物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)-無線傳感網(wǎng)-第二課-徐憲清74(編輯修改稿)
2025-02-03 19:48 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 Y Service Data Unite, PSDU)，攜帶 PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)， PSDU域是物理層的載荷 。 4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 可變長度 前導(dǎo)碼 幀頭 幀長度 (7 比特 ) 保留位 PS D U 同步頭 幀的長度，最大為 128 字節(jié) PHY 負(fù)載 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 物理層設(shè)計技術(shù) 物理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率和通信頻段等問題： ① 編碼調(diào)制技術(shù)影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)和功率等一系列的技術(shù)參數(shù)。比較常見的編碼調(diào)制技術(shù)包括幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴(kuò)頻技術(shù)。 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。一般用單個比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 在低速無線個域網(wǎng) (LRPAN)的 ，定義的物理層是在 868MHz、 915MHz、 。在這三個頻段都使用了直接序列擴(kuò)頻方式。 IEEE ，是傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競爭者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如 Chipcon公司的 CC2420無線通信芯片，現(xiàn)在的SoC的 CC24 CC2530等。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 總的來看，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，現(xiàn)有的物理層設(shè)計基本采用結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)制方式，在頻段選擇上主要集中在 433～ 464MHz、 902～ 928MHz和 ～ ISM波段。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 第一部分 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù) 物理層 一 MAC協(xié)議 二 路由協(xié)議 三 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 2. MAC協(xié)議 MAC協(xié)議概述 無線頻譜是無線通信的介質(zhì)，這種廣播介質(zhì)屬于稀缺資源。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。為了解決這些問題，就需要設(shè)計介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control， MAC)協(xié)議。 所謂 MAC協(xié)議就是通過一組規(guī)則和過程來有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 (1) 采用分布式控制還是集中控制； (2) 使用單一共享信道還是多個信道； (3) 采用固定分配信道方式還是隨機(jī)訪問信道方式。 目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC協(xié)議可以按照下列條件進(jìn)行分類： 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 本課根據(jù)上述的第三種分類方法，將傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議分為以下三種： (1) 時分復(fù)用無競爭接入方式 。無線信道時分復(fù)用 (Time Division Multiple Access， TDMA)方式給每個傳感器節(jié)點分配固定的無線信道使用時段，避免節(jié)點之間相互干擾。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 (2) 隨機(jī)競爭接入方式 。如果采用無線信道的隨機(jī)競爭接入方式，節(jié)點在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時隨機(jī)使用無線信道，盡量減少節(jié)點間的干擾。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。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 (3) 競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式 。通過混合采用頻分復(fù)用或者碼分復(fù)用等方式，實現(xiàn)節(jié)點間無沖突的無線信道分配。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 基于競爭的隨機(jī)訪問 MAC協(xié)議采用按需使用信道的方式，它的基本思想是當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過競爭方式使用無線信道，如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。 典型的基于競爭的隨機(jī)訪問 MAC協(xié)議是載波偵聽多路訪問 (CSMA)接入方式。在無線局域網(wǎng) IEEE MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問 (CSMA with Collision Avoidance， CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競爭的無線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的典型代表。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 CSMA依偵聽／發(fā)送策略的分類 ? 根據(jù)具體的偵聽／發(fā)送策略，可將 CSMA分為 ? 非持續(xù) CSMA（ nonpersistent CSMA） ? 當(dāng)要發(fā)送幀的設(shè)備偵聽到線路忙或發(fā)生沖突時，會隨機(jī)等待一段時間再進(jìn)行偵聽；若發(fā)現(xiàn)不忙則立即發(fā)送；此策略可以減少沖突，但會導(dǎo)致信道利用率降低，以及較長的延遲。 ? 1持續(xù) CSMA（ 1persistent CSMA） ? 當(dāng)要發(fā)送幀的設(shè)備偵聽到線路忙或發(fā)生沖突時，會持續(xù)偵聽；若發(fā)現(xiàn)不忙則立即發(fā)送。當(dāng)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。 ? p持續(xù) CSMA（ ppersistent CSMA） ? 當(dāng)要發(fā)送幀的設(shè)備偵聽到線路忙或發(fā)生沖突時，會持續(xù)偵聽；若發(fā)現(xiàn)不忙，則根據(jù)一個事先指定的概率 p來決定是發(fā)送幀還是繼續(xù)偵聽（以 p的概率發(fā)送， 1p的概率繼續(xù)偵聽）；此種策略可以達(dá)到一定的平衡，但對于參數(shù) p的配置會涉及比較復(fù)雜的考量。 ? 正確使用以上策略可以在一定程度上減少沖突的發(fā)生，但無法徹底解決沖突問題。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 CSMA/CA 載波偵聽多路訪問／沖突避免 （ Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance， CSMA/CA） 此種方案采用主動避免碰撞而非被動偵測的方式來解決沖突問題 。 可以滿足那些不易準(zhǔn)確偵測是否有沖突發(fā)生的需求 ， 如無線局域網(wǎng) 。 CSMA/CA協(xié)議主要使用兩種方法來避免碰撞： 設(shè)備欲發(fā)送幀 ， 且偵聽到信道空閑時 ， 維持一段時間后 ， 再等待一段隨機(jī)的時間依然空閑時 ， 才提交數(shù)據(jù) 。 由于各個設(shè)備的等待時間是分別隨機(jī)產(chǎn)生的 ， 因此很大可能有所區(qū)別 ， 由此可以減少沖突的可能性 。 RTSCTS握手 （ handshake） ：設(shè)備欲發(fā)送幀前 ， 先發(fā)送一個很小的 RTS（ Request to Send） 幀給目標(biāo)端 ， 等待目標(biāo)端回應(yīng) CTS（ Clear to Send）幀后 ， 才開始傳送 。 此方式可以確保接下來傳送數(shù)據(jù)時 ， 不會發(fā)生沖突 。同時由于 RTS幀與 CTS幀都很小 ， 讓傳送的無效開銷變小 。 此方案應(yīng)用于 無線局域網(wǎng)的 IEEE 。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程
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