無線傳感網(wǎng)絡第三章 第一節(jié)

1、計算機工程學院物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)第三章傳感器網(wǎng)絡的通信與組網(wǎng)技術傳感器網(wǎng)絡架構功能功能OSI7層體系結(jié)構層體系結(jié)構TCP/IP協(xié)議協(xié)議五層結(jié)構五層結(jié)構提供應用程序間通信應用層應用層處理數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)加密等表示層建立、維護和管理會話會話層建立主機端到端連接傳輸層傳輸層尋址和路由選擇網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層提供介質(zhì)訪問、鏈路管理等數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層比特流傳輸物理層物理層傳感器網(wǎng)絡架構OSI OSI 七層網(wǎng)絡架構傳感器網(wǎng)絡架構物 理 層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng) 絡 層傳 輸 層應 用 層傳感器網(wǎng)絡五層架構3.1物理層技術物理層技術3.2數(shù)據(jù)鏈路層技術數(shù)據(jù)鏈路層技術3.3網(wǎng)絡層技術網(wǎng)絡層技術3.4傳輸層技術傳輸層技術目錄物理層物理

2、層：位于最低層，向下直接與物理傳輸介質(zhì)相連接，主要負責數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送與接收，是決定WSN的節(jié)點體積、成本以及能耗的關鍵環(huán)節(jié)。主要功能主要功能：為數(shù)據(jù)終端設備提供傳送數(shù)據(jù)的通路；傳輸數(shù)據(jù)；其他管理工作，如信道狀態(tài)評估、能量檢測等。節(jié)點各單元的功能對比如圖所示：大部分能量消耗在收發(fā)上大部分能量消耗在收發(fā)上無線傳感器網(wǎng)絡物理層概述無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層概述傳輸介質(zhì)物理層的傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)主要包括無線電波、紅外線和光波等。目前WSN的主流傳輸方式主流傳輸方式是無線電波。易于產(chǎn)生，傳播距離遠，且容易穿透建筑物，在通信方面沒有特殊的限制。例如紅外線。紅外線：紅外線：不受無線電波干擾，且

3、紅外線的使用不受國家無線電管理委員會的限制；但是紅外線的缺點是對非透明物體的透過性極差，只能在一些特殊的WSN應用中使用。光波傳輸光波傳輸：不需要復雜的調(diào)制/解調(diào)機制，接收器的電路簡單，單位數(shù)據(jù)傳輸功耗較小。光波與紅外線相似，通信雙方可能被非透明物體阻擋，因此只能在一些特殊的WSN應用中使用。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層概述頻譜分配無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層概述頻率選擇在頻率選擇方面，目前一般選用工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）頻段。選用ISM頻段的主要優(yōu)點是ISM頻段是無須注冊的公用頻段、具有大范圍的可選頻段、沒有特定的標準，可以靈活使用。面對傳感器節(jié)點小型化、低成本、低

4、功耗的特點，在歐洲使用433 MHz的ISM頻段，在美國使用915 MHz的ISM頻段。無線傳感器網(wǎng)絡物理層傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)：頻譜效率、誤碼率、環(huán)境適應性，以及實現(xiàn)的難度和成本。而無線傳感器網(wǎng)絡要解決：節(jié)能節(jié)能和成本成本。常用調(diào)制方式： 模擬調(diào)制 數(shù)字調(diào)制 擴頻通信 UWB通信技術無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術無線傳感器網(wǎng)絡物理層模擬調(diào)制 基于正弦波的調(diào)制技術主要是對其參數(shù)幅度A(t)、頻率f(t), 相位(t)的調(diào)整。分別對應的調(diào)制方式為幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制(FM)、相位調(diào)制(PM)。 由于模擬調(diào)制自身的功耗較大且抗干擾能力及靈活性差，所以正逐步被數(shù)字式調(diào)制技術替代。但當前，模擬調(diào)

5、制技術仍在上（下）變頻處理中起著無可替代的作用。 )()(2sin()()(ttftAts無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術模擬調(diào)制01002003004005006007008009001000-1.5-1-0.500.511.5（a）(b)無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術(c)數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制技術是把基帶信號以一定方式調(diào)制到載波上進行傳輸。從對載波參數(shù)的改變方式上可把調(diào)制方式分成三種類型：ASK、FSK和PSK。 每種類型又有多種不同的具體形式。如正交載波調(diào)制技術、單邊帶技術、殘留邊帶技術和部分響應技術等都是基于ASK的變型。FSK中又分連續(xù)相位（C

6、PFSK）與不連續(xù)相位調(diào)制，以及多相PSK調(diào)制等，或混合調(diào)制如M-QAM，在這些調(diào)制技術中常用的是多相相移鍵控技術、正交幅度鍵控技術和連續(xù)相位的頻率鍵控技術。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術B-ary數(shù)字調(diào)制lASK （Amplitude Shift Keying），結(jié)構簡單易于實現(xiàn)，對帶寬的要求小，缺點是抗干擾能力差lFSK （Frequency Shift Keying )相比于ASK需要更大的帶寬lPSK (Phase Shift Keying) 更復雜，但是具有較好的抗干擾能力無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術M-ary調(diào)制調(diào)制：即多進制調(diào)制，與二

7、進制數(shù)字調(diào)制不同的是：多進制調(diào)制利用多進制數(shù)字基帶信號調(diào)制載波信號的振幅、頻率或相位，由此相應地有多進制振幅調(diào)制、多進制頻率調(diào)制和多進制相位調(diào)制三種基本方式。多進制振幅調(diào)制多進制振幅調(diào)制：在相同碼元傳輸速率的條件下，多進制振幅調(diào)制與二進制調(diào)制具有相同的帶寬，并且有更高的信息傳輸速率。多進制頻率調(diào)制多進制頻率調(diào)制：原理基本上可以看成二進制頻率鍵控方式的推廣。多進制相位調(diào)制多進制相位調(diào)制：利用載波的多種不同相位（或相位差）來表示數(shù)字信息?？梢苑殖山^對移相和相對（差分）移相兩種方式。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術與二進制相比，多進制調(diào)制在性能上有以下特點。（1）在相同的碼元傳輸

8、速率條件下，M-ary調(diào)制系統(tǒng)的信息傳輸速率是二進制調(diào)制系統(tǒng)的log2M倍，即與二進制調(diào)制相比，M-ary調(diào)制能夠通過單個符號發(fā)送多位數(shù)據(jù)來減少發(fā)射時間。（2）M-ary調(diào)制需要在輸入端增加2-M轉(zhuǎn)換器，相應地，在接收端需要增加M-2轉(zhuǎn)換器，因此與二進制調(diào)制相比，M-ary調(diào)制的電路更為復雜。（3）M-ary調(diào)制需要更高的發(fā)射功率來發(fā)送多元信號。（4）在啟動能量消耗較大的系統(tǒng)中，二進制調(diào)制機制更加有效，多進制調(diào)制機制僅僅對啟動能量消耗較低的系統(tǒng)適用。（5）M-ary調(diào)制的誤碼率通常大于二進制的誤碼率。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術M-ary調(diào)制機制調(diào)制機制：滿足WSN最小

9、化符號率和最大化數(shù)據(jù)傳輸率的指標，但簡單的多相位M-ary信號將降低檢測的敏感度，需要增加發(fā)射功率，導致能量浪費。偏移四相移鍵控（偏移四相移鍵控（O-QPSK）：采用四位二進制符號，有效解決上述問題，并且仿真實驗表明該方案的節(jié)能性比較好。正交振幅調(diào)制（正交振幅調(diào)制（QAM）：同時以載波信號的幅度和相位來代表不同的數(shù)字比特編碼，把多進制與正交載波技術結(jié)合起來，進一步提高頻帶利用率 無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術擴頻通信（擴頻通信（Spread Spectrum Communication，擴展頻譜通信），擴展頻譜通信） ：將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機編碼(擴頻序列：Sprea

10、d Sequence)調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進行解調(diào)及相關處理，恢復原始信息數(shù)據(jù)。用來傳輸信息的射頻帶寬遠大于信息本身帶寬。擴頻通信有如下的優(yōu)點： l 抗干擾 l 抗噪音 l 抗多徑衰落 l 具有保密性 l 功率譜密度低，具有隱蔽性和低的截獲概率 l 可多址復用和任意選址 l 高精度測量無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術按照擴展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴頻通信系統(tǒng)可以分為：直接序列擴頻直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum：DSSS)工作方式，簡稱直擴(DS)方式；跳變頻率跳變頻率(Frequency Hoppi

11、ng)工作方式，簡稱跳頻(FH)方式；跳變時間跳變時間(Time Hopping)工作方式，簡稱跳時(TH)方式；寬帶線性調(diào)頻寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式，簡稱Chirp方式；混合方式混合方式，即在幾種基本的擴頻方式的基礎上組合起來，構成各種混合方式，如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。 直接序列擴頻和跳頻擴頻是當前使用最廣的兩種方式，例如IEEE802.15.4定義的物理層中采用的就是直接序列擴頻，藍牙物理層協(xié)議中使用的則是跳頻擴頻，下面主要介紹這兩種擴頻方式。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術n直接序列擴頻DSSS 如圖所示為如圖所示為PS

12、K直接序列擴頻器的結(jié)構。直接序列擴頻器的結(jié)構。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術nFHSS 如圖所示為跳頻擴頻及解擴電路結(jié)構圖。如圖所示為跳頻擴頻及解擴電路結(jié)構圖。數(shù) 據(jù)調(diào) 制NRZ) t (d) tcos(P20) t (sd頻綜碼產(chǎn) 生碼鐘) t (hT) t (st(a) FH發(fā)送端框圖頻率合成器偽隨機碼產(chǎn)生(a) FH發(fā)送原理框圖(d) FH 接收端框 圖數(shù) 據(jù)調(diào) 制) t (d頻 綜碼產(chǎn) 生碼 鐘) t (hR) t ( r) t ( y寬帶窄帶頻 率 合 成器 偽隨機碼產(chǎn)生(b) FH接收機原理框圖數(shù)據(jù)解調(diào)無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術差分脈

13、沖位置調(diào)制機制差分脈沖位置調(diào)制機制：采用兩個32-chip PN碼，I、Q通道各一個，并采用OQPSK調(diào)制，每個32-chip采用半正弦脈沖波形。調(diào)制結(jié)果波形具有恒定包絡，從而適合低廉的非線性功率放大器。PN碼使用最大長度序列（m-序列），I通道采用的PN碼的特征多項式為45（八進制），Q通道采用的PN碼的特征多項式為75（八進制），符號速率為31.25 kSymbols/s。 無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術自適應編碼位置自適應編碼位置調(diào)制機制調(diào)制機制： 每個節(jié)點訪問兩個信道，一個傳輸數(shù)據(jù)，另一個傳輸信令。發(fā)送方的數(shù)據(jù)經(jīng)過CPM調(diào)制后，由AWGN信道傳輸給接收方；在接收方

14、，數(shù)據(jù)按相反的順序處理。接收方計算數(shù)據(jù)的誤碼率，將其通過信令信道回送給發(fā)送方，并根據(jù)BER估計噪聲功率密度以及調(diào)整發(fā)射功率。分組調(diào)度層和物理層通過協(xié)作來保證針對動態(tài)的端到端的發(fā)送QoS需求和時變的本地環(huán)境的自適應性。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術UWB通信技術通信技術 （Ultra Wide Band：UWB超寬帶）是近年來發(fā)展較快的短距離無線通信技術之一特點：特點：高傳輸速率；非常高的時間和空間分辨率；低功耗、保密性好；低成本；易于集成。依據(jù)FCC對UWB的定義，UWB信號帶寬大于500MHz或相對帶寬大于 0.2。相對帶寬定義為： fH和fL為系統(tǒng)最高頻率和最低頻率。

15、 LfHfLf-Hfcf 2無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術UWB通信技術通信技術與傳統(tǒng)的無線收發(fā)機結(jié)構相比，UWB 的收發(fā)機結(jié)構相對簡單。UWB 系統(tǒng)直接通過脈沖調(diào)制發(fā)送信號而無傳統(tǒng)的中頻處理單元，可采用軟件無線電的全數(shù)字硬件接收結(jié)構UWB收發(fā)機結(jié)構圖無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術窄帶調(diào)制技術、擴頻調(diào)制技術和UWB的比較：分類窄帶UWB擴頻成本343功耗254低傳輸范圍和低速率354抗干擾能力154抗背景噪聲能力252同步難易度322頻譜利用率245多播能力134無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層調(diào)制解調(diào)技術無線通信信道的傳播特性無線通信信道的

16、傳播特性自由空間信道自由空間信道多徑信道多徑信道加性噪聲信道加性噪聲信道無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性 無線傳播環(huán)境是影響無線通信系統(tǒng)的基本因素。發(fā)射機與接收機之間的無線傳播路徑非常復雜，從簡單的視距傳播，到遭遇各種復雜的物體（如建筑物、山脈和樹葉等）所引起的反射、繞射和散射傳播等。無線信道不像有線信道那樣固定并可預見，它具有極大的隨機性。而且，無線臺相對于發(fā)射臺無線的方向和速度，甚至收發(fā)雙方附近的無線物體也對接收信號有很大的影響。因此，可以認為無線的傳播環(huán)境是一種隨時間、環(huán)境和其他外部因素而變化的傳播環(huán)境。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性傳播根據(jù)弗利斯（Fr

17、iis）傳輸公式，它表明了接收天線的接收功率和發(fā)射天線的發(fā)射功率之間的關系。其中，Lfs稱為自由空間傳播損耗?？紤]到電磁波在空間傳播時，空間并不是理想的（如氣候因素），假設由氣候影響帶來的損耗為Ls，則接收天線接收功率可表示為：fsstrLLGGPP21接收天線接收功率：損耗：tsfsr12PL LL=PG G無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性自由空間 在超短波、微波波段，電波在傳播過程中還會遇到障礙物，如樓房、高大建筑物或山丘等，它們會使電波產(chǎn)生反射、折射或衍射等。因此，到達接收天線的信號可能存在多種反射波（廣義地說，地面反射波也應包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象稱為多徑傳播。無線傳感器網(wǎng)

18、絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性多徑傳輸對于噪聲通信信道，最簡單的數(shù)學模型是加性噪聲信道，如圖所示。圖中，傳輸信號s(t)被一個附加的隨機噪聲n(t)所污染。加性噪聲可能來自電子元件和系統(tǒng)接收端的放大器，或傳輸中受到的干擾，無線傳輸主要采用這種模型。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性噪聲 如果噪聲主要是由電子元件和接收放大器引入的，則稱為熱噪聲，在統(tǒng)計學上表征為高斯噪聲。因此，該數(shù)學模型稱為加性高斯白噪聲信道（Additive White Gaussian Noise Channel，AWGN）模型。由于該模型可以廣泛地應用于許多通信信道，又由于它在數(shù)學上易處理，所以這是目前

19、通信系統(tǒng)分析和設計中的主要應用信道模型。信道衰減很容易結(jié)合進這個模型，當信號遇到衰減吋，則接收到的信號為( )( ) + ( )r tas tn t無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性噪聲物理層的設計目標是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。為了確保網(wǎng)絡的平滑性能，該層一般需與介質(zhì)訪問控制（MAC）子層進行密切地交互。 物理層設計所需要考慮的要點有：節(jié)點的成本要求節(jié)點的功耗要求通信速率的要求通信頻段的選擇編碼調(diào)制方式的選擇物理幀結(jié)構無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點低成本是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的基本要求，只有低成本，才能將節(jié)點大量地布置在目標區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)出無線傳感器

20、網(wǎng)絡的各種優(yōu)點。節(jié)點最大限度的集成化設計，減少分立元件是降低成本的主要手段。由于無線傳感器網(wǎng)絡中大規(guī)模的節(jié)點布置以及時間同步的要求，使得整個網(wǎng)絡對物理層頻率穩(wěn)定度的要求非常高，所以晶體振蕩器是物理層設計中必須考慮的一個部件。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點成本無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般都需要幾個月的使用壽命，在有的應用中壽命需要達到27年，這就要求節(jié)點的平均功耗在幾個W。降低收發(fā)機電路自身的功耗。物理層調(diào)制解調(diào)方式的選擇。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點功耗頻段的選擇是由很多的因素決定的，但是對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，則必須根據(jù)實際的應用場合來選擇。頻率的選擇直接決定

21、了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的天線尺寸、電感的集成度以及節(jié)點的功耗等。（1）從節(jié)點功耗的角度考慮自身能耗、傳播損耗與工作頻率的關系。（2）從節(jié)點物理層集成化程度、成本的角度來考慮。 當前頻段的選擇大都集中在433-464MHz 、902-928MHz以及2.4-2.5GHz ISM波段。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點頻率選擇M-ary調(diào)制方式：調(diào)制方式：相同的碼元速率的情況下，M-ary調(diào)制方式傳輸?shù)男畔⒘渴嵌M制調(diào)制方式的log2M倍，因此更節(jié)省了傳輸時間，但是其同時指出M-ary調(diào)制相對于二進制調(diào)制方式實現(xiàn)上更復雜而且抗干擾能力較差，尤其對于功率受限的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，M越大誤

22、碼性能就會越嚴重。擴頻通信調(diào)制方式擴頻通信調(diào)制方式：可以提供較高的速率，提高信道容量，但是每個節(jié)點需要存儲通信的PN碼，會對有限的存儲資源帶來一定壓力。 超寬帶（超寬帶（UWB）技術）技術：是無需載波的調(diào)制技術，其超低的功耗和易于集成的特點非常適于WSN短距離通信。但是UWB信號接收需要較長的捕獲時間，即需要較長的前導碼，這將降低信號的隱蔽性，需要MAC層更好的協(xié)作。協(xié)同發(fā)射的虛擬協(xié)同發(fā)射的虛擬MIMO調(diào)制方式調(diào)制方式：節(jié)點之間可以協(xié)同傳輸以達到遠距離基站，可以減少或避免多跳損耗，但是這種方式需要精確的同步。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點調(diào)制方式無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點幀

23、結(jié)構典型物理層幀結(jié)構（典型物理層幀結(jié)構（802.15.4）：物理幀的第一個字段是前導碼，其字節(jié)數(shù)一般取4，收發(fā)器在接收前導碼期間會根據(jù)前導碼序列的特征完成片同步和符號同步，當然字節(jié)數(shù)越多同步可靠性越好，但需要更多的能量消耗。接下來的是幀頭（start-of-frame delimiter, SFD字段，標示一個物理幀的開始。幀長度（frame length）一般由一個字節(jié)的低7位表示，其值就是物理幀負載的長度，因此物理幀負載的長度不會超過127個字節(jié)。物理幀的負載長度可變，稱之為物理服務數(shù)據(jù)單元（PHY service data unite,PSDU），一般承載MAC幀。 4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)可

24、變長度前導碼SFD幀長度（7位）保留位PSDU同步頭幀的長度，最大為128字節(jié)PHY負載無線傳感器網(wǎng)絡物理層目前，WSN 物理層協(xié)議的研究還處于初級階段， 在硬件和軟件方面都還需要做進一步的研究。硬件方面：目前的WSN節(jié)點在體積、成本和功耗上與其廣泛應用的標準還存在一定的差距，缺乏小型化、低成本、低功耗的片上系統(tǒng)（system on chip：SOC）實現(xiàn)；軟件方面：WSN 物理層迫切需要符合其特點和要求的簡單的協(xié)議、算法設計，特別是低功耗高效的調(diào)制解調(diào)技術。無線傳感器網(wǎng)絡物理層無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點小結(jié)3.1物理層技術物理層技術3.2數(shù)據(jù)鏈路層技術數(shù)據(jù)鏈路層技術3.3網(wǎng)絡層技術網(wǎng)絡層技

25、術3.4傳輸層技術傳輸層技術目錄數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層：就是利用物理層提供的數(shù)據(jù)傳輸功能，將物理層的物理連接鏈路轉(zhuǎn)換成邏輯連接鏈路，從而形成一條沒有差錯的鏈路，保證鏈路的可靠性。數(shù)據(jù)鏈路層也向它的上層網(wǎng)絡層提供透明的數(shù)據(jù)傳送服務，主要負責數(shù)據(jù)流多路復用、數(shù)據(jù)幀監(jiān)測、媒體介入和差錯控制，保證無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)點到點以及點到多點的連接。無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)鏈路層研究的主要內(nèi)容就是MAC和差錯控制。怎樣實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡中無線信道的共享，即介質(zhì)控制協(xié)議（MAC）的實現(xiàn)是無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層研究的一個重點，MAC協(xié)議的好壞直接影響網(wǎng)絡的性能優(yōu)劣。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層概述1網(wǎng)

26、絡性能的優(yōu)化網(wǎng)絡性能的優(yōu)化 在MAC協(xié)議中，無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵性能指標不是獨立存在的，而是互相影響的，在提高一種性能的同時可能會降低其他性能?，F(xiàn)在所提出來的MAC協(xié)議往往只考慮一種或兩種性能指標，沒有綜合各種指標使之達到更好的性能。2跨層優(yōu)化跨層優(yōu)化 無線傳感器網(wǎng)絡區(qū)別于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡最重要的就是無線傳感器網(wǎng)絡各層之間能夠?qū)崿F(xiàn)合作和信息共享。在無線傳感器網(wǎng)絡中采用了跨層設計，各層之間能夠通過共享一些信息來共同調(diào)節(jié)網(wǎng)絡的性能。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題3能量效率問題能量效率問題u在無線傳感器節(jié)點中，能量消耗主要用于無線信號的收發(fā)。u無線通信模塊一般有4個狀態(tài)，即發(fā)

27、送、接收、空閑和休眠，在這4個狀態(tài)中，能量消耗逐級遞減。協(xié)議必須合理選擇節(jié)點偵聽和休眠的時間比例。u還需考慮休眠期間節(jié)點的接收問題和喚醒期間節(jié)點收發(fā)的最大利用率問題，以最大限度地節(jié)省能量。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題在無線傳感器網(wǎng)絡的鏈路層上，MAC協(xié)議的多余能量開耗多余能量開耗主要體現(xiàn)在以下幾個方面：碰撞碰撞：在無線信道上，如果有兩個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，那么這兩個發(fā)送節(jié)點都將發(fā)射不成功，這會造成能量的大量浪費。持續(xù)偵聽持續(xù)偵聽：在無線傳感器網(wǎng)絡中的接收節(jié)點無法預測數(shù)據(jù)何時到達，另外每個節(jié)點還需要偵聽各節(jié)點的擁塞狀況，因此節(jié)點必須始終保持偵聽狀態(tài)，以防特殊情況的發(fā)生，

28、但這里包含了許多沒必要的偵聽，從而浪費了許多能量?？刂崎_銷控制開銷：為了保證無線傳感器網(wǎng)絡的可靠性，MAC層協(xié)議需要使用一些控制分組來調(diào)節(jié)節(jié)點狀態(tài)，但這些控制分組中不存在有用的數(shù)據(jù)，因此也要消耗一部分的能量。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題3公平性公平性 每個節(jié)點都有相同的權利來訪問信道； 每個節(jié)點的能量消耗保持大概的平衡，從而延長整個網(wǎng)絡的壽命。5可擴展性可擴展性 無線傳感器網(wǎng)絡域與其他無線網(wǎng)絡相比，具有規(guī)模大、分布密集等特點。網(wǎng)絡的節(jié)點分布結(jié)構會動態(tài)性地變化，因此無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議必須具備可擴展性。4信道共享問題信道共享問題 一般來說，在無線網(wǎng)絡中存在三種信

29、道共享方式，即點對點、點對多點、多點對多點，無線傳感器網(wǎng)絡采用的就是多點對多點共享方式，更準確地說應該是以一種多跳共享方式，也可以說這是一種信道的空間復用方式。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題信道共享容易造成兩個問題：數(shù)據(jù)的沖突數(shù)據(jù)的沖突：當同一信道上有兩個節(jié)點都在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若它們相互干擾則將導致數(shù)據(jù)包發(fā)送不成功，這會使數(shù)據(jù)的時延增加，也將消耗一些不必要的能量，因此避免信道的上沖突是信道共享所必須考慮的一個問題。串擾串擾：在一個共享的無線信道中，每個節(jié)點都能夠接收到在信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，但是有許多數(shù)據(jù)是自己不需要的，接收之后再將其拋棄，在這個過程中也將造成能量的大量浪費

30、。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層關鍵問題無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議分類1按節(jié)點接入方式劃分按節(jié)點接入方式劃分發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點，目的節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包的通知方式通常可分為偵聽、喚醒和調(diào)度三種MAC協(xié)議；偵聽偵聽MAC協(xié)議協(xié)議：主要采用間斷偵聽的方式；喚醒喚醒MAC協(xié)議協(xié)議：主要采用基于低功耗的喚醒接收機來實現(xiàn)，也有集合偵聽和喚醒兩種方式的MAC協(xié)議，如低功耗前導載波偵聽MAC協(xié)議；調(diào)度調(diào)度MAC協(xié)議協(xié)議：主要使用廣播中，廣播的數(shù)據(jù)信息包含了接收節(jié)點何時接入信道與何時控制接收節(jié)點開啟接收模塊。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層2按信道占用數(shù)劃分按信道占用數(shù)劃分 在無線傳感器網(wǎng)絡中，

31、按物理層所采用的信道劃分方法，可以分為單信道、雙信道和多信道三種方式，目前無線傳感器網(wǎng)絡中采用的主要是單信道MAC協(xié)議。3按分配信道方式劃分按分配信道方式劃分 在無線傳感器網(wǎng)絡中，競爭性是區(qū)分MAC協(xié)議最重要的一個依據(jù)，競爭是指節(jié)點在接入信道的過程中采用的是隨機競爭方式還是有計劃的競爭方式，因此MAC協(xié)議可以分為固定接入和隨機接入兩種。競爭MAC協(xié)議基本上都屬于隨機接入?yún)f(xié)議，其實現(xiàn)非常簡單，能靈活地解決無線節(jié)點移動的問題，能量波動非常小。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議分類基于競爭的基于競爭的MAC協(xié)議協(xié)議基于分配的基于分配的MAC協(xié)議協(xié)議混合型混合型MAC協(xié)議協(xié)議跨層跨層MA

32、C協(xié)議協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議分類 根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡負載量小、針對節(jié)點間的公平性及通信延時要求不高等特點來設計的，其主要的設計目標是提供大規(guī)模分布式網(wǎng)絡所需的可擴展性，并同時降低能耗。 S-MAC協(xié)議協(xié)議做出如下假設： 大多數(shù)節(jié)點之間是進行多跳短矩離通信； 節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡中處于平等作用，即一般情況下沒有基站； 為了減少通信量，采用網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)處理； 運用信號的協(xié)作處理，改善感知信息的質(zhì)量； 節(jié)點具有較長的空閑時間而且可以容忍一定的延時； 網(wǎng)絡壽命是首要考慮的問題。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MACS-MAC協(xié)議協(xié)議采用的機制有以下幾

33、種：將節(jié)點的工作模式分為偵聽和睡眠兩個狀態(tài)，并讓節(jié)點盡可能長時間睡眠以達到節(jié)能的目的；通過協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機制讓相鄰節(jié)點在相同時間活動、相同時間睡眠，從而形成虛擬簇；通過突發(fā)傳遞和消息分割機制來減少消息的傳輸延時和控制消息的開銷；通過流量自適應的偵聽機制，減少網(wǎng)絡延時在傳輸過程中的累加效應。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC1）周期性地偵聽和睡眠）周期性地偵聽和睡眠睡眠偵聽機制S-MAC協(xié)議基本的節(jié)能手段是依靠傳感器節(jié)點定期進入睡眠狀態(tài)從而減少節(jié)點空閑偵聽的時間來實現(xiàn)的。S-MAC協(xié)議把時間分割成許多時隙，在每個時隙中又劃分為偵聽偵聽和睡眠睡眠兩個狀態(tài)，在偵聽

34、狀態(tài)，節(jié)點可以和其通信范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點自由地進行通信；在睡眠狀態(tài)，為了減少節(jié)點功耗，不參與任何的數(shù)據(jù)傳遞活動，只是設定計時器開始計時，這樣在經(jīng)過一段時間后自己就能自動醒來，醒來后則立刻查看是否有消息傳遞給自己。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC S-MAC協(xié)議將節(jié)點的活動狀態(tài)分為兩個部分以保證節(jié)點能接收到數(shù)據(jù)包和同步包，第一個部分用于發(fā)送和接收同步包，第二部分用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，每個部分都設有載波幀聽時間。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC 理論上，網(wǎng)絡中所有的節(jié)點都需要遵守相同的調(diào)度時間，不能有絲毫的誤差。但是由于傳感器節(jié)點的時間

35、表本身就是隨時變化的，而且無線傳感器網(wǎng)絡還是多跳地傳遞數(shù)據(jù)，所以只有在局部節(jié)點之間才有可能形成同步。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC2）沖突避免）沖突避免 如果有兩個或兩個以上的鄰居節(jié)點想同時與一個節(jié)點進行通信，那么它們都會試圖在該節(jié)點的偵聽時段發(fā)送消息，在這種情況下必然發(fā)生沖突和碰撞，于是它們就需要開始爭奪對信道的使用權。 如下所示的多跳網(wǎng)絡，它由節(jié)點A、B、C、D、E、F構成，每個節(jié)點只能和其一跳以內(nèi)的鄰居節(jié)點進行數(shù)據(jù)的傳輸。假設此時節(jié)點A正向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)，那么顯然節(jié)點D應該睡眠，因為它的傳輸干擾了B正確接收A發(fā)出的數(shù)據(jù)。而節(jié)點E和F不會影響其他節(jié)點，所以

36、它們不需要睡眠。C和B之間的距離有兩跳遠，即使它傳輸數(shù)據(jù)也不會干擾到B接收，所以它可以自由地向其他節(jié)點（如E）發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，C卻無法接收E的應答（CTS或其他數(shù)據(jù)等），這是因為E和A同時傳輸會在節(jié)點C處產(chǎn)生沖突，所以即使C傳輸，也是浪費能量。總而言之，不管是發(fā)送者還是接收者，它們之間相鄰的節(jié)點在聽到CTS或RTS包后都需要睡眠，一直要等到傳輸結(jié)束才可以醒來。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC3）自適應偵聽）自適應偵聽S-MAC協(xié)議中，節(jié)點周期性地進入睡眠狀態(tài)會增加延時，這種延時并不會自動消除，反而會在每跳中累積，所以S-MAC采用自適應偵聽策略來減少這種累加的效

37、應。它的基本思想是當一個節(jié)點在其通信范圍內(nèi)得知相鄰的節(jié)點要傳輸數(shù)據(jù)時就睡眠并記錄其傳輸數(shù)據(jù)的時間，只有當其相鄰的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束后才能醒來一個短暫的時間，這時它可以通過偵聽信道查看信道的狀態(tài)（忙或空閑），判斷是否有數(shù)據(jù)需要傳輸。在這種方式下，如果此時正好有一個消息需要傳遞給該節(jié)點，那么它就可以立刻接收，而不用等到該節(jié)點的睡眠結(jié)束后再進行傳遞；假如沒有任何消息需要傳遞給該節(jié)點，那么它就繼續(xù)睡眠。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC4）消息傳遞）消息傳遞S-MAC傳輸大量數(shù)據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MACT-MAC協(xié)議協(xié)議1）基本思想）

38、基本思想相對于S-MAC協(xié)議來說，保持了S-MAC的周期，根據(jù)網(wǎng)絡負載的流量自適應地調(diào)整激活的時間。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MACT-MAC協(xié)議規(guī)定，當鄰居節(jié)點還沒有結(jié)束通信時，節(jié)點不能進入到睡眠狀態(tài)，因為該節(jié)點很有可能就是下一個數(shù)據(jù)的目的節(jié)點。假設節(jié)點檢測到串擾以后能夠觸發(fā)一個空閑間隔TA，TA必須要足夠大，以保證節(jié)點能夠監(jiān)測到串擾的CTS， T-MAC協(xié)議規(guī)定TA取值約束為 TAC+R+T式中，C為競爭信道的時間，R為發(fā)送RTS的時間，T為RTS分組發(fā)送結(jié)束到開始發(fā)出CTS的時間。節(jié)點發(fā)送完RTS分組之后，如果未收到對應的CTS分組，那么就有三種情況：l由

39、于無線信道發(fā)生碰撞，目的節(jié)點沒有接收到RTS分組；l目的節(jié)點已經(jīng)收到串擾的分組；l目的節(jié)點正處于睡眠狀態(tài)。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC 如果發(fā)送節(jié)點在TA時間間隔內(nèi)沒有收到CTS分組，它就會進入睡眠。但是從上面的前兩種情況可以看出節(jié)點還沒有收到CTS分組，直接進入睡眠會導致實時性降低，接收節(jié)點一直都處于空閑監(jiān)聽，浪費大量的能量，因此TMAC協(xié)議規(guī)定，節(jié)點發(fā)送RTS分組之后沒有收到CTS分組，則重新發(fā)送一次RTS分組，還沒有收到則進入睡眠狀態(tài)。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC2）需要解決的主要問題早睡問題無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層

40、無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC未來請求發(fā)送未來請求發(fā)送：采用提前通知需要接收數(shù)據(jù)的節(jié)點的方法來實現(xiàn)早睡的避免：如上頁中的a所示，當節(jié)點C接收到CTS后，除了觸發(fā)自己保持監(jiān)聽狀態(tài)之外，還發(fā)送一個FRTS分組給節(jié)點D，F(xiàn)RTS分組中含有節(jié)點D需要等待的時間，在此空閑狀態(tài)中，節(jié)點D必須要保持偵聽狀態(tài)。在節(jié)點C發(fā)送FRTS時看哪個節(jié)點會干擾節(jié)點A發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此節(jié)點A需要延遲原數(shù)據(jù)的發(fā)送響應的時間，但是又必須保持對信道的占用，因此節(jié)點A在這段時間內(nèi)發(fā)送一個與FRTS一樣長度的分組，該分組不包含任何有用的數(shù)據(jù)，然后才接著發(fā)送有用數(shù)據(jù)信息。從而數(shù)據(jù)傳到節(jié)點C之后節(jié)點D還是處于喚醒狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)的

41、實時傳輸。由于采用了未來請求發(fā)送機制，協(xié)議需要增加一個FRTS分組傳輸?shù)臅r間，該方法提高了系統(tǒng)吞吐量和實時性，但是多了一些控制消息，相應地要消耗能量。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC滿緩沖區(qū)優(yōu)先滿緩沖區(qū)優(yōu)先：當節(jié)點的緩沖區(qū)快滿時，節(jié)點對收到的RTS分組不回復CTS，而是立即向緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的接收節(jié)點發(fā)送RTS，建立連接之后發(fā)送數(shù)據(jù)，以減輕緩沖區(qū)負載。如前頁中的b所示，節(jié)點B向節(jié)點C發(fā)送RTS，而節(jié)點C因為緩沖區(qū)滿不回復一個CTS分組，而是向節(jié)點D發(fā)送RTS以求數(shù)據(jù)傳輸。這種方法在一定程度上減少了早睡問題的發(fā)生概率，并可控制網(wǎng)絡負載流量，但在網(wǎng)絡負載過大時更容易發(fā)生

42、沖突。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MACSift協(xié)議協(xié)議對CSMA/CA機制進行修改，競爭窗口的大小是原本就設定好的，采用非均勻概率來決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)，它具有以下幾個特點：（1）無線傳感器網(wǎng)絡中基于空間的競爭無線傳感器網(wǎng)絡中基于空間的競爭。一般來說，許多無線傳感器網(wǎng)絡都在某一區(qū)域放置了多個節(jié)點，利用多個節(jié)點監(jiān)測到同一事件來保證數(shù)據(jù)的可靠性。這種冗余數(shù)據(jù)的發(fā)生將導致鄰居節(jié)點間相互搶占信道，從而造成基于空間的競爭。（2）基于事件的報告方式基于事件的報告方式。在無線傳感器網(wǎng)絡中，并非所有的節(jié)點都需要報告事件，匯聚節(jié)點只需接收到所發(fā)生事件的相關信息即可。（3）感知事件的節(jié)

43、點密度的自適應調(diào)整感知事件的節(jié)點密度的自適應調(diào)整。大量的無線傳感器節(jié)點接收到同一事件后，隨著目標的移動或者時間的推移，傳感器網(wǎng)絡感知到事件的節(jié)點也會相應地發(fā)生變化，從而能夠更好地觀測目標事件。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MAC無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于競爭的MACSMACS協(xié)議協(xié)議1）基本思想）基本思想 SMACS協(xié)議假設每個節(jié)點都能夠在多個載波頻點上進行切換，該協(xié)議將每個雙向信道定義為兩個時間段，這類似于TDMA機制中分配的時隙。 SMACS協(xié)議是一種分布式協(xié)議，允許一個節(jié)點集發(fā)現(xiàn)鄰居并進行信道分配。 由于鄰近節(jié)點分配的時隙有可能產(chǎn)生沖

44、突，為了減少沖突的可能性，每個鏈路都分配一個隨機選擇的頻點，相鄰的鏈路都有不同的工作頻點。 當鏈路建立后，節(jié)點在分配的時隙中打開射頻部分，與鄰居進行通信，如果沒有數(shù)據(jù)收發(fā)，則關閉射頻部分進行睡眠，在其余時隙節(jié)點關閉射頻部分，降低能量損耗。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC 2）關鍵技術：）關鍵技術：節(jié)點在上電后先進行鄰居發(fā)現(xiàn)，每發(fā)現(xiàn)一個鄰居，這一對節(jié)點就形成一個雙向信道，即一個通信鏈路。在兩個節(jié)點的超幀中為該鏈路分配一對時隙用于雙向通信。隨著鄰居的增加，超幀慢慢地被填滿。每對時隙都會選擇一個隨機的頻點，減少鄰近鏈路沖突的可能。這樣全網(wǎng)很快就能在初始化建立鏈路，這種

45、不同步的時隙分配稱為異步分配通信SMACS協(xié)議協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC 如圖所示，假設節(jié)點B、C、G進行鄰居發(fā)現(xiàn)。這些節(jié)點在隨機的時間段內(nèi)打開射頻模塊，在一個固定的頻點監(jiān)聽一個隨機長度的時間。如果在此監(jiān)聽時間內(nèi)節(jié)點沒有接收到其他節(jié)點發(fā)出的邀請消息，那么隨后節(jié)點將發(fā)送一個邀請消息。 圖中 ，節(jié)點C就是在監(jiān)聽結(jié)束后廣播的一個邀請消息Type1。節(jié)點B和節(jié)點G接收到節(jié)點C發(fā)出的Type1消息后，等待一個隨機的時間，然后各自廣播一個應答消息Type2。如果兩個應答消息不沖突，節(jié)點C將接收到節(jié)點B和節(jié)點G發(fā)來的邀請應答。 節(jié)點C在這里進行一個選擇，可以選擇最早

46、到達的應答者，也可以選擇接收信號強度最大的應答者。在選擇了應答者后，節(jié)點C將立即發(fā)送一個Type3消息通知哪個節(jié)點被選擇。此處選擇最早到達的節(jié)點B作為應答者，節(jié)點G將關閉射頻部分進入睡眠，并在一個隨機的時間后重新進行鄰居發(fā)現(xiàn)。SMACS協(xié)議協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC 如果節(jié)點C已經(jīng)選擇了鄰居，將在消息Type3中攜帶分配信息，該信息包含節(jié)點C的下一個超幀的起始時間。在收到該分配消息后，節(jié)點B將和本地的超幀起始時間進行比較，得到一個時間偏移，并找出兩個共同的空閑時間段作為時隙對，分配給節(jié)點B和節(jié)點C之間的鏈路。在確定了時隙對后，節(jié)點B選擇一個隨機的頻點，

47、將時隙對在超幀中的位置信息以及選擇的頻點通過消息Type4發(fā)送給節(jié)點C。經(jīng)過這些測試信息的成功交換后，節(jié)點B和節(jié)點C之間就完成了時隙分配和頻率選擇。 在SMACS形成的網(wǎng)絡中，與超幀同步的節(jié)點組成一個子網(wǎng)，如圖3.10所示，節(jié)點A、節(jié)點D和節(jié)點B、節(jié)點C分別組成子網(wǎng)。隨著鄰居的增加，子網(wǎng)的規(guī)模會變大，并且會和其他子網(wǎng)的節(jié)點建立鏈路，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的無縫連接。兩個不同子網(wǎng)的節(jié)點在建立通信鏈路時，如果超幀有重疊的空閑時段，可以為新鏈路分配時隙，則可以成功建立鏈路；否則，節(jié)點只能放棄并尋找其他節(jié)點來建立鏈路。SMACS協(xié)議協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC3）移動性管

48、理）移動性管理-EAR算法算法EAR算法定義了一種新的信令機制，主要使用4種消息，建立移動節(jié)點和靜止節(jié)點之間通信鏈路的機制主要有以下步驟：（1）靜止節(jié)點會每間隔固定個超幀發(fā)送一次BI消息，移動節(jié)點在接收到靜止節(jié)點的BI消息后將開始連接過程。（2）靜止節(jié)點在接收到MI消息后需要檢查連接是否可以建立。（3）連接建立后，移動節(jié)點在移動過程中會接收到新的鄰近靜止節(jié)點發(fā)送的BI消息，移動節(jié)點會根據(jù)信道質(zhì)量選擇淘汰鄰居節(jié)點記錄中連接質(zhì)量較差的鄰居節(jié)點。SMACS協(xié)議協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MACTRAMA協(xié)議協(xié)議：在NAMA協(xié)議的基礎上引入了睡眠機制，該協(xié)議的信道分配

49、機制不僅能夠保證能量效率，而且對于帶寬利用率、延遲和公平性也有很好的支持。1）基本思想 TRAMA協(xié)議采用了流量自適應的分布式選舉算法，節(jié)點交換兩跳內(nèi)的鄰居信息，傳輸分配時指明在時間順序上哪些節(jié)點是目的節(jié)點，然后選擇在每個時隙上的發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點。TRAMA協(xié)議由三個部分組成，近鄰近鄰協(xié)議（協(xié)議（NP）和分配交換協(xié)議（分配交換協(xié)議（SEP）允許節(jié)點交換兩跳內(nèi)的鄰居信息和分配信息；自適應選舉算法（自適應選舉算法（AEA）利用鄰居和分配信息選擇當前時隙的發(fā)送者和接收者，讓其他與此次通信無關的節(jié)點進入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能量。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC TRAMA協(xié)

50、議協(xié)議將一個物理信道分成多個時隙，通過對這些時隙的復用為數(shù)據(jù)和控制信息提供信道。每個時間幀分為隨機接入和分配接入兩部分無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MACTRAMA協(xié)議協(xié)議2）關鍵技術）關鍵技術（1）NP協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于節(jié)點失效或者新節(jié)點加入等現(xiàn)象存在，網(wǎng)絡拓撲在動態(tài)地變化，TRAMA協(xié)議需要適應這種變化。（2）分配交換協(xié)議（SEP）。分配交換協(xié)議用于建立和維護發(fā)送者和接收者選擇時隙要分配的信息。首先每個節(jié)點生成分配信息，然后通過廣播實現(xiàn)分配信息交換和維護。無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC 為了提高能量效率，TRAMA盡

51、可能地讓節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，通過重用已經(jīng)分配但未使用的時隙來提高帶寬利用率。在分配接入周期任一給定的時隙t中，任一節(jié)點的狀態(tài)是由該節(jié)點的兩跳鄰居信息和該節(jié)點的一跳鄰居發(fā)布的分配信息來確定的，有發(fā)送、接收、睡眠三種中的一個狀態(tài)。TRAMA協(xié)議協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議基于分配的MAC競爭型競爭型MAC協(xié)議協(xié)議能很好地適應網(wǎng)絡規(guī)模和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量的變化，可以更靈活地適應網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的變化，無須精確的時鐘同步機制，較易實現(xiàn)；但存在能量效率不高的缺點，如沖突重傳、空閑監(jiān)聽、串擾、控制開銷引起的能量消耗分配型分配型MAC協(xié)議協(xié)議將信道資源按時隙、頻段或碼型分為多個子信道，各個子信道

52、之間無沖突，互不干擾。數(shù)據(jù)包在傳輸過程中不存在沖突重傳，所以能量效率較高。此外，在分配型MAC（如TDMA）中，節(jié)點只在分配給自己的時隙中打開射頻部分，其他時隙關閉射頻部分，可避免冗余接收，進一步降低能量損耗。但是分配型MAC協(xié)議通常需要在網(wǎng)絡中的節(jié)點形成簇，不能靈活地適應網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的變化混合型混合型MAC協(xié)議協(xié)議根據(jù)通信情況自適應的采取競爭方式或分配方式無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議混合型MAC1）基本思想 ZMAC協(xié)議是一種混合型MAC協(xié)議，采用CSMA機制作為基本方法，在競爭加劇時使用TDMA機制來解決信道沖突問題。 ZMAC引入了時間幀的概念，每個時間幀又分為若干個

53、時隙。 在ZMAC中，網(wǎng)絡部署時每個節(jié)點執(zhí)行一個時隙分配的DRAND算法。在時隙分配完成后，每個節(jié)點都會在時間幀中擁有一個時隙。 分配了時隙的節(jié)點成為該時隙的所有者，所有者在對應的時隙中發(fā)送數(shù)據(jù)的優(yōu)先級最高。ZMAC協(xié)議協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議混合型MAC2）關鍵技術 在網(wǎng)絡部署階段，節(jié)點啟動以后ZMAC協(xié)議將順序執(zhí)行以下步驟：鄰居發(fā)現(xiàn)時隙分配本地時間幀交換全局時間同步。在網(wǎng)絡的運行過程中，除非網(wǎng)絡拓撲結(jié)構發(fā)生重大變化，否則節(jié)點不會重復上述步驟，避免浪費能量。（1）鄰居發(fā)現(xiàn)和時隙分配。（2）本地時間幀交換。每個節(jié)點在分配了時隙后需要定位時間幀，常規(guī)的方法就是所有的網(wǎng)絡節(jié)點都保持同步，并且所有的節(jié)點對應的時間幀都相同，也就是具有同樣的起始時刻和結(jié)束時刻。ZMAC協(xié)議協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議混合型MAC3）傳輸控制 在網(wǎng)絡的初始化階段完成之后，每個節(jié)點都同步到了一個全局的時鐘，并且都擁有了自己的時間幀和時隙，可以對外提供服務。在ZMAC協(xié)