1、第一章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,鄭來波 山東大學(xué)信息學(xué)院通信研究所 辦公室：信息學(xué)院北樓513 電話：88362208 Email: ,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,什么是短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)？ 到目前為止，學(xué)術(shù)界和工程界對此并沒有一個(gè)嚴(yán)格的定義。一般而言，短距離無線通信的主要特點(diǎn)為通信距離短，覆蓋距離一般感動(dòng)10200m；另外，無線發(fā)射器的發(fā)射功率較低，發(fā)射功率一般小于100mW，工作頻率多為免付費(fèi)、免申請的全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（Industrial、Scientific and Medical，ISM）頻段。 常用的ISM頻段有27MHz、315MHz、433MHz、868MHz（歐洲）、9

2、02928MHz（美國）和2.4GHz。 目前，在我國使用最多的還是27MHz、315MHz、433MHz和2.4GHz。,1.1 短距離無線網(wǎng)絡(luò)概述,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,短距離無線通信技術(shù)的范圍很廣，在一般意義上，它是指集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合性智能信息系統(tǒng)，并且其傳輸距離限制在一個(gè)較短的范圍內(nèi)（通常是幾米以內(nèi)）。通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、采集和監(jiān)測各類感興趣的研究和應(yīng)用信息。 低成本、低功能和對等通信，是短距離無線通信技術(shù)的三個(gè)重要特征和優(yōu)勢。 首先，低成本是短距離無線通信的客觀要求。因?yàn)楦鞣N通信終端的產(chǎn)銷量都很大，要提高終端間的直通能力，沒有足

3、夠低的成本是很難推廣的。 其次，低功耗是相對于其他無線通信技術(shù)而言的一個(gè)特點(diǎn)。這與其通信距離短的特點(diǎn)密切相關(guān)，由于傳播距離近，遇到障礙物的概率也小，發(fā)射功率普遍很低，通常在1mW量級(jí)。 最后，對等通信是短距離無線通信的重要特征，有別于基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的無線通信技術(shù)。終端之間對等通信，不需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行中轉(zhuǎn)，故空中接口設(shè)計(jì)和高層協(xié)議都相對較簡單，無線資源管理通常采用競爭的方式（如載波偵聽）。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,目前使用較廣泛的近距無線通信技術(shù)是藍(lán)牙(Bluetooth)，無線局域網(wǎng)802.11(Wi-Fi)和紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)。 同時(shí)更有一些具有發(fā)展?jié)摿Φ慕酂o線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，他們分

4、別是：ZigBee、超寬頻(Ultra Wide Band)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、無線1394和專用無線系統(tǒng)等。 他們都有其立足的特點(diǎn): 或基于傳輸速度、距離、耗電量的特別需求； 或著眼于功能的擴(kuò)充性； 或符合某些單一應(yīng)用的特別需求； 或建立競爭技術(shù)的差異化等。 不過沒有一種技術(shù)能完美到足以滿足所有的需求。,1.1.2 常用短距離無線通信技術(shù)的介紹,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,ZigBee系統(tǒng)采用的是直序擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS)，使得原來較高的功率、較窄的頻率變成較寬的低功率頻率，以有效控制噪聲，是一種抗干擾能力極強(qiáng)，保密性，可靠性都很高的通信方式。 藍(lán)牙系統(tǒng)采用

5、的是跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS)，這些系統(tǒng)僅在部分時(shí)間才會(huì)發(fā)生使用頻率沖突，其他時(shí)間則能在彼此相異無干擾的頻道中運(yùn)作。 ZigBee系統(tǒng)是非跳頻系統(tǒng)，所以藍(lán)牙在多次通信中才可能有一次會(huì)和ZigBee的通信頻率產(chǎn)生重疊，且將會(huì)迅速跳至另一個(gè)頻率。 在大多數(shù)情況下，藍(lán)牙不會(huì)對ZigBee產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，而ZigBee對藍(lán)牙系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,1IrDA技術(shù) 紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì) (Infrared Data Association，IrDA)是致力于建立紅外線無線連接的非營利組織，是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信距離一般在0到1m之間，傳輸速度最快可達(dá)到16Mb

6、ps,通信介質(zhì)為波長900nm左右的近紅外線。 其傳輸具有小角度、短距離、直線數(shù)據(jù)傳輸、保密性強(qiáng)及傳輸速率較高等特點(diǎn)，適于傳輸大容量的文件和多媒體數(shù)據(jù)。并且無需申請頻率的使用權(quán)，成本低廉。IrDA已被全球范圍內(nèi)的眾多廠商采用，目前主流的軟硬件平臺(tái)均提供對它的支持。 IrDA的不足在于它是一種視距傳輸，2個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對準(zhǔn)，中間不能被其他物體阻隔，而且只適合2臺(tái)設(shè)備之間的連接。IrDA目前的研究方向是如何解決視距傳輸問題及提高數(shù)據(jù)傳輸率。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,2藍(lán)牙技術(shù) 藍(lán)牙系統(tǒng)一般由無線單元、鏈路控制單元、鏈路管理單元和藍(lán)牙軟件（協(xié)議棧）單元等四個(gè)單元組成。 藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)和

7、優(yōu)點(diǎn)在于： Bluetooth工作在全球開放的2.4GHzISM頻段； 使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)，把頻帶分成若干個(gè)跳頻停產(chǎn)，在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個(gè)信道“跳”到另一個(gè)信道； 在有效范圍內(nèi)可越過障礙物進(jìn)行連接，沒有特別的通信視角和方向要求； 組網(wǎng)簡單方便；低功耗、通信安全性好； 數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)1Mbps； 一臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與其他7臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備建立連接；支持語音傳輸。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,Bluetooth產(chǎn)品涉及PC、筆記本、移動(dòng)電話等信息設(shè)備和A/V設(shè)備、汽車電子、家用電器和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。尤其是個(gè)人局域網(wǎng)應(yīng)用，包括無繩電話、PDA與計(jì)算機(jī)的互聯(lián)。 但Bluet

8、ooth同時(shí)存在植入成本高、通信對象少、通信速率較低等問題，它的發(fā)展與普及尚需經(jīng)過市場的磨煉，其自身的技術(shù)也有待于不斷完善和提高。 藍(lán)牙的典型應(yīng)用有： 語音數(shù)據(jù)接入是指將一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過安全的無線鏈路連接到通信設(shè)備上，完成與廣域網(wǎng)的聯(lián)接。 外圍設(shè)備互連是指將各種設(shè)備通過藍(lán)牙鏈路連接到主機(jī)上。 個(gè)人局域網(wǎng)（PAN），主要用于個(gè)人網(wǎng)絡(luò)與信息的共享與交換。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,3. Wi-Fi技術(shù) Wi-Fi（Wireless Fidelity，即無線保真技術(shù)）是屬于無線局域網(wǎng)的一種，通常是指符合IEEE定義的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11）。 它使用的是2.4GHz附近的

9、頻段，物理層定義了兩種無線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸方式。 Wi-Fi基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g和IEEE802.11n。 最大優(yōu)點(diǎn)：傳輸?shù)挠行Ь嚯x很長，傳輸速率較高（可達(dá)11Mbps），與各種802.11DSSS設(shè)備兼容。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,目前，最新的交換機(jī)能把Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)從接近100m的通信距離擴(kuò)大到約6.5Km。 使用Wi-Fi的門檻較低。廠商只要在機(jī)場、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設(shè)置“熱點(diǎn)”，并通過高速線路即可接入因特網(wǎng)。 主要特性： 速度快，可靠性高； 在開放性區(qū)域通信距離305m，在封閉區(qū)域通信距離為7612

10、2m； 方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)彈性化、靈活、價(jià)格較低。 在未來，Wi-Fi最具應(yīng)用潛力的將主要在SOHO、家庭無線網(wǎng)絡(luò)以及不便安裝電纜的建筑物等場所。 目前，Wi-Fi已成為最為流行的筆記本電腦技術(shù)而大受青睞。 然而，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展呈多元化趨勢，其標(biāo)準(zhǔn)仍存在一些亟須解決的問題（如：廠商間的互操作性和備受關(guān)注的安全性問題）。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,4RFID技術(shù) RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。 RFID由標(biāo)簽(Tag)、解讀器(Reader)和天線(Antenna)三個(gè)基本要素組成。 基本工作原理： 標(biāo)簽進(jìn)

11、入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(PassiveTag，無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(ActiveTag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽)。 解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,RFID將滲透到包括汽車、醫(yī)藥、食品、交通運(yùn)輸、能源、軍工、動(dòng)物管理以及人事管理等各個(gè)領(lǐng)域。 然而，由于成本、標(biāo)準(zhǔn)等問題的局限，RFID技術(shù)和應(yīng)用環(huán)境還很不成熟。主要表現(xiàn)在： 制造技術(shù)較為復(fù)雜，智能標(biāo)簽的生產(chǎn)成本相對過高； 標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，最大的市場尚無法啟動(dòng)； 應(yīng)用環(huán)境和解決方案還不夠成熟，安全性將接受很

12、大考驗(yàn)。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,5UWB技術(shù) UWB（Ultra Wideband，超寬帶技術(shù)）起源于20世紀(jì)50年代末，此前主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)等通信設(shè)備中使用。 隨著無線通信的飛速發(fā)展，人們對高速無線通信提出了更高的要求，超寬帶技術(shù)又被重新提出，并備受關(guān)注。 UWB是利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，在較寬的頻譜上傳送較低功率信號(hào)。 UWB不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調(diào)制或直接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,UWB可提供高速率的無線通信，保密性很強(qiáng)，發(fā)射功率譜密度非常低，被檢測到的概率也很低，在軍事通信上有很大的應(yīng)用前

13、景。 UWB通信采用調(diào)時(shí)序列，能夠抗多徑衰落，因此特別適合高速移動(dòng)環(huán)境下使用。 更重要的是，UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，因此可以減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低成本。 優(yōu)勢： 與當(dāng)前流行的短距離無線通信技術(shù)相比，UWB具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、發(fā)射功率小等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，在室內(nèi)通信、高速無線LAN、家庭網(wǎng)絡(luò)等場合才能得到充分應(yīng)用。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,弱點(diǎn)： 主要是占用的帶寬過大，可能會(huì)干擾其他無線通信系統(tǒng)，因此其頻率許可問題一直在爭論之中。 另外，有學(xué)者認(rèn)為，盡管UWB系統(tǒng)發(fā)射的平均功率很低，但由于其脈沖持續(xù)時(shí)

14、間很短，瞬時(shí)功率峰值可能會(huì)很大，這甚至?xí)绊懙矫窈降仍S多系統(tǒng)的正常工作。 但是學(xué)術(shù)界的種種爭論并不影響UWB的開發(fā)和使用，2002年2月美國通信協(xié)會(huì)(FCC)批準(zhǔn)了UWB用于短距離無線通信的申請。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,6ZigBee技術(shù) ZigBee技術(shù)主要用于無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN），是基于IEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)提案，主要應(yīng)用在短距離范圍之內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。 ZigBee協(xié)議比藍(lán)牙、高速率個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)或802.11x無線局域網(wǎng)更簡單使用，可以認(rèn)為是藍(lán)牙的同族兄弟。 使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)。

15、 與藍(lán)牙相比，ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費(fèi)用也更低。它的基本速率是250kb/s，傳輸范圍可達(dá)134m。 可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。 可以比藍(lán)牙更好的支持游戲、消費(fèi)電子、儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用。 人們期望能在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)和玩具等領(lǐng)域拓展ZigBee的應(yīng)用。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,ZigBee技術(shù)特點(diǎn)： 數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kb/s250kb/s,專注于低傳輸應(yīng)用。 功耗低。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通五號(hào)干電池可使用6個(gè)月至2年。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢。 低成本。因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本；

16、積極投入ZigBee開發(fā)的Motorola以及Philips，均已在2003年正式推出芯片，飛利浦預(yù)估，應(yīng)用于主機(jī)端的芯片成本和其它終端產(chǎn)品的成本比藍(lán)牙更具有價(jià)格競爭力。 網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備，也就是說每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接。 有效范圍小。有效覆蓋范圍1075m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。 工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,早在20世紀(jì)70年代就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對

17、點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，人們把它歸結(jié)為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。 隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有獲取多種信息信號(hào)的綜合能力，采用串/并接口（如RS-232、RS-485）與傳感控制器相連，構(gòu)成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。 在20世紀(jì)90年代后期和21世紀(jì)初，用具有智能獲取多種信息信號(hào)的傳感器，采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器，構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)。 第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)正在研究開發(fā)，用大量的具有多功能、多信息信號(hào)獲取能力的傳感器，采用自組織無線接入網(wǎng)絡(luò)，與傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器連接，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

18、的發(fā)展科分成三個(gè)階段：無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。,1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,1 ALOHA協(xié)議 ALOHA協(xié)議（或稱ALOHA技術(shù)、ALOHA網(wǎng)）是世界上最早的無線電計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)。ALOHA協(xié)議分為純ALOHA和時(shí)隙ALOHA兩種。 純ALOHA： 只要用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送，就盡管讓他們發(fā)送。當(dāng)然，這樣會(huì)產(chǎn)生沖突從而造成幀的破壞。但是，由于廣播信道具有反饋性，因此發(fā)送方可以在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中進(jìn)行沖突檢測，將接收到的數(shù)據(jù)與緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以知道數(shù)據(jù)幀是否遭到破壞。 同樣的道理，其他用戶也是按照此過程工作。如果發(fā)送方知道數(shù)據(jù)幀遭到破壞（即

19、檢測到?jīng)_突），那么它可以等待一段隨機(jī)長的時(shí)間后重發(fā)該幀。 所謂等待一段隨機(jī)長的時(shí)間，就是為了防止發(fā)生沖突的用戶在檢測到?jīng)_突后立即重發(fā)數(shù)據(jù)，而使各個(gè)用戶錯(cuò)開重發(fā)時(shí)間，以避免連鎖沖突的惡性循環(huán)。,1.2.1 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,時(shí)隙ALOHA協(xié)： 將時(shí)間分為離散的時(shí)間片，用戶每次必須等到下一個(gè)時(shí)間片才能開始發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免了用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的隨意性，減少了數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突的可能性，提高了信道的利用率。 在時(shí)隙ALOHA系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)并不是在用戶按下回車鍵后就立即發(fā)送數(shù)據(jù)，而是要等到下一個(gè)時(shí)間片開始時(shí)才發(fā)送。 這樣，連續(xù)的純ALOHA就變成離散的時(shí)隙ALOHA。 由于沖突的危險(xiǎn)區(qū)平均

20、減少為純ALOHA的一半，因此時(shí)隙ALOHA的信道利用率可以達(dá)到36.8%，是純ALOHA協(xié)議的兩倍。 但對于時(shí)隙ALOHA，用戶數(shù)據(jù)的平均傳輸時(shí)間要高于純ALOHA系統(tǒng)。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,2 PRNET系統(tǒng) PRNET(Packet Radio NETwork)，稱為“分組無線網(wǎng)絡(luò)”，是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的前身。 對分組無線網(wǎng)絡(luò)的研究源于軍事通信的需要，并已經(jīng)持續(xù)了近20年。早在1972年，美國DARPA就啟動(dòng)了分組無線網(wǎng)項(xiàng)目，研究分組無線網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場環(huán)境下數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。 項(xiàng)目完成之后，DAPRA又在1993年啟動(dòng)了高殘存性自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（SURAN, SURvivable Adap

21、tive Network）項(xiàng)目。研究如何將PRNET的成果加以擴(kuò)展，以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，還要開發(fā)能夠適應(yīng)戰(zhàn)場快速變化環(huán)境下的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 1994年，DARPA又啟動(dòng)了全球移動(dòng)信息系統(tǒng)（GloMo, Global Mobile Information Systems）項(xiàng)目。在分組無線網(wǎng)絡(luò)已有成果的基礎(chǔ)上對能夠滿足軍事應(yīng)用需要的、可快速展開、高抗毀性的移動(dòng)信息系統(tǒng)進(jìn)行全面深入的研究，并一直持續(xù)至今。 1991年成立的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)采用了“Ad hoc網(wǎng)絡(luò)”一詞來描述這種特殊的對等式無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。,Notes 1) What is the meaning of Ad hoc?

22、 Ad hoc is a Latin phrase which means for this purpose. It generally signifies a solution designed for a specific problem or task, non-generalizable, and which cannot be adapted to other purposes. 2) What is Ad hoc network? A wireless ad hoc network is a decentralized wireless network. The network i

23、s ad hoc because each node is willing to forward data for other nodes, and so the determination of which nodes forward data is made dynamically based on the network connectivity. This is in contrast to wired networks in which routers perform the task of routing. It is also in contrast to managed (in

24、frastructure) wireless networks, in which a special node known as an access point manages communication among other nodes.,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,3 Amateur分組無線網(wǎng)絡(luò) Amateur分組無線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由各國業(yè)余無線電愛好者設(shè)計(jì)構(gòu)建的自組、多跳、全國范圍的網(wǎng)絡(luò)。 Amateur的缺陷是地區(qū)間只能使用低速率短波鏈路。由于在鏈路層以上缺乏統(tǒng)一的協(xié)議，用戶只能通過人工的方式配置路由，限制了網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。 Amateur分組無線網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)研究包括：分組網(wǎng)絡(luò)與Intern

25、et雛形的互聯(lián)，多種短波通信物理層協(xié)議的開發(fā)，基于衛(wèi)星的分組網(wǎng)絡(luò)等。 最主要的進(jìn)步在于多路訪問沖突避免（multiple access collision avoidance，MACA）無線信道接入?yún)f(xié)議的開發(fā)。MACA將載波監(jiān)聽多路訪問機(jī)制與Apple公司的Localtalk網(wǎng)絡(luò)中使用的RTS/CTS通信握手機(jī)制相結(jié)合，極大地解決了“隱藏終端”和“暴露終端”問題。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,4無線局域網(wǎng)（WLAN） 無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）就是在各工作站和設(shè)備之間，不再使用通信電纜，而采用無線的通信方式連接的局域網(wǎng)。 一般來講，凡是采用

26、無線傳輸媒體的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)都可以稱之為無線局域網(wǎng)。 無線局域網(wǎng)傳輸媒體： 無線電波； 紅外線。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,無線電波方式又可分為擴(kuò)展頻譜方式和窄帶調(diào)制方式（根據(jù)調(diào)制方式的不同）。 擴(kuò)展頻譜方式是指用來傳輸信息的射頻帶寬遠(yuǎn)大于信息本身帶寬的一種通信方式，它雖然犧牲了頻帶帶寬，卻提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性； 窄帶調(diào)制方式是指數(shù)據(jù)基帶信號(hào)的頻譜不做任何擴(kuò)展即被直接搬移到射頻發(fā)射出去，與擴(kuò)展頻譜方式相比，窄帶調(diào)制方式占用頻帶少，頻帶利用率高，但是通信可靠性較差。 紅外線方式的最大優(yōu)點(diǎn)是不受無線電干擾，且紅外線的使用不必受國家無線電管理委員會(huì)的限制。 但是紅外線對非透明物體的透過

27、性較差，傳輸距離受限。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,5無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN） 無線個(gè)域網(wǎng)（Wireless Personal Area Networks，WPAN）是一種與無線廣域網(wǎng)（WWAN）、無線城域網(wǎng)（WMAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）并列但覆蓋范圍較小的無線網(wǎng)絡(luò)，是為了實(shí)現(xiàn)活動(dòng)半徑小、業(yè)務(wù)類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 支持無線個(gè)人局域網(wǎng)的技術(shù)包括：藍(lán)牙、ZigBee、超寬帶（UWB）、IrDA、HomeRF等，每一項(xiàng)技術(shù)只有被用于特定的用途、應(yīng)用程序或領(lǐng)域才能發(fā)揮最佳的作用。 雖然在某些方面，有些技術(shù)被認(rèn)為是在無線個(gè)人局域網(wǎng)空間中相互競爭的，但是

28、他們常常相互之間又是互補(bǔ)的。,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,無線自組織網(wǎng)絡(luò)，即MANET（Mobile Ad Hoc Network），是一個(gè)由幾十到上百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的、采用無線通信方式的、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動(dòng)性對等網(wǎng)絡(luò)。 目的：通過動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流。 通常節(jié)點(diǎn)具有持續(xù)的能量供給。 無線自組織網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。傳統(tǒng)的無線蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，需要固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如基地站的支持，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和用戶服務(wù)控制。而無線自組織網(wǎng)絡(luò)不需要固定設(shè)備支持，各節(jié)點(diǎn)即用戶終端自行組網(wǎng)，通信時(shí)，由其他用戶節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。 這種網(wǎng)絡(luò)形式突破了傳統(tǒng)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的地理局限性

29、，能夠更加快速、便捷、高效地部署，適合于一些緊急場合的通信需要，如戰(zhàn)場的單兵通信系統(tǒng)。但無線自組織網(wǎng)絡(luò)也存在網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、對實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)支持較差、安全性不高的弊端。 目前，國內(nèi)外有大量研究人員進(jìn)行此項(xiàng)目研究。,1.2.2 無線自組織網(wǎng)絡(luò),第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和使用最早可追溯到冷戰(zhàn)時(shí)期，美國在其戰(zhàn)略區(qū)域布置了聲學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)（Sound Surveillance System, SOSUS）,用于檢測和跟蹤靜默下的前蘇聯(lián)潛艇。 美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在1978年發(fā)起了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，該研討會(huì)在賓夕法尼亞州的卡耐基-梅隆大學(xué)召開。 1998年美國國防高級(jí)

30、研究計(jì)劃局又提出了“傳感器信息技術(shù)計(jì)劃SensIT”，計(jì)劃的發(fā)起使得人們對無線傳感器系統(tǒng)的興趣持續(xù)增長。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)中能夠?qū)π畔⒓夹g(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)進(jìn)步發(fā)揮重要作用的技術(shù)，其發(fā)展?jié)摿薮?，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將會(huì)對現(xiàn)代軍事、現(xiàn)代信息技術(shù)、現(xiàn)代制造業(yè)及許多重要的社會(huì)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。,1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò),第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,1.3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 1大規(guī)模網(wǎng)絡(luò) 2自組織網(wǎng)絡(luò) 3多跳路由 4. 動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò) 5以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò) 6兼容性應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò) 不同的應(yīng)用背景對傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，設(shè)計(jì)要面向應(yīng)用。,1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概

31、述,1.3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)的限制 1電源能量有限 2通信能力有限 3計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?良好的拓?fù)淇刂剖潜ＷC網(wǎng)絡(luò)性能的基礎(chǔ)。 2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)變化，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提出更高的要求。 研究重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。 3網(wǎng)絡(luò)安全 其研究方法和計(jì)算手段與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有很大不同。 4時(shí)間同步 許多 應(yīng)用需要時(shí)間同步，如高速公路區(qū)間測速。 5定位技術(shù) 大多數(shù)檢測數(shù)據(jù)必須知道位置信息才有意義。 通過設(shè)置信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，可以按照一定算法計(jì)算其他節(jié)點(diǎn)的位置。,1.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,6數(shù)據(jù)融合 通常傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的信息存

32、在大量冗余。 數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以節(jié)省能量，提高信息準(zhǔn)確度。但增加了延遲，降低了可靠性。 7數(shù)據(jù)管理 傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看做分布式數(shù)據(jù)庫，但又與傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫有很大區(qū)別。 8無線通信技術(shù) 需要短距離低功耗無線通信技術(shù)。常用無線通信平臺(tái)為IEEE802.15.4. 9嵌入式操作系統(tǒng) 需要根據(jù)傳感器網(wǎng)路特點(diǎn)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)。 10應(yīng)用層技術(shù) 面向具體應(yīng)用。,1.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,1軍事應(yīng)用 （1）智能微塵(smartdust) （2）戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng) （3）傳感器組網(wǎng)系統(tǒng) 2智能家居 3環(huán)境監(jiān)測 4建筑物質(zhì)量監(jiān)控 5醫(yī)療護(hù)理 6其他方面應(yīng)用,1.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述,目前，比較典型的仿真平臺(tái)或基于現(xiàn)有平臺(tái)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，包括NS-2，OPNET，GloMoSim，TOSSIM，PowerTOSSIM等。 1.6.1 NS-2仿真平臺(tái) NS-2是著名的用于網(wǎng)絡(luò)研究的離散事件仿真工具，主要致力于OSI模型的仿真，且其源碼開放，適合二次開發(fā)。 一些研究小組對NS-2進(jìn)行了擴(kuò)展，使它能支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真，包括傳感器模型、電池模型、小型的協(xié)議棧、混合仿真的支持和場景工具等。 但由于NS-2對數(shù)據(jù)包級(jí)進(jìn)行非常詳細(xì)的仿真，接近于運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)包數(shù)量，使得其無法進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的仿真。,1.6 無線傳