【无线传感网】物理层及MAC层

物理层相关概念及技术

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

物理层的主要功能

为数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)提供传送数据的通路
传输数据
其他管理工作

物理接口的四个特性

机械特性

规定了连接器的形状、尺寸、引脚数量和排列情况等
电气特性

规定了线路信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制
功能特性

规定了各条信号线的功能分配和确切定义
规程特性

定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程

无线通信物理层的主要技术

介质频段选择

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
扩频技术

扩频通信技术是一种信息传输方式，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
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

无线传感网物理层的主要特点

传输介质主要是无线电波、红外线和光波三种类型
ISM频段（Industrial Seientfic Medical , 工业、科学、医学）的优点在于它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便
ISM频段的主要缺点是功率受限（发射功率1W以下），另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题

频率分配：

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

在这里插入图片描述

物理层设计

物理层设计的目标：以尽可能少的能量消耗获得较大的链路容量

物理层设计需要考虑的问题：① 编码调制技术；② 通信速率；③ 通信频段

编码调制技术

窄带调制技术：包含幅移键控、频移键控、相移键控
扩频调制技术：在发送端和接收端用相同的伪随机编码来进行信号的调制与解调。调制后的信号带宽远大于原信号带宽
超宽带UWB调制技术：采用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据。可在10米范围内实现数百Mb/s至数Gb/s的数据传输率

通信速率

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

通信频率的选择

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

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有很大区别

从天线长度的角度

当天线的长度为无线电信号波长的1/4时，天线的发射和接收转换效率最高
从功耗的角度

载波频率越高消耗能量越多（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）
从节点物理层集成化的角度

更高的频率更易于电感的集成化设计

MAC层相关概念及技术

在无线传感器网络中，可能有多个节点设备同时接入信道，导致分组之间相互冲突，使接收方难以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道资源，导致网络吞吐量下降。为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制 (Medium Access Control，MAC) 协议

所谓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

MAC协议设计

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

在这里插入图片描述

MAC协议设计需要考虑的问题：① 能源的有效性；② 可扩展性；③ 性能的综合测评；④ 分布式算法；⑤ 可靠性

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将传感器网络的 MAC 协议分为3个大类：

基于竞争的MAC协议

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

典型代表：CSMA 、CSMA/CA
基于固定分配的MAC协议

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

典型代表：时分复用（TDMA）
基于按需分配的MAC协议

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

典型代表：点协调、无线令牌环控制

基于竞争的信道接入技术

IEEE 802.11 MAC协议

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
- 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，是一种基于优先级的无竞争访问，因此CSMA/CA协议未采用此种控制方式
- 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
S-MAC协议

S-MAC协议是基于802.11的改进协议，采用了以下机制：
1. 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（最重要的改进）
2. 沿用IEEE 802.11的RTS/CTS机制降低碰撞几率
3. 通过NAV(网络分配矢量)避免串音现象
4. 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
5. 将时间分为若干阶段，每段包括同步阶段、活动阶段和睡眠阶段
优缺点：
- 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
T-MAC协议

T-MAC 协议是在 S-MAC 协议的基础上提出来的，T-MAC 协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态的调整活动时间，用脉冲突发方式发送信息，减少空闲侦听时间
Sift协议

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

基于竞争的MAC协议的优缺点：

优点：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

基于固定分配的信道接入技术

TDMA技术（时分复用）
CDMA技术（码分复用）
FDMA技术（频分复用）
SDMA技术（空分复用）

按需分配的信道接入技术

策略：按某种循环顺序询问每个终端是否有数据发送，如果有则立即发送，否则网络立即转向下一个终端。
轮询的特点使各分站可以公平地获取信道访问控制权，适用于通信业务量随时间变化，且这种变化又是难以预测的情况。
这种接入方式操作简单易于实现，在一些实时分布式测控系统中有广泛应用

PCF方式：点协调方式
WTRP方式：无线令牌环控制协议

IEEE 802.15.4标准

IEEE 802.15.4 标准是为了满足低功耗、低成本的无线网络的要求

IEEE 802.15.4标准体系结构

在这里插入图片描述

IEEE 802.15.4标准定义的物理层🚩

**物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术，定义了三种流量等级： **

在这里插入图片描述

直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路设计变得简单，且具有更高的容错性能，适合低端系统的实现

ZigBee标准

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IEEE 802.15.4标准之上，由ZigBee联盟对其进行标准化，因此ZigBee也被称为IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准

代表芯片：TI公司的CC2530/CC2531

ZigBee技术的主要特征

低速率：数据率只有20kbps～250kbps，专注于低传输应用
近距离：有效覆盖范围10～100m之间（一般取75m），具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定
低功耗：由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确保两节五号电池支持长达6个月至2年左右的使用时间，当然不同应用的功耗有所不同
工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为无需申请的ISM频段
可靠：采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突
成本低：由于数据传输速率低，并且协议简单，硬件需求低，降低了成本，另外使用ZigBee协议可免专利费
时延短：设备搜索时延的典型值为30ms，休眠激活时延的典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms
安全：ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用AES-128，应用层安全属性可根据需求来配置