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无线传感器网络概述|物理层和信道接入技术

阮少爷
 阮少爷
发布于 2017/05/15 16:18
字数 1868
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概述:

无线传感器节点监测数据----->发送给路由节点---->汇聚节点(协调器)----->用户接收和处理

 

无线传感器网络:大规模,无线,自组织,多跳,无基础设施支持的网络。

其中节点是同构的,成本低,体积小,大部分节点不移动,要求网络生命周期长。

 

无线传感器网络的体系结构:

五层结构体系(从底层到高层):

物理层:工作频段?工作温度?信道编码,同步等等。能耗和它有很大关系。

数据链路层:一个适合的MAC,数据成针,差错校验,针监测等等。

网络层:负责节点之间的沟通,路由发现,路由选择,维护等。

传输层:控制数据流的传输,保证通信服务质量等。

应用层:应用层软件,一般包含用户的业务逻辑。

 

无线传感器网络的基本特点(3缺3优):

1.节点体积小,能量有限

2.节点计算,存储能哭有限

3.通信半径小,带宽低,也就是速度不行

4.节点数量大,具有适应性

5.没有中心,自己组织网络

6.网络具有弹性,能动态加入节点或者丢失节点

7.以数据为中心的网络,用户从网络中获取的是数据,相当于这个网络就是一个数据库。

 

物理层相关技术:

1.频率分配:

在中国,3-3kHz主要用于海岸潜艇通信,远程距离用心,超远距离导航。

30-300k主要用于越洋通讯,中距离通讯,地下岩层通讯,远距离导航。

300-3M主要用于船用通讯,业余无线电通信,移动通信,中距离导航

3-30M用于远距离短波,国际定点通信。

30-300M用于电离层散射,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

0.3-3G用于小中容量微波中继通信,

3-30G大容量微波中继通信,数字通信,卫星通信

30-300G用于载入大气层时的通信,波导通信。

ISM频段(工业--科学--医学频段):

 

物理层设计:

考虑三个问题:编码调制   通信速率   通信频段

编码调制技术包括了窄带调制技术(ASK,FSK,PSK,),扩频调制技术(FHSS,DSSS),无载波的超宽带UWB调制技术。

提高数据传输速率可以节省发送时间,就是节约了功耗,但是高速率容易产生误码而导致重传。

无线传感器网络当前普遍采用的频率是

433-464MHz,一个信道

902-928MHz,10个信道

2.4-2.5GHz,16个信道

 

信道接入技术:

信道接入技术很重要,如何避免多设备传输信号冲突是非常有必要的。

信道接入是由MAC层控制的,MAC控制了无线通讯模块,因此,MAC层设计的好坏,直接影响能源消耗,也就决定了节点的生命周期。

在考虑信道接入技术时,我们设计MAC层遵循原则进行:

1.能能源有效性  2.可扩展性  3.性能的综合评测   4.分布式算法  5.可靠性

 

综合考虑之后,出现了三种信道接入技术,分别是

1.基于竞争的信道接入技术

2.基于固定分配的信道接入技术

3.按需分配的信道接入技术

 

来看第一个,基于竞争的信道接入技术:

原理:各节点竞争使用信道发送数据,如果发生了碰撞,就按照一定的约束进行重新访问竞争,直到把数据发出去。

典型:CSMA(载波侦听多路访问)。

其中,IEEE802.11的DCF访问控制方式就采用了CSMA/CA协议,当然IEEE802.11的PCF是基于优先级的访问控制方式,是不会采用CSMA/CA协议机制的。

另外,S-MAC引入周期性侦听/睡眠,降低了冲突发生几率,控制能耗,但是延时就大了。

Timeout MAC:在S-MAC的基础上,保持一个睡眠活动周期不变,动态调整活动周期和睡眠周期的长短。

Sift协议的出现要求是这样的:有5个节点ABCDE,都收到了事件信息,让AB在最短时间中无冲突发送信号出去,这期间抑制CDE的活动。

 

第二个,基于固定分配的信道接入技术(预约的信道接入技术)

1.TDMA技术,时分复用,为每一个节点分配固定的通信时间,其他节点在某个节点通信时间内进行睡眠,这样就能节约功耗,但是这种情况下不能很好地调整网络结构,试想为A分配了时隙,但A又跑了,资源就浪费了,无缘无故其他节点也要受到延迟的惩罚,这样不好。

下面就是基于TDMA的MAC层协议:

DEANA协议,在传输时隙前加入控制时隙,如果没有数据传送,我就先睡觉了,不然浪费能源。

TRAMA协议,  DMAC协议。

2.CDMA技术,码分多址,采用CDMA技术的MAC层协议,主要运用CDMA的伪随机码分配算法,优点是容量大,缺点是自我干扰严重。

实际运用中将CDMA与CSMA/CA结合起来使用,握手信息由CSMA/CA来传送,数据用CDMA方式来传送

3.FDMA,频分多址,充分利用信道资源,但是生产设备贵,成本高。

4.SDMA,空分复用接入技术,就是划分不用的空间,比如我在我家用2.4GHz的wifi不会干扰到你家的,因为距离太远了,空间已经分开了,这就是SDMA(不准确),目前比如移动通信领域的TD-SCDMA。

 

第三个,按需分配的信道接入技术:

1.PCF方式,点协调方式,IEEE802.11中,PCF采用轮询的方式进行数据传输,基于优先级,不会产生冲突,更不会发生冲突碰撞。

2.WTRP方式,无线令牌环控制方式,它基于PCF。

 

IEEE802.15.4标准

868/915MHZ与2.4GHZ的对比

868ISM 欧洲 20kb/s 1 BPSK
915ISM 美国 40kbps 10 BPSK
2.4G ISM 全世界 250kbps 16 O-QPSK
频带         使用范围 数据传输速率 信道数 调制方式

 

ZIGBEE的主要特征:

1.低速率  2.低功耗 3.短距离  4.低成本 5.低延时  6.免许可  7.三级安全

 

ZIGBEE网络结构

星型,网型,树形,混合型。

网状网络(Mesh):网络健壮,系统可靠。普遍采用

星型网络:一个FFD带多个RFD或者FFD,适用于节点少的场合。

zigbee三种设备:

coordinator:协调器。

FFD:全功能设备,一般☞路由节点和协调器节点。

RFD:简化功能设备,一般指终端节点。

 

ZIGBEE协议栈

1.物理层和MAC层运用的是IEEE制定的 802.15.4协议。

2.网络层,协议栈的核心,NLDE(网络层数据实体),NLME(网络层管理实体),网络层还定义了两种类型的帧:数据帧和命令帧。

3.应用层,包括APS,AF和ZDO。

ZIGBEE通信过程:

 

#完毕

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