变化。

S-MAC协议的适用条件是：

①传感器网络的数据传输量不大

②网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通信量

③能容忍一定程度的通信延迟

④目标是提供良好的扩展性，减少节点能耗

T-MAC：是S-MAC的优化版，可以自适应调度占空比，但是有早睡问题。

T-MAC采用了RTS/CTS/DATA/ACK的通信机制。节点周期性唤醒进行侦听，在唤醒的时间周期内，如果节点没有任何活动，则继续进入休眠状态。

T-MAC协议的基本思想：

动态调整周期中的活跃时间长度；

在TA时间内没有发生激活事件则进入睡眠

T-MAC协议定义了如下五个激活事件

①周期时间定时器时间到。

②在无线信道上接收到数据。

③在冲突过程中感知无线通信的存在。

④节点本身数据包或者ACK分组发送刚结束。

⑤通过侦听RTS/CTS分组，确认邻居的数据交换已经结束。

优点：能耗较低

缺点：容易发生早睡问题

S-MAC 和T-MAC 的异同点：

都是基于竞争的MAC协议，T-MAC 是通过S-MAC 优化而来的，是一种自适应调整占空比的方法：通过动态调整调度周期中的活跃时间长度来改变占空比，从而改签了S-MAC协议的固定时隙方式，但是也带来早睡问题

P-MAC：

P-MAC：用一串二进制字符来代表某一节点所处的模式（即负载的轻重状况），节点把各自的模式信息通告给其相邻节点，根据接收到的邻居节点模式信息，节点调制其睡眠与工作时间。

优点：解决了S-MAC调度占空比固定、T-MAC早睡的问题，引入模式信息，让节点通过模式信息提前获得邻居的下一步活动，调度都根据模式信息来进行。

B-MAC：异步的MAC协议，通过前导码唤醒接收端。

B-MAC（异步的MAC协议，通过前导码唤醒接收端）

优点：唤醒时间短，因为唤醒时间并不是用来收发数据，而是检查有没有其他节点要向他发送数据。

缺点：由于需要发送前导码，不仅耗费节点本身的能量，而且会干扰附近的邻居节点

总结【必考】：

MAC协议设计的基本原则：

以节能为首要目标，降低通信能耗，在此基础上考虑协议的可扩展性、实时性和吞吐量等

掌握CSMA/CA协议（对比CSMA/CD协议）：

适用于无线，需通过ACK确认是否冲突，通过RTS/CTS/NAV解决站点隐蔽问题；对不同的报文设计不同的时间间隔SIFS/PIFS/DIFS

掌握S-MAC协议（对比CSMA/CA）：

通过设置睡眠/监听状态减少了空闲监听时间，降低了能耗；但增加了系统时延。

掌握B-MAC协议（对比S-MAC）：

异步MAC协议，通过前导码唤醒接收端

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