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2、15.6标准 6.1.3 IEEE 802.11 6.1.6 无线城域网WiMax 6.2 无线传感器网络概述 6.2.1无线传感器网络概念 6.2.2 传感器网络的发展历史 6.2.3 无线传感器网络的应用 6.2.6 传感器网络的关键技术 6.2.5 传感器网络结构,第6章 物联接入层,6.3 传感器网络的通信与组网技术 6.3.1物理层 6.3.2 MAC协议 6.3.3 路由协议 6.4 传感网络的支撑技术 6.6.1时间同步机制 6.6.2定位技术 6.6.3数据融合 6.6.6能量管理 6.6.5安全机制,第6章 物联接入层,集成了传感器技术、微机电系统（MEMS）技术、无线通信技
3、术和分布式信息处理技术的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是因特网从虚拟世界到物理世界的延伸。 因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，而无线传感器网络将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的方式。目前，无线传感器网络的应用已经由军事领域扩展到反恐、防爆、环境监测、医疗保健、家居、商业、工业等其它众多领域，能完成传统系统无法完成的任务。 无线传感器网络经历了节点技术、网络协议设计和智能群体研究等三个阶段，吸引了大量的学者对其展开了各方面的研究，并取得了包括有关节点平台和通信协议技术研究的一些进展，但还没有形成一套完整的理论和技术体
4、系来支撑这一领域的发展，还有众多的科学和技术问题尚待突破，是信息领域具有挑战性的课题。对无线传感器网络的基础理论和应用系统进行研究具有非常重要的学术意义和实际应用价值。,6.1 无线通信与无线网络,6.1.1 无线通信与无线通信网络概述 1. 无线通信技术发展历程 目前，无线通信技术及其产业呈现出两个突出的特点，一是公众移动通信保持快速增长态势，二是宽带无线通信技术的研究和应用十分活跃，热点不断。随着国民经济和社会发展的信息化，信息化技术正在改变着我们的生活方式。无线通信也从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历了五个阶段。 （1）二十世纪20年代50年代初，主要用于舰船及军事，采用
5、短波频及电子管技术，至该阶段末期才出现150MHZ VHF单工汽车公用移动电话系统MTS。 （2）二十世纪50年代60年代，此时频段扩展至UHF650MHZ，器件技术已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。,6.1 无线通信与无线网络,（3）二十世纪70年代初80年代初频段扩展至800MHZ，美国Bell研究所提出了蜂窝系统概念并于70年代末进行了AMPS试验。 （6）二十世纪80年代初90年代中期，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进。此时出现了D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、cdmaOne、PDC
6、、PHS、DECT、PACS、PCS等各类系统与业务运行。 （5）二十世纪90年代中期至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起，其全球标准化及相应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，第二代移动通信正在向第三代平滑过渡。,6.1 无线通信与无线网络,2. 无线通信技术发展趋势 （1）网络覆盖的无缝化，即用户在任何时间、任何地点都能实现网络的接入。 （2）宽带化是未来通信发展的一个必然趋势，窄带的、低速的网络会逐渐被宽带网络所取代。从宽带无线接入技术来看，该领域的发展呈现出向高带宽快速跃进、覆盖范围逐步扩张的趋势。未来，该
7、领域还可能出现更强大的新技术，从另一个角度对整个无线通信产业起到推进作用。,6.1 无线通信与无线网络,2. 无线通信技术发展趋势 （3）融合趋势明显加快，包括技术融合、网络融合和业务融合。移动与无线技术在演进中走向融合，各种创新移动、无线技术不断涌现并快速步入商用，移动、无线应用市场异常活跃，移动、无线技术自身也在快速演进中不断革新。在网络融合的大趋势下，3G、WiMAX、WLAN等各种移动、无线技术在演进中相互融合。涌现出了同时被上述无线技术采用的新型射频技术，如MIMO和OFDM技术等。与此同时，在以ITU和3GPP/3GPP2为引领的蜂窝移动通信从3G到E3G，再走向B3G/6G的演进
8、道路上，以及IEEE引领的无线宽带接入从无线个人域网到无线局域网、无线城域网，再到无线广域网的演进道路上，都开始增加对方的内容，例如：移动通信不断强化宽带传输性能，无线宽带接入不断增强漫游性能以及安全性能。借鉴WiMAX的高速数据传输特性，蜂窝移动通信启动了LTE，即“3G长期演进”项目，用以增强宽带传输性能。LTE的确立，令蜂窝移动通信系统的技术线路与定位为“低移动性宽带接入”的WiMAX有了很多的相似之处。,6.1 无线通信与无线网络,2. 无线通信技术发展趋势 （6）数据速率越来越高，频谱带宽越来越宽，频段越来越高，覆盖距离越来越短。 （5）终端智能化越来越高，为各种新业务的提供创造了条
9、件和实现手段。 （6）从两个方向相向发展，即移动网增加数据业务，而固定数据业务则增加移动性。1xEV-DO、HSDPA等技术的出现使移动网的数据速率逐渐增加，在原来的移动网上叠加，覆盖可以连续，另外，WiMAX的出现加速了新的3G增强型技术的发展。WLAN等技术的出现使数据速率提高，固网的覆盖范围逐渐扩大，移动性逐渐增加，移动通信、宽带业务和WiFi的成功，促成802.16/WiMAX等多种宽带无线接入技术的诞生。,6.1 无线通信与无线网络,2. 无线通信技术发展趋势 （7）通信信息网络将向下一代网络NGN融合。在未来NGN概念中，固定网络将形成一个高带宽、IP化、具有强QoS保证的信息通信
10、网络平台。在这一平台上，各种接入手段将成为网络的触手，向各个应用领域延伸。而3G、宽带固定无线接入、各种无线局域网或城域网方案，都将成为大NGN平台的延伸部分。从而形成集固定无线手段于一体，各种接入方式综合发挥效用，各种业务形成全网络配置的一体化综合网络。 （8）无线通信领域各种技术的互补性日趋鲜明。这主要表现在不同的接入技术具有不同的覆盖范围、不同的适用区域、不同的技术特点和不同的接入速率。比如3G和WLAN、UWB等，都可实现互补效应。3G可解决广域无缝覆盖和强漫游的移动性需求，WLAN可解决中距离的较高速数据接入，而UWB可实现近距离的超高速无线接入。B3G的概念兼顾了移动性和数据速率。
11、,6.1 无线通信与无线网络,3.无线通信网络 有线与无线通信系统的结合构成了现代通信网。无线通信网的快速发展，特别是移动通信网、移动互联网的发展及融合，正加速改变着我们的工作和生活方式。 （1）现代无线通信网络的概念 无线通信网是由一系列无线通信设备、信道和标准组成的有机整体，我们因此而可以在任何地点进行交流。基于802.15.6标准的无线通信网的组织结构见图6.1。,6.1 无线通信与无线网络,图6.1 无线通信网的组织结构示意图,6.1 无线通信与无线网络,3.无线通信网络 （2）无线通信网络模型 移动自组织网络 Ad hoc网络是一种自组织网络，分为固定节点和移动节点两种。移动自组织网
12、络MANET（Mobile Ad Hoc Network，MANET）特指节点具有移动性的Ad hoc网络。近年来，随着移动设备的小型化，MANET网络已经开始参与个人通信网络的建立，并成为超3G网络的重要网络接入形式。利用MANET进行组网具有灵活、便捷和迅速的特点，相较于现有的一些有中心结构网络来说，MANET网络具有更低的建设成本和更大的普及空间。 服务质量（QoS）是移动自组网络（MANET）研究的热点问题之一。由于MANET网络节点的移动性和节点自身的特点,导致MANET网络实现QoS存在许多困难。MANET的目的是形成并维持一个有联系关系的多跳网络，这种网络能在节点之间传输多媒体业
13、务。在移动自组织网络中，为了使服务质量最优，需要做好网络的组织结构、路由寻址算法和移动性管理等工作。也就是说，当节点在高速移动情形下，网络仍能提供好的吞吐时延特性。无线网络的动态结构特点，使得如何进行高效的网络管理成为MANET实际网络应用中必须解决的关键问题。针对此问题，业界也提出了很多解决方案，但这些方案大都不适用于大型网络。一种具有可扩展性的动态分布式的网络管理体系应运而生。 考虑到Ad Hoc网络中节点设备的差异性，在网络管理中必须充分考虑各节点在电源能力、计算能力上的不同，重新定义网络中各节点在管理中的作用。为此，可以将节点划分为被管理节点、管理域控制节点和网络管理节点，这种角色上的
14、划分更适合于实际网络管理信息的有效利用和网络管理行为的有效发动。,6.1 无线通信与无线网络,蜂窝网络 目前，主流通讯服务提供商绝大部分采用蜂窝网络。它被广泛采用的原因是源于一个数学猜想，正六边形被认为是使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形，出于节约设备构建成本的考虑，正六边形是最好的选择。这样形成的网络覆盖在一起，形状非常象蜂窝，因此被称作蜂窝网络。常见的蜂窝网络类型有：GSM 网络、CDMA网络、3G网络、FDMA、TDMA、PDC、TACS、AMPS等。 蜂窝网络主要由移动站、基站子系统和网络子系统三部分组成。移动站就是我们的网络终端设备，比如手机或者一些蜂窝工控设备。基站子系统包括我们
15、日常见到的移动机站（大铁塔）、无线收发设备、专用网络（一般是光纤）、无数的数字设备等等的。我们可以把基站子系统看作是无线网络与有线网络之间的转换器。蜂窝网络是由静止节点和移动节点组成的较大网络。位于通信子网中的静止节点（基站）和构成固定基础设施结构的有线中枢网络相连。移动节点的数量大大超过静止节点，每个基站中有成百上千个移动节点，这些移动节点通常分布得很分散。每个基站都覆盖一个很大的区域，且区域之间很少重叠。只有当移动节点移动并发生越区切换时，才会出现区域间的重叠覆盖情况（每个移动节点可能移动到远离基站的位置）。这种蜂窝网络的主要目标就是提供高服务质量和高带宽效率。,6.1 无线通信与无线网络
16、,短距离无线通信网 短距离无线通信（Short Range Wireless，SRW）泛指在较小的区域内（数百米）提供无线通信的技术，目前常见的技术大致有802.11系列无线局域网、蓝牙、HomeRF和红外传输技术。一般情况下，SRW可以在100m以内实现传输速度为10100Mb/s的低功率近距离通信。 IEEE802.11制定的系列无线局域网标准，用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线数据业务接入。目前最为常见的是802.11b无线局域网，它使用开放的2.6GHZ微波频段，最高速率为11Mbps。在恶劣环境下，可动态切换到较低的速率上以保证通信。在办公环境下作用范围约100米，在室外可以达到300米。另一种802.11a无线局域网工作在5G的频段上，速率可达到56Mbps，但设备昂贵，应用较少。 每种技术都有其适应对象，同时每种技术也都在不断适应新的用户需求。可以预见，这些短距离技术的发展必将更好地服务于人们的工作和生活，使通信变得更为便捷。,6.1 无线通信与无线网络,
