物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)-無線傳感網(wǎng)-第二課-徐憲清74-文庫吧在線文庫
【正文】 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 通常傳感器節(jié)點的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，人們要考慮如何在有限的通信能力條件下，完成探測數(shù)據(jù)的傳輸。 ③其他管理工作。 ④ 規(guī)程特性 。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 無線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠，可以穿過建筑物，因而被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無線通信。通常信號源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號。 該參量可以是信號的幅度、頻率或相位 。 在通常通信系統(tǒng)中，為了提高頻帶利用率，通常都是盡量采用大體相當?shù)膸挼男盘杹韨鬏斝畔ⅰ? 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 典型擴頻通信的一般工作原理如圖 2所示。 擴頻技術(shù)的 優(yōu)點 包括：易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率 。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無線通信網(wǎng)絡(luò)中的一種類型，因此它包含了上述介紹的無線通信物理層技術(shù)的特點。因為 ISM頻段在大多數(shù)國家屬于無須注冊的公用頻段。 另外，一些傳感器節(jié)點的天線可能在高度和發(fā)射功率方面比不上周圍的其它無線設(shè)備，為了保證這些低發(fā)射功率的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點正常完成通信任務(wù)，要求所選擇的傳輸介質(zhì)能支持健壯的編碼和調(diào)制機制。 ② 提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，對于節(jié)能具有意義，但需要同時考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對誤碼的影響。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可能有多個節(jié)點設(shè)備同時接入信道，導(dǎo)致分組之間相互沖突，使接收方難以分辨出接收到的數(shù)據(jù)，從而浪費了信道資源，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降。典型的方法是采用載波偵聽多路訪問 (Carrier Sense Multiple Access， CSMA)的 MAC協(xié)議。當傳播延遲較長或多個設(shè)備同時發(fā)送幀的可能性較大時，此策略會導(dǎo)致較多的沖突，導(dǎo)致性能降低。 此方式可以確保接下來傳送數(shù)據(jù)時 ， 不會發(fā)生沖突 。 ABCDR T S 數(shù) 據(jù)C T S A C KN A VN A V集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 IEEE MAC協(xié)議規(guī)定了三種基本幀間間隔 (InterFrame Space， IFS)，用來提供訪問無線信道的優(yōu)先級： （ 1） SIFS (short IFS)：最短幀間間隔。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在進入退避狀態(tài)時，啟動一個退避計時器，當計時達到退避時間后結(jié)束退避狀態(tài)。 R T S D A T AC T S A C K競 爭 窗 口下 一 幀D I F SD I F S源 站 點 S I F S目 的 站 點N A V ( R T S )N A V ( C T S )其 他 站 點集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 典型 MAC協(xié)議： SMAC協(xié)議 這里介紹一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的比較典型的 MAC協(xié)議，即 SMAC協(xié)議 (Sensor MAC)。當然節(jié)點需要緩存這期間收到的數(shù)據(jù)，以便工作階段集中發(fā)送。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 （ 3）沖突和串音避免機制 為了減少沖突和避免串音， SMAC協(xié)議采用了與 MAC協(xié)議類似的虛擬和物理載波監(jiān)聽機制，以及 RTS/CTS握手交互機制。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議具有以下特點： （ 1）能量優(yōu)先 （ 2）基于局部拓撲信息 （ 3）以數(shù)據(jù)為中心 （ 4）應(yīng)用相關(guān) 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 在根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計路由協(xié)議時，必須滿足如下要求： （ 1）能量高效 （ 2）可擴展性 （ 3）穩(wěn)健性 （ 4）快速收斂性 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 我們從各種應(yīng)用的角度出發(fā)，將路由協(xié)議分為四類： （ 1）能量感知路由協(xié)議 高效利用網(wǎng)絡(luò)能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的一個顯著特征。把節(jié)點的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，不僅能夠完成節(jié)點的路由選擇功能，還可以降低系統(tǒng)專門維護路由協(xié)議的能耗。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 定向擴散路由機制可以分為 周期性的興趣擴散 、梯度建立 和 路徑加強 三個階段 : 源 匯 聚 節(jié) 點（ a ) 興 趣 傳 播源 匯 聚 節(jié) 點（ b ) 梯 度 建 立源 匯 聚 節(jié) 點（ c ) 加 強 路 徑集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 （ 1）興趣擴散階段 在路由協(xié)議的興趣擴散階段，匯聚節(jié)點周期性地向鄰居節(jié)點廣播興趣消息。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 綜上所述，定向擴散路由在路由建立時需要一個興趣擴散的洪泛傳播，在能量和時間方面開銷較大，尤其是當?shù)讓?MAC協(xié)議采用休眠機制時，有時可能造成興趣建立的不一致，因而在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時需要注意避免這些問題。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 （ 2）數(shù)據(jù)傳播階段 當傳感器探測節(jié)點采集到與興趣匹配的數(shù)據(jù)時，把數(shù)據(jù)發(fā)送到梯度上的鄰居節(jié)點，并按照梯度上的數(shù)據(jù)傳輸速率，設(shè)定傳感器模塊采集數(shù)據(jù)的速率。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 典型路由協(xié)議：定向擴散路由 定向擴散（ Directed Diffusion， DD）路由協(xié)議是一種基于查詢的路由機制。在匯聚節(jié)點（查詢節(jié)點）發(fā)出任務(wù)查詢命令，傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測節(jié)點向監(jiān)控中心報告采集的數(shù)據(jù)。 消息傳遞機制根據(jù)這一原理，將長消息分為若干個短消息，采用一次 RTS/CTS交互的握手機制預(yù)約這個長消息發(fā)送的時間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。如果節(jié)點同時收到兩種不同的調(diào)度，如圖所示的處于兩個不同調(diào)度區(qū)域重合部分的節(jié)點，那么這個節(jié)點可以選擇先收到的調(diào)度，并記錄另一個調(diào)度信息。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無效能耗主要來源于如下四種原因： ① 空閑監(jiān)聽 ② 數(shù)據(jù)沖突 ③ 串擾 ④ 控制開銷 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 （ 1）周期性偵聽和睡眠機制 SMAC協(xié)議將時間分為幀，幀長度由應(yīng)用程序決定。 節(jié) 點 A節(jié) 點 B節(jié) 點 C節(jié) 點 D推 遲推 遲推 遲競 爭 窗 口幀幀節(jié) 點 ED I F S推 遲競 爭 窗 口幀競 爭 窗 口幀幀競 爭 窗 口退 避 時 間 剩 余 退 避 時 間集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 MAC協(xié)議通過 立即主動確認機制 和 預(yù)留機制 提高性能。如果信道空閑，而且經(jīng)過一個幀
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