物联网技术与应用电子教案PPTChapt.04

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1、第第4 4章物联网通信章物联网通信第第4 4章物联网通信章物联网通信 移动通信网络移动通信网络 4.1短距离无线通信短距离无线通信 4.2无线传感器网络无线传感器网络 4.34.14.1移动通信网络移动通信网络 4.1.1移动通信基本原理移动通信基本原理4.1.2宽带移动通信宽带移动通信移动通信系统在生活中的应用移动通信系统在生活中的应用移动通信的特点：移动通信的特点：u覆盖广覆盖广u建设成本低建设成本低u部署方便部署方便u具备移动性具备移动性物联网与移动通信网络物联网与移动通信网络物联网的终端都需要以某种方式连物联网的终端都需要以某种方式连接起来，发送或者接收数据。移动通信接起来，发送或者接

2、收数据。移动通信网是适合物联网组网特点的通信和联网网是适合物联网组网特点的通信和联网方式。方式。物联网的组网特点物联网的组网特点u方便性：不需要数据线连接方便性：不需要数据线连接u信息基础设施的可用性：不是所有地方信息基础设施的可用性：不是所有地方都有方便的固定接入能力都有方便的固定接入能力u一些应用场景本身需要随时监控的目标一些应用场景本身需要随时监控的目标就是在移动状态下就是在移动状态下移动通信网络将是物联网主要的接入手段移动通信网络将是物联网主要的接入手段 章节设置章节设置u移动通信的基本原理移动通信的基本原理u移动通信的特点移动通信的特点u移动通信网络的发展历程移动通信网络的发展历程u

3、宽带移动通信系统的标准演进、网络架宽带移动通信系统的标准演进、网络架构和技术特点构和技术特点4.1.1移动通信基本原理移动通信基本原理早期移动通信发展历程早期移动通信发展历程u1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实验，标志无线通信的开始验，标志无线通信的开始u1928年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动通信开始通信开始u1946年年，Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网，话网，1960s，实现无线频道自动选择域公用电话网自实现无线频道自动选择域公

4、用电话网自动拨号连接。动拨号连接。u1974年，美国年，美国Bell实验室提出蜂窝移动通信的概念实验室提出蜂窝移动通信的概念1、移动通信特点、移动通信特点 （1）移动性。）移动性。（2）电波传播条件复杂。）电波传播条件复杂。（3）噪声和干扰严重。）噪声和干扰严重。（4）系统和网络结构复杂。）系统和网络结构复杂。（5）要求频带利用率高，设备性能好。）要求频带利用率高，设备性能好。无线电传播环境无线电传播环境 u携带信息的电磁波的传输是扩散的；携带信息的电磁波的传输是扩散的；u地理环境复杂多变，用户移动随机不可地理环境复杂多变，用户移动随机不可预测，预测，所有这些都造成了无线电波传输的损耗。所有这

5、些都造成了无线电波传输的损耗。多径传播多径传播u基站天线、移动用户天线和这两端天线基站天线、移动用户天线和这两端天线之间的传播路径称之为无线移动信道。之间的传播路径称之为无线移动信道。u多径信号经过不同的路径到达接收端时，多径信号经过不同的路径到达接收端时，具有不同的时延和入射角，这将导致接具有不同的时延和入射角，这将导致接收信号的时延扩展和角度扩展。收信号的时延扩展和角度扩展。u多普勒效应多普勒效应三类损耗和四种效应三类损耗和四种效应三类损耗三类损耗u路径传播损耗路径传播损耗u大尺度衰落损耗大尺度衰落损耗u小尺度衰落损耗小尺度衰落损耗四种效应四种效应u阴影效应阴影效应u远近效应远近效应u多径

6、效应多径效应u多普勒效应多普勒效应2移动通信的发展移动通信的发展u蜂窝系统的概念和理论在蜂窝系统的概念和理论在20世纪世纪60年代年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统直到但其复杂的控制系统直到20世纪世纪70年代年代才大规模实现。才大规模实现。u小区制蜂窝通信具有小覆盖、小发射功小区制蜂窝通信具有小覆盖、小发射功率和资源重用等优点，决定了它在现代率和资源重用等优点，决定了它在现代移动通信中的重要作用。移动通信中的重要作用。现代移动通信发展历程现代移动通信发展历程现代移动通信发展主要经历了三个阶段现代移动通信发展主要经历了三个阶段u第一代移动

7、通信系统第一代移动通信系统u第二代移动通信系统第二代移动通信系统u第三代移动通信系统第三代移动通信系统（1）第一代移动通信系统）第一代移动通信系统u解决了用户移动性的基本问题解决了用户移动性的基本问题u蜂窝小区系统设计蜂窝小区系统设计:频率复用频率复用-解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾u多址方式：多址方式：FDMAu模拟系统模拟系统-FM调制、模拟电路交换、模拟语音信号调制、模拟电路交换、模拟语音信号u业务功能：单一通话业务功能：单一通话u第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，时间第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，时间是是20世纪世纪70年代中期至年代中期至80年代中期

8、。年代中期。u模拟系统有以下缺点：频谱利用率低；模拟系统有以下缺点：频谱利用率低；业务种类有限；无高速数据业务；保密业务种类有限；无高速数据业务；保密性差，易被窃听和盗号；设备成本高；性差，易被窃听和盗号；设备成本高；体积大，重量大。体积大，重量大。（2）第二代移动通信系统）第二代移动通信系统u数字化通信数字化通信语音信号数字化、数字式电路交换、数语音信号数字化、数字式电路交换、数字式调制字式调制u多址方式：多址方式：TDMA，CDMAu微蜂窝小区结构：提高用户数量微蜂窝小区结构：提高用户数量u采用了一系列数字处理技术来有效提高采用了一系列数字处理技术来有效提高通信质量通信质量 纠错编码、交织

9、、自适应均衡、分集等纠错编码、交织、自适应均衡、分集等u业务类型：以通话为主，还有低速数据业务类型：以通话为主，还有低速数据业务业务u以以GSM和和IS-95为代表的第二代移动通信为代表的第二代移动通信系统，时间是从系统，时间是从20世纪世纪80年代中期开始年代中期开始u从从1996年开始，为了解决中速数据传输年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了问题，又出现了2.5G移动通信系统，如移动通信系统，如GPRS和和IS-95B。CDMA应用于数字移动通信的优点应用于数字移动通信的优点 u系统容量大：系统容量大：比模拟网大比模拟网大10倍，比倍，比GSM大大4.5倍倍u系统通信质量更佳系统通信

10、质量更佳：软切换技术：软切换技术u频率规划灵活频率规划灵活u适用于多媒体通信系统：适用于多媒体通信系统：多多CDMA信道方式、多信道方式、多CDMA帧方式帧方式（3）第三代移动通信系统）第三代移动通信系统u以以多媒体多媒体(Multi-media)综合服务业务为综合服务业务为主要特征主要特征会话型、数据流型、互动型、后台类型会话型、数据流型、互动型、后台类型u主要以宽带主要以宽带CDMA技术为基础技术为基础WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA、WiMax等等u多址方式：多址方式：TDMA/CDMA/OFDMAu电路交换电路交换分组交换分组交换u引入多种新技术引入多种新技术智能天线、发端

11、分集、空时码、智能天线、发端分集、空时码、OVSFOVSF多址码等多址码等第三代移动通信系统的目标第三代移动通信系统的目标 u能实现全球漫游能实现全球漫游u能提供多种业务能提供多种业务u能适应多种环境能适应多种环境u足够的系统容量足够的系统容量4.1.2宽带移动通信宽带移动通信u第第三三代代移移动动通通信信系系统统的的概概念念是是国国际际电电联联（ITUITU）早早在在19851985年年就就提提出出的的，当当时时称称为为未未来来公公共共陆陆地地移移动动通通信信系系统统（FPLMTSFPLMTS）,19961996年年更更名名为为IMT-2000IMT-2000，在在欧欧洲洲称称其其为为个个人

12、人移移动动通通信信系系统统（UMTSUMTS）。）。uIMT-2000的的宗宗旨旨是是建建立立全全球球的的综综合合性性个个人人通通信信网网，提提供供多多种种业业务务，尤尤其其是是多多媒媒体体和和高高比比特特率率分组数据业务并实现全球无缝覆盖。分组数据业务并实现全球无缝覆盖。演变历程演变历程u2000年年5月举行的月举行的ITU-T2000年全会上，被正年全会上，被正式命名为式命名为IMT-2000无线接口技术规范无线接口技术规范u2007年年10月，月，ITU在日内瓦举行的无线通信全在日内瓦举行的无线通信全体会议上，与会国家通过投票正式通过无线宽体会议上，与会国家通过投票正式通过无线宽带技术带

13、技术WiMAX成为成为3G标准标准u2008年全球移动大会上，主流设备厂商不约而年全球移动大会上，主流设备厂商不约而同地发布了同地发布了LTE的研究成果和后续演进策略的研究成果和后续演进策略IMT-2000无线传输技术分类无线传输技术分类IMT-2000CDMAFDDDSWCDMAFDDMCcdma2000TDDTD-SCDMATD-CDMAIMT-2000TDMATDMAMCUWC-136TDMASCEP-DECTu移动通信网络将成为物联网最重要的信移动通信网络将成为物联网最重要的信息基础设施，为人与人之间通信、人与息基础设施，为人与人之间通信、人与网络之间的通信、物与物之间的通信提网络之间

14、的通信、物与物之间的通信提供服务供服务u工业和信息化部领导在工业和信息化部领导在2009年年“全国工全国工业和信息化工作会议业和信息化工作会议”上指出，上指出，2010年年将推进国家传感信息中心建设，促进物将推进国家传感信息中心建设，促进物联网与互联网、移动互联网融合发展联网与互联网、移动互联网融合发展（1）WCDMA的演进过程的演进过程 u1985：FPLMTS，1996更名为IMT-2000u1992：WRC92大会分配频谱230MHzu1999.3：完成IMT-2000RTT关键参数u1999.11：完成IMT-2000RTT技术规范u2000：完成IMT2000全部网络标准u成立3GP

15、P(1998.12)、3GPP2(1999)等标准化组织WCDMA技术特点技术特点信道带宽信道带宽5MHz双工方式双工方式FDD或或TDD码元速率码元速率384Mchip/s帧长帧长10ms下行链路和下行链路和RF信道结信道结构构直扩直扩扩频调制方式扩频调制方式上行：双信道上行：双信道QPSK；下行：平衡下行：平衡QPSK；复扩频电路复扩频电路数据调制方式数据调制方式上行：上行：BPSK；下行：下行：QPSK信道编码信道编码交织或交织或turbo码码相干检测相干检测上上/下行：用户专用的时间复用导频下行：用户专用的时间复用导频；下行：共用导频下行：共用导频上行信道复用上行信道复用控制和导频信道

16、时分复用；数据和控制信道控制和导频信道时分复用；数据和控制信道I&Q复用复用下行信道复用下行信道复用数据和控制信道时分复用数据和控制信道时分复用多速率多速率可变扩频和多码可变扩频和多码扩频因子扩频因子4256功率控制功率控制开环和快速闭环开环和快速闭环(1.6KHz)下行扩频码下行扩频码可变长度的正交序列码可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，划分信道，2181的的Gold序列码区分小区和用序列码区分小区和用户户上行扩频码上行扩频码可变长度的正交序列码可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，划分信道，2411的的Gold序列区分用户序列区分用户切换切换软切换软切换，频率间切换频率间切换R

17、99网络结构网络结构R99网络特点网络特点u接入部分接入部分全新的全新的5MHz/载频的载频的宽宽带码分多址接入网；带码分多址接入网；功功率率控制；软切换；更软切换控制；软切换；更软切换u核心网核心网电路域与电路域与GSM完全兼容；相对于完全兼容；相对于GPRS，增加，增加了服务级别的概念了服务级别的概念u系统系统采用分组域和电路域分别承载与处理的方式采用分组域和电路域分别承载与处理的方式u目前的商业部署全都采用了目前的商业部署全都采用了R99R4网络结构网络结构R4网络改进网络改进u加入低码片速率加入低码片速率TDD模式（模式（LCRTDD），即），即由我国提出的由我国提出的TD-SCDMA

18、u引入直放站来解决复杂地形覆盖问题引入直放站来解决复杂地形覆盖问题u引入扇区降低终端和基站的发射功率的方法以引入扇区降低终端和基站的发射功率的方法以提高容量提高容量u通过通过NodeB同步减少系统邻近小区的交调干扰，同步减少系统邻近小区的交调干扰，降低传输网络的成本降低传输网络的成本u引入引入Iub和和Iur上的上的AAL2连接的连接的QoS优化优化R4网络特点网络特点u电路域核心网中引入了基于软交换架构电路域核心网中引入了基于软交换架构的分层架构，使电路交换域和分组交换的分层架构，使电路交换域和分组交换域可以承载在一个公共的分组骨干网上域可以承载在一个公共的分组骨干网上u主要实现了话音、数据

19、、信令承载统一主要实现了话音、数据、信令承载统一u提高了组网的灵活性提高了组网的灵活性R5网络结构网络结构R5网络改进网络改进u高速下行分组接入（高速下行分组接入（HSDPA）的功能，）的功能，下行理论峰值数据速率可高达下行理论峰值数据速率可高达14.4Mbit/su涉及的关键技术涉及的关键技术u自适应编码调制自适应编码调制uHARQu快速蜂窝选择（快速蜂窝选择（FCS）uMIMOR5网络特点网络特点uR5协议引入了协议引入了IP多媒体子系统（多媒体子系统（IMS）u由由CSCF、MGCF、MRF和和HSS功能实体组成功能实体组成u为多媒体业务提供支持为多媒体业务提供支持u呼叫控制功能呼叫控制

20、功能u与传统网络进行互通与传统网络进行互通u实现其他资源密集型功能实现其他资源密集型功能u信令实体（信令实体（CSCF）与媒体处理是完全分离的）与媒体处理是完全分离的R6（HSUPA） u引入高速上行分组接入引入高速上行分组接入(HSUPA）u提供多媒体广播和多播业务（提供多媒体广播和多播业务（MBMS）u进入进入IMS第二阶段第二阶段u支持支持WLAN-UMTS互通互通u增强增强QoS（2）WCDMA系统结构系统结构u通用移动通信系统通用移动通信系统（UMTS）是采用）是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通空中接口技术的第三代移动通信系统信系统uUMTS系统系统由陆地无线接入网由陆地无线

21、接入网（UTRAN）和核心网络（）和核心网络（CN）构成）构成WCDMA系统结构系统结构WCDMA系统结构系统结构UEuUE是用户终端设备是用户终端设备uUE从逻辑上包括移动设备（从逻辑上包括移动设备（ME）和用户身份）和用户身份模块（模块（SIM）UTRANu由基站（由基站（NodeB）和无线网络控制器（）和无线网络控制器（RNC）组成组成uNodeB是是WCDMA系统的基站系统的基站uRNC是无线网络控制器是无线网络控制器WCDMA系统结构系统结构CNuCN即核心网络，负责与其他网络的连接和对即核心网络，负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理的通信和管理uMSC/VLR是是CS域功能节点

22、域功能节点uGMSC是是CS域与外部网络之间的网关节点域与外部网络之间的网关节点uSGSN（服务（服务GPRS支持节点）是支持节点）是PS域功能节域功能节点点uGSN（网关（网关GPRS支持节点）是支持节点）是PS域功能节点域功能节点uHLR（归属位置寄存器）是（归属位置寄存器）是CS域和域和PS域共有域共有的功能节点的功能节点WCDMA系统结构系统结构ExternalNetworksu外部网络，可以分为电路交换网络（外部网络，可以分为电路交换网络（CSNetworks）和分组交换网络（）和分组交换网络（PSNetworks）两类）两类2cdma2000u美国美国TIA提出，可从提出，可从IS

23、-95和和IS-95B平滑平滑过渡，升级简单过渡，升级简单ucdma20001x采用采用1.25M的带宽的带宽ucdma20001xEVDO可支持可支持2.4Mb/s的数的数据速率，据速率，cdma20001xEVDV可支持话可支持话音和数据音和数据ucdma20003x采用采用3个个1.25M的带宽进行的带宽进行传输传输。cdma2000演进演进CDMA20001XCDMA20003X信号带宽信号带宽1.25MHZ31.25=3.75MHz下行链路下行链路RF信道结构信道结构直接扩频直接扩频多载波扩频多载波扩频码片速率码片速率上上/下行：下行：1.2288Mcps下行：下行：1.2288Mc

24、ps，上行：，上行：3.6864Mcps定时定时同步同步(定时驱动，例如从定时驱动，例如从GPS来的定时来的定时)帧长帧长20ms/5ms可选可选扩频调制扩频调制下行：平衡下行：平衡QPSK，上行：具有混合相移链控的双信道，上行：具有混合相移链控的双信道QPSK数据调制数据调制下行：下行：QPSK，上行：，上行：BPSK相干检测相干检测下行：公共连续导频信道和辅助导频，上行：导频符号，即导频和功控下行：公共连续导频信道和辅助导频，上行：导频符号，即导频和功控以及以及EIB时分复用时分复用上行信道复用上行信道复用控制、导频、基本和辅助码复用，控制、导频、基本和辅助码复用，I和和Q复用数据与控制信

25、道复用数据与控制信道多速率多速率可变扩频增益和多码可变扩频增益和多码扩频因子扩频因子4256功率控制功率控制开环和快速闭环开环和快速闭环(800Hz，1.25ms)扩频码扩频码(下行下行)信信道道扩扩频频码码：可可变变长长度度正正交交Walsh码码；基基站站(小小区区)扩扩频频码码： ，m m序序列且列且I I与与Q Q用不同序列用不同序列 （在码字受限时，采用准正交函数（在码字受限时，采用准正交函数QoFQoF ）扩频码扩频码(上行上行)用户扩频码：用户扩频码： (不同时间偏移并截短用于用户不同时间偏移并截短用于用户)切换切换扇区间，小区间软切换，频段间硬切换扇区间，小区间软切换，频段间硬切

26、换发分集发分集 正交发分集，空时扩展发分集正交发分集，空时扩展发分集载波解复用，用不同天线发射载波解复用，用不同天线发射cdmaOneucdmaOne是基于是基于IS-95标准的各种标准的各种CDMA产品产品的总称，的总称，IS-95B可提供实现可提供实现64kbit/scdma20001xucdma20001x具有具有3G系统的部分功能，系统的部分功能，cdma20001x完全兼容完全兼容IS-95系统功能系统功能1xEV-DOu1xEV-DO是一种专为高速分组数据传送而优化是一种专为高速分组数据传送而优化设计的设计的cdma2000空中接口技术空中接口技术u在网络结构方面，在网络结构方面，

27、1xEV-DO与与cdma20001x的无线接入网在逻辑功能上的无线接入网在逻辑功能上是相互独立的是相互独立的u1xEV-DO可以作为高速分组数据业务的可以作为高速分组数据业务的专用网专用网1xEV-DVu在在cdma20001x载波基础上提升前向和反载波基础上提升前向和反向分组传送的速率和提供业务向分组传送的速率和提供业务QoS保证保证3TD-SCDMA（1）TD-SCDMA的演进的演进uIMT-2000CDMATD为为TDD方式方式，2001年年3月月3GPP通过通过R4版本，版本，TD-SCDMA被接纳为正式被接纳为正式标准标准uTD-SCDMA采用直接序列扩频、低码片速率的采用直接序列

28、扩频、低码片速率的TDD（时分双工）模式（时分双工）模式uTD-SCDMA不需要成对的工作频段，这对缓解不需要成对的工作频段，这对缓解当前移动频段资源紧张的问题是极为重要的当前移动频段资源紧张的问题是极为重要的UTRATDDTD-SCDMA备注备注占用带宽占用带宽/MHz51.6每载波码片速率每载波码片速率/MCPS3.841.28扩频方式扩频方式DS，SF=1/2/4/8/16DS，SF=1/2/4/8/16调制方式调制方式QPSKQPSK信道编码信道编码卷积码：卷积码：R=1/2，1/3，turbo码码卷积码：卷积码：R=1/2，1/3，turbo码码帧结构帧结构/ms系统帧系统帧720，

29、无线帧，无线帧10系统帧系统帧720，无线帧，无线帧10交织交织/ms10/20/40/8010/20/40/80时隙数时隙数157上行同步上行同步8chip1/2chip容量容量(每时隙话音信道数每时隙话音信道数)816同时工作同时工作每载波话音信道数每载波话音信道数5648对称业务对称业务容量容量(每时隙总传输速率每时隙总传输速率)220.8kbps281.6kbps数据业务数据业务每载波总传输速率每载波总传输速率3.31Mbps1.971Mbps数据业务数据业务话音频谱利用率话音频谱利用率/1025对称话音业务对称话音业务数据频谱利用率数据频谱利用率/0.6621.232不对称话音业务不

30、对称话音业务智能天线智能天线较困难较困难容易容易多址方式多址方式CDMA+TDMASCDMA+CDMA+TDMATD-SCDMA的演进的演进 TD-SCDMA阶段阶段u智能天线、联合检测、动态信道分配、软件无智能天线、联合检测、动态信道分配、软件无线电、上行同步码分多址技术、接力切换、低线电、上行同步码分多址技术、接力切换、低码片速率、多时隙、可变扩频、自适应功率调码片速率、多时隙、可变扩频、自适应功率调整、整、3GPP提出的高层协议、核心网提出的高层协议、核心网HSPATDD阶段阶段u第二阶段主要包括引入高速下行分组接入第二阶段主要包括引入高速下行分组接入（HSDPA）和高速上行分组接入（）

31、和高速上行分组接入（HSUPA）LTETDD阶段阶段uLTETDD是是TD-SCDMA在向在向4G系统演系统演进过程中的过渡阶段进过程中的过渡阶段uMIMO-OFDMA是下一代通信系统中最是下一代通信系统中最具有革命性的技术具有革命性的技术TDDB3G/4Gu基于基于TD-SCDMA的后的后3G或者或者4G系统来系统来说，将采用说，将采用TDD模式模式（2）TD-SCDMA的关键技术的关键技术多用户检测多用户检测u宽带宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术通信系统中抗干扰的关键技术智能天线智能天线u典型的典型的TD-SCDMA系统配置的智能天线是由系统配置的智能天线是由8个天线元素组成的天线阵

32、列个天线元素组成的天线阵列软件无线电软件无线电u软件无线电是一种具有开放式结构的将标准化、软件无线电是一种具有开放式结构的将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的新技术信系统的新技术动态信道分配动态信道分配（DCA）u目的是进一步减少干扰，增加系统容量目的是进一步减少干扰，增加系统容量接力切换接力切换uTD-SCDMA系统的关键特征，该技术利系统的关键特征，该技术利用了软切换与硬切换技术的优点用了软切换与硬切换技术的优点2G到到3G的演进路线的演进路线4

33、WiMAX 全名是全名是World wide Interoperability World wide Interoperability for Microwave Accessfor Microwave Access（全球微波接入全球微波接入的互操作性），是基于的互操作性），是基于IEEE 802.16eIEEE 802.16e系系列宽频无线标准为基础的宽带无线技术列宽频无线标准为基础的宽带无线技术（1）WiMAX的演进的演进 u1999年，年，IEEE802局域网（局域网（LAN）/城域城域网（网（MAN）成立了）成立了802.16工作组来专门工作组来专门研究宽带无线接入标准研究宽带无线接入

34、标准u一些世界知名通信企业联合发起了全球一些世界知名通信企业联合发起了全球微波接入互操作性论坛，在全球范围内微波接入互操作性论坛，在全球范围内推广推广802.16协议协议IEEE802.16d协议协议u物理层定义了两种双工方式：物理层定义了两种双工方式：TDD和和FDDuMAC层分为了层分为了3个子层：业务汇聚子层（个子层：业务汇聚子层（CS）、）、公共部分子层（公共部分子层（CPS）和安全子层（）和安全子层（SS）IEEE802.16e协议协议u协议栈模型和协议栈模型和802.16d相同相同u支持不同数量子载波的支持不同数量子载波的OFDMAu增强安全性增强安全性（2）WiMAX系统结构系统

35、结构接入服务网接入服务网（ASN）uASN为为MS提供无线接入提供无线接入连接服务网（连接服务网（CSN）uCSN为为MS提供提供IP连接连接网络接入提供者网络接入提供者（NAP）uNAP是一种运营实体是一种运营实体网络服务提供者（网络服务提供者（NSP)uNSP是一种运营实体是一种运营实体应用服务提供者应用服务提供者(ASP)uASP的主要功能是提供增值业务以及三的主要功能是提供增值业务以及三层之上的业务层之上的业务网络参考点网络参考点5LTE u第三代移动通信系统普遍采用的是码分多址第三代移动通信系统普遍采用的是码分多址（CDMA）技术，此技术能支持的最大系统带）技术，此技术能支持的最大系

36、统带宽为宽为5MHzu2004年底，第三代合作伙伴计划（年底，第三代合作伙伴计划（3GPP）提）提出了通用移动通信系统（出了通用移动通信系统（UMTS）的长期演进）的长期演进（LTE）项目）项目u长期演进（长期演进（LTE）项目、超移动宽带（）项目、超移动宽带（UMB）技术、技术、WiMAX技术、技术、802.20移动宽带频分双移动宽带频分双工工/移动宽带时分双工（移动宽带时分双工（MobileBroadbandFDD/TDD）等技术构成）等技术构成“准准4G”技术技术（2）LTE的需求的需求 系统性能需求系统性能需求u峰值速率峰值速率u用户吞吐量和频谱效率用户吞吐量和频谱效率u移动性移动性u

37、用户面延时用户面延时u控制面延时和容量控制面延时和容量部署成本和互操作性部署成本和互操作性u上行和下行都可以工作在广泛频带内以上行和下行都可以工作在广泛频带内以及适应各种带宽的频谱分配及适应各种带宽的频谱分配uLTE设计同时支持设计同时支持FDD、TDD和半双工和半双工FDD模式模式（3）LTE的架构的架构 （4）LTE的关键技术的关键技术多址技术多址技术u下行采用的是正交频分多址接入（下行采用的是正交频分多址接入（OFDMA）技术技术u系统的峰均功率比（系统的峰均功率比（PAPR）过高问题的解决）过高问题的解决多天线技术多天线技术u增益来源：复用增益增益来源：复用增益、分集增益、分集增益、天

38、线增益、天线增益u下行下行MIMO技术支持技术支持22（两发两收）基本天（两发两收）基本天线配置线配置u上行基本天线配置为上行基本天线配置为12干扰抑制技术干扰抑制技术uLTE在在eNodeB间引入间引入X2接口接口，以降低小区间，以降低小区间干扰干扰4.24.2 短距离无线通信短距离无线通信4.2.1ZigBee4.2.2Bluetooth4.2.3UWB4.2.460GHz4.2.1ZigBee 图图 4-6 短距离无线通信技术一览短距离无线通信技术一览1ZigBee的来源与优势的来源与优势ZigBee技术的名字来源于蜂群使用的技术的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式。赖以生存和

39、发展的通信方式。ZigBee是基于是基于IEEE802.15.4无线标准无线标准研制开发的。研制开发的。802.15.4仅仅定义了物理层和仅仅定义了物理层和MAC层，并不足以保证不同的设备之间可层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了以对话，于是便有了ZigBee。ZigBee技术具有以下优势：技术具有以下优势：（1）低功耗）低功耗ZigBee主要通过降低传输的数据量、主要通过降低传输的数据量、降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率、降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率、降低帧开销以及实行严格的功率管理机制降低帧开销以及实行严格的功率管理机制来降低设备的功耗。来降低设备的功耗。（2）工

40、作可靠工作可靠ZigBee采用了载波侦听多址采用了载波侦听多址/冲突避免冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手）的信道接入方式和完全握手协议。协议。MAC层采用了回复确认的数据传输机层采用了回复确认的数据传输机制，提高了可靠性。制，提高了可靠性。（3）成本低成本低主机芯片成本低，其他终端成本低。主机芯片成本低，其他终端成本低。（4）网络容量大）网络容量大每个每个ZigBee网络最多可支持网络最多可支持65000个节个节点。点。（5）有效范围大）有效范围大可多级拓展。可多级拓展。（6）时延短）时延短对时延敏感的应用做了优化。对时延敏感的应用做了优化。（7）优良的拓扑能力）优良的拓扑能

41、力ZigBee具有组成星、网和簇树网络结具有组成星、网和簇树网络结构能力。还具有无线网络自愈能力。构能力。还具有无线网络自愈能力。（8）安全性较好）安全性较好ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权提供了数据完整性检查和鉴权能力，加密算法采用通用的能力，加密算法采用通用的AES-128。（9）工作频段灵活）工作频段灵活使用的频段分别为使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照（美国），均为免执照频段。频段。2ZigBee的协议架构的协议架构（1）ZigBee的网络组成和网络拓扑的网络组成和网络拓扑利用利用ZigBee技术组成的无线个人局域技术组

42、成的无线个人局域网（网（WPAN）是一种低速率的无线个人区）是一种低速率的无线个人区域网（域网（LR-WPAN）。）。LR-WPAN网状结构简单、成本低廉，网状结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。具有有限的功率和灵活的吞吐量。在一个在一个LR-WPAN网络中，可同时存在网络中，可同时存在两种不同类型的设备两种不同类型的设备:全功能设备（全功能设备（FullFunctionalDevice，FFD）精简功能设备（精简功能设备（ReducedFunctionDevice，RFD）。）。FFD通常有通常有3种状态：种状态：作为一个主协调器；作为一个主协调器；作为一个协调器；作为一个协调

43、器；作为一个终端设备。作为一个终端设备。一个一个FFD可以同时和多个可以同时和多个RFD或多个或多个其他的其他的FFD通信，而通信，而RFD只能和一个只能和一个FFD进行通信。进行通信。RFD的应用非常简单，容易实现，且的应用非常简单，容易实现，且RFD仅需要使用较小的资源和存储空间，仅需要使用较小的资源和存储空间，这样就可非常容易地组建一个低成本、低这样就可非常容易地组建一个低成本、低功耗的无线通信网络。功耗的无线通信网络。 图图 4-7 ZigBee技术的三种网络拓扑结构技术的三种网络拓扑结构ZigBee支持支持3种拓扑结构，如图种拓扑结构，如图4-7所示，所示，包括星形、网状形和簇树形结

44、构。包括星形、网状形和簇树形结构。在星形拓扑结构中，整个网络由一个在星形拓扑结构中，整个网络由一个网络协调器来控制。在网状形和簇树形拓网络协调器来控制。在网状形和簇树形拓扑结构中，扑结构中，ZigBee协调器负责启动网络以协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数。及选择关键的网络参数。星形网络是一种常用且适用于长期运星形网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络；网状形网络是一种高行使用操作的网络；网状形网络是一种高可靠性监测网络；簇树形网络是星形和网可靠性监测网络；簇树形网络是星形和网状形的混合型拓扑网络，结合了上述两种状形的混合型拓扑网络，结合了上述两种拓扑的优点。拓扑的优点。可以根据实

45、际应用需要来选择合适的可以根据实际应用需要来选择合适的网络结构。网络结构。（2）ZigBee的协议架构的协议架构ZigBee的协议架构如图的协议架构如图4-8所示，采用所示，采用了了IEEE802.15.4制定的物理层和制定的物理层和MAC层作层作为为ZigBee技术的物理层和技术的物理层和MAC层。层。 图图 4-8 ZigBee协议架构示意图协议架构示意图（3）IEEE802.15.4协议协议IEEE802.15.4标准定义了标准定义了ZigBee物理物理层和层和MAC子层，符合开放系统互联模型子层，符合开放系统互联模型（OSI）。）。IEEE802.15.4的物理层提供两类服务：的物理层

46、提供两类服务：物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务和物理层管理服务。物理层功能包括无线收发信机的开启和物理层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测（关闭、能量检测（ED）链路质量指示）链路质量指示（LQI）、信道评估（）、信道评估（CCA）和通过物理）和通过物理媒体收发数据包。媒体收发数据包。 图图 4-9 IEEE 802.15.4中两个不同的物理层中两个不同的物理层如图如图4-9所示，所示，IEEE802.15.4定义了定义了两种不同工作频段的物理层：两种不同工作频段的物理层：868/915MHz和和2450MHz。表表4-1给出了各国对给出了各国对ZigBee频率工作范频率

47、工作范围的划分。围的划分。工作频率范围工作频率范围/MHz/MHz频频段段类类型型国家和地区国家和地区868868.6ISM欧洲欧洲902928ISM北美北美24002483.5ISM全球全球 表表 4-1 各个国家和地区各个国家和地区ZigBee频率工作范围频率工作范围由于各个国家和地区采用的工作频率由于各个国家和地区采用的工作频率范围不同，为了提高数据传输速率，范围不同，为了提高数据传输速率，IEEE802.15.4对于不同的频率范围，规定了不同对于不同的频率范围，规定了不同的调制方式。具体的内容如表的调制方式。具体的内容如表4-2所示。所示。 表表 4-2 各个国家和地区各个国家和地区Z

48、igBee频率工作范围频率工作范围频段频段（MHz）扩扩展展参参数数数数据据参参数数码片速率码片速率（kchip/s）调调制制比特速率比特速率（kbit/s）符号速率符号速率（kBaud/s）符符号号868868.6300BPSK2020二进制二进制902928600BPSK4040二进制二进制24002483.52000O-QPSK25062.516相正交相正交（4）ZigBee的上层协议的上层协议应用层包括应用层包括3个组成部分：个组成部分：应用支持子层（应用支持子层（APS）应用框架应用框架ZigBee设备对象（设备对象（ZDO）ZigBee中定义了中定义了3种密钥：种密钥：网络密钥网络

49、密钥-用在数据链路层、网络层和应用用在数据链路层、网络层和应用层中。层中。链路密钥链路密钥-应用在应用层。应用在应用层。主密钥主密钥-应用在应用层。应用在应用层。3ZigBee技术在物联网中的应用技术在物联网中的应用（1 1）家庭自动化）家庭自动化 图图 4-10 ZigBee在家庭自动化中的应用在家庭自动化中的应用（2 2）无线定位）无线定位 图图 4-11 ZigBee在无线定位中的应用在无线定位中的应用（3 3）工业领域）工业领域 图图 4-12 ZigBee在智能能源中的应用在智能能源中的应用4.2.2Bluetooth1Bluetooth的来源与特点的来源与特点 爱立信、爱立信、IB

50、M、Intel、Nokia和东芝五和东芝五家公司于家公司于19981998年年5 5月联合成立了月联合成立了Bluetooth（蓝牙）特别兴趣小组（蓝牙）特别兴趣小组（BluetoothSpecialInterestGroup，BSIG），并制订了短距离），并制订了短距离无线通信技术标准无线通信技术标准蓝牙技术。蓝牙技术。所谓蓝牙（所谓蓝牙（Bluetooth）技术，实际上）技术，实际上是一种短距离无线电技术。是一种短距离无线电技术。蓝牙技术利用短距离、低成本的无线蓝牙技术利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的数据连接替代了电缆连接，从而为现存的数据网络和小型的外围设备提供了

51、统一的连接网络和小型的外围设备提供了统一的连接。Bluetooth的主要技术特点：的主要技术特点：（1）拓扑结构）拓扑结构蓝牙技术支持点对点或点对多点的话蓝牙技术支持点对点或点对多点的话音、数据业务音、数据业务，采用一种灵活的无基站采用一种灵活的无基站的组网方式，如图的组网方式，如图4-13和图和图4-14所示。所示。 图图 4-13 多个多个 蓝牙设备组成的微微网蓝牙设备组成的微微网 图图 4-14 多个微微网组成的散射网多个微微网组成的散射网（2）系统组成）系统组成蓝牙系统一般由天线单元、链路控制蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（硬件）、链路管理（软件）和蓝牙软件（硬件）、链路管理（软件）

52、和蓝牙软件（协议）等（协议）等4个功能模块组成。个功能模块组成。如图如图4-15所示：所示： 图图 4-15 蓝牙系统的组成蓝牙系统的组成天线部分体积小巧，属于微带天线。天线部分体积小巧，属于微带天线。链路控制器（链路控制器（LC）的单元包括）的单元包括3个集成芯个集成芯片：连接控制器、基带处理器以及射频传片：连接控制器、基带处理器以及射频传输输/接收器，此外，还使用了单独调谐元件接收器，此外，还使用了单独调谐元件。链路管理（链路管理（LM）提供的服务有：）提供的服务有：发送和接收数据、请求名称、链路地址查发送和接收数据、请求名称、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建询、建立连接、鉴

53、权、链路模式协商和建立、决定帧的类型等。立、决定帧的类型等。（3）射频特性）射频特性蓝牙设备的工作频段选在全球通用的蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4GHz的的ISM（工业、科学、医学）频段（工业、科学、医学）频段。频道采用。频道采用23个或个或79个，频道间隔均为个，频道间隔均为1MHz。采用时分双工方式。采用时分双工方式。蓝牙的无线发射机采用蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，调制方式，从而能降低设备的复杂性。从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为最大发射功率分为3个等级，个等级，100mW（20dBm），），2.5mW（4dBm），），1mW（0dBm），蓝牙设备之间的有效通信距），

54、蓝牙设备之间的有效通信距离大约为离大约为10100m。（4）跳频技术）跳频技术跳频是指在接收或发送一分组数据后，跳频是指在接收或发送一分组数据后，即跳至另一频点。即跳至另一频点。（5）TDMA结构结构蓝牙的数据传输率为蓝牙的数据传输率为1Mbit/s，采用数，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙据包的形式按时隙传送，每时隙0.625s。蓝牙系统支持实时的同步定向联接和蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，分别为非实时的异步不定向联接，分别为SCO链链路和路和ACL链路。链路。前者主要传送话音等实时性强的信息前者主要传送话音等实时性强的信息，后者则以数据为主。，后者则以数据为主。

55、（6）软件的层次结构）软件的层次结构底层为各类应用所通用，高层则视具底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同。体应用而有所不同。（7）纠错技术）纠错技术蓝牙系统的纠错机制分为前向纠错编蓝牙系统的纠错机制分为前向纠错编码（码（FEC）和包重发（）和包重发（ARQ），支持），支持1/3率和率和2/3率率FEC编码。编码。（8）编码安全）编码安全蓝牙技术在物理层、链路层、业务层蓝牙技术在物理层、链路层、业务层3个层次上提供安全措施，充分保证通信个层次上提供安全措施，充分保证通信的保密性。蓝牙规范公布的主要技术指的保密性。蓝牙规范公布的主要技术指标和系统参数如表标和系统参数如表4-3所示。所示

56、。指指标标类类型型系系统统参参数数工作频段工作频段ISM频段，频段，2.4022.480GHz双工方式双工方式全双工，全双工，TDD时分双工时分双工业务类型业务类型支持电路交换和分组交换业务支持电路交换和分组交换业务数据速率数据速率异步信道速率异步信道速率同步信道速率同步信道速率1Mbit/s非对称连接为非对称连接为721kbit/s、57.6kbit/s，对称连接为，对称连接为432.6kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率规范支持更高的速率64kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率规范支持更高的速率功率功率美国美国FCC要求小于要求小于0dBm（1mW），其他国家可扩展为）

57、，其他国家可扩展为100mW跳频频率数跳频频率数79个频点个频点/MHz跳频速率跳频速率1600跳跳/秒秒工作模式工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式数据连接方式面向连接业务（面向连接业务（SCO），无连接业务（），无连接业务（ACL）纠错方式纠错方式1/3FEC、2/3FEC、ARQ等等信道加密信道加密采用采用0位、位、40位和位和60位密钥位密钥发射距离发射距离一般可达一般可达10cm10m，增加功率的情况下可达，增加功率的情况下可达100m 表表 4-3 主要技术指标和系统参数主要技术指标和系统参数2Bluetooth协议体系结构协议体系结构 图图 4-16 蓝牙协议栈蓝牙

58、协议栈蓝牙的协议体系分为四层：核心协议蓝牙的协议体系分为四层：核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层层、替代电缆协议层、电话控制协议层和可选协议。和可选协议。除了以上这些协议，在基带控制器、除了以上这些协议，在基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供主机控制器命令接口。存器等提供主机控制器命令接口。蓝牙核心协议由蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙指定制定的蓝牙指定协议组成，而其他协议则根据应用的需协议组成，而其他协议则根据应用的需要而定。因此，下面主要介绍蓝牙核心要而定。因此，下面主要介绍蓝牙核心协议。协议。（1）基带协议：基带协议为两个或多个

59、）基带协议：基带协议为两个或多个蓝牙单元之间建立物理射频连接。蓝牙单元之间建立物理射频连接。（2）链路管理协议（）链路管理协议（LMP）：链路管）：链路管理协议管理基带层内主从网络的运行，负理协议管理基带层内主从网络的运行，负责两个或多个设备之间的链路设置和控制责两个或多个设备之间的链路设置和控制，包括传递验证和加密，管理链路密钥。，包括传递验证和加密，管理链路密钥。（3）逻辑链路控制和适配协议）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）：位于基带协议之上，为低）：位于基带协议之上，为低层的数据服务，向上层提供面向连接和层的数据服务，向上层提供面向连接和无连接的数据服务。无连接的数据服务。（4）服务

60、发现协议（）服务发现协议（SDP）：使用）：使用SDP，可以查询到设备和服务类型，从而，可以查询到设备和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。在蓝牙设备间建立相应的连接。3Bluetooth的应用及产品的应用及产品蓝牙蓝牙SIG中定义了几种基本的应用模型中定义了几种基本的应用模型，主要包括文件传输、，主要包括文件传输、Internet网桥、局域网桥、局域网接入、同步、三合一电话（网接入、同步、三合一电话（three-in-onephone）和终端耳机等。）和终端耳机等。在实际生活中，蓝牙的应用也是十在实际生活中，蓝牙的应用也是十分广泛的，涉及到居家、工作、娱乐等分广泛的，涉及到居家、工作、

61、娱乐等方面。方面。市面上的蓝牙产品主要包括蓝牙耳机市面上的蓝牙产品主要包括蓝牙耳机、蓝牙适配器、车载蓝牙多媒体系统、车、蓝牙适配器、车载蓝牙多媒体系统、车载蓝牙电话、蓝牙键盘和鼠标、蓝牙网关载蓝牙电话、蓝牙键盘和鼠标、蓝牙网关、蓝牙无线条码扫描枪等。、蓝牙无线条码扫描枪等。我们可以利用蓝牙技术来连接其他我们可以利用蓝牙技术来连接其他的无线设备、下载照片、进行多人游戏，的无线设备、下载照片、进行多人游戏，甚至可以进行自动存取款、订票。这可甚至可以进行自动存取款、订票。这可以为我们的生活带来极大的便利，使得以为我们的生活带来极大的便利，使得物物联网的概念成为现实。物物联网的概念成为现实。2010年

62、年7月，蓝牙技术联盟月，蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）宣布正式采纳蓝牙）宣布正式采纳蓝牙4.0核心规范，并启动对应的认证计划。核心规范，并启动对应的认证计划。蓝牙蓝牙4.0的标志性特色是的标志性特色是2009年底宣年底宣布的低功耗蓝牙无线技术规范。预计支布的低功耗蓝牙无线技术规范。预计支持蓝牙持蓝牙4.0标准的设备将于标准的设备将于2010年底或年底或2011年初批量上市。年初批量上市。4.2.3超宽带超宽带UWB超宽带技术产生原因超宽带技术产生原因传统的无线传输技术一般都是带宽受传统的无线传输技术一般都是带宽受限的，系统带宽通常在限的，系统带宽通常在20MHz以下，可以下，可用频谱

63、资源有限和信道的多径衰落特征用频谱资源有限和信道的多径衰落特征是限制传输速率的主要瓶颈。是限制传输速率的主要瓶颈。发展发展20世纪世纪60年代年代-主要用于主要用于军事目的，如军事目的，如高功率雷达和保密通信高功率雷达和保密通信1989年年-美国国防部美国国防部提出提出“超宽带超宽带”2002年年2月月-FCC批准将该技术应用于民批准将该技术应用于民用系统用系统，并划分了免授权使用频段并划分了免授权使用频段超宽带（超宽带（Ultra Wide BandUltra Wide Band，UWBUWB）若一个信号在若一个信号在20dB处的处的绝对带宽大于绝对带宽大于1.5GHz或或相对带宽大于相对带

64、宽大于25%，则这个信，则这个信号就是超宽带信号号就是超宽带信号.两方面限制两方面限制：绝对带宽绝对带宽（AbsoluteBandwidth）或者或者相对带宽相对带宽（FractionalBandwidth）特征特征该该技术的显著特征则是采用技术的显著特征则是采用500MHz至几个吉赫兹至几个吉赫兹的带宽进行高速数据传输，的带宽进行高速数据传输，在在10m距离内提供高达距离内提供高达100Mbit/s以上，以上，甚至甚至1Gbit/s的传输速率，同时与现有窄的传输速率，同时与现有窄带无线系统很好地共存。带无线系统很好地共存。绝对带宽绝对带宽绝对带宽绝对带宽（Absolute Bandwidth

65、Absolute BandwidthAbsolute BandwidthAbsolute Bandwidth）绝对带宽是指信号功率谱最大绝对带宽是指信号功率谱最大值两侧某滚降点对应的上截止值两侧某滚降点对应的上截止频率频率 与下截止频率与下截止频率 之差。之差。注：实际应用中，绝对带宽有3dB绝对带宽、20dB绝对带宽等不同选择。图：绝对带宽的定义（PSD：信号功率谱密度）相对带宽相对带宽相对带宽相对带宽（Fractional BandwidthFractional BandwidthFractional BandwidthFractional Bandwidth） 相对带宽是指绝对带宽与中心

66、频率之比。由于超宽带系统经常采用无正弦载波调制的窄脉冲信号承载信息，中心频率并非通常意义上的载波频率，而是上、下截止频率的均值 。中心频率中心频率：例如，以10dB绝对带宽计算 的相对带宽为：注：FCC规定UWB信号为绝对带宽 大于500MHz或相对带宽大于20%的无线电信号。相对带宽相对带宽相对带宽相对带宽（Fractional BandwidthFractional BandwidthFractional BandwidthFractional Bandwidth）FCC Part15FCC Part15规定规定：UWB通信系统可使用的免授权频段为通信系统可使用的免授权频段为3.110.6

67、GHz共共7.5GHz带宽带宽信号最高功率谱密度为信号最高功率谱密度为41.3dBm/MHz4.2.3.14.2.3.1超宽带的技术特点超宽带的技术特点超宽的信号带宽超宽的信号带宽极低的发射功率谱密度极低的发射功率谱密度（1）传输速率高）传输速率高（2）通信距离短）通信距离短（3）系统共存性好，通信保密度高）系统共存性好，通信保密度高（4）定精度极高，抗多径能力强）定精度极高，抗多径能力强（5）体积小、功耗低位）体积小、功耗低位（1 1）传输速率高）传输速率高UWB系统使用高达系统使用高达500MHz7.5GHz的带宽，根据香农信道容量公式，的带宽，根据香农信道容量公式，即使发射功率很低，也可

68、以在短距离上即使发射功率很低，也可以在短距离上实现高达几百兆至实现高达几百兆至1Gbit/s的传输速率。的传输速率。（2 2）通信距离短）通信距离短高频信号衰落更快，这导致高频信号衰落更快，这导致UWB信信号产生严重的失真。号产生严重的失真。研究表明研究表明:当收发信机之间距离小于当收发信机之间距离小于10m时，时，UWB系统的信道容量系统的信道容量高于传统的窄带系统高于传统的窄带系统;当当收发信机之间距离超过收发信机之间距离超过12m时，时，UWB系统在信道容量系统在信道容量上的优势将不复存在。上的优势将不复存在。（3 3）系统共存性好，通信保密度高）系统共存性好，通信保密度高极低的功率谱密

69、度极低的功率谱密度（上限仅为上限仅为41.3dBm/MHz）噪声电平噪声电平低，低，与传统的窄带系统有着良与传统的窄带系统有着良好的共存性好的共存性具有很强的隐蔽性具有很强的隐蔽性（4 4）定精度极高，抗多径能力强）定精度极高，抗多径能力强脉冲宽度一般在亚纳秒级脉冲宽度一般在亚纳秒级很强的穿很强的穿透力，透力，高精度测距和定位能力高精度测距和定位能力抗多径能力强抗多径能力强（5 5）体积小、功耗低位）体积小、功耗低位传统的传统的UWB技术无需正弦载波，收发技术无需正弦载波，收发信机不需要复杂的载频调制解调电路和信机不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器等。因此，可以大大降低系统复滤波器等。因此，

70、可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。杂度，减小收发信机体积和功耗。超宽带超宽带系统系统两大特征：两大特征：高速率高速率短距离短距离超宽带的应用范围超宽带的应用范围在在通信领域通信领域应用：应用：组建高速局部物联网组建高速局部物联网；无线个域网和家庭无线网络无线个域网和家庭无线网络；作为各种设备之间的高速通信接口作为各种设备之间的高速通信接口。（1 1）短距离点到点通信）短距离点到点通信各种移动设备之间的高速信息传输，各种移动设备之间的高速信息传输，例如例如PDA、MP3、可视电话、可视电话、3G手机等手机等设备之间的短距离点到点通信，包括多设备之间的短距离点到点通信，包括多媒体文件

71、传输、游戏互动等。媒体文件传输、游戏互动等。（2 2）设备间设备间无线连接无线连接桌面桌面PC、笔记本电脑、移动设备与各、笔记本电脑、移动设备与各种外设之间的无线连接，例如与打印机、种外设之间的无线连接，例如与打印机、扫描仪、存储设备等的无线连接。扫描仪、存储设备等的无线连接。（3 3）数据数据传输传输数字电视、家庭影院、数字电视、家庭影院、DVD机、投影机、投影机、数码相机、机顶盒等家用电子设备机、数码相机、机顶盒等家用电子设备之间的可视文件和数据流的传输。之间的可视文件和数据流的传输。4 4）系统管理系统管理结合结合UWB高精度的定位能力，应用企高精度的定位能力，应用企业仓储管理和智能交通

72、等各类物联网系业仓储管理和智能交通等各类物联网系统中，为精准的存货追踪管理、汽车防统中，为精准的存货追踪管理、汽车防撞系统、测速、收费系统提供解决方案撞系统、测速、收费系统提供解决方案。5 5）其他应用）其他应用窄脉冲具有很强的穿透各种障碍物，窄脉冲具有很强的穿透各种障碍物，例如墙壁和地板的能力。例如墙壁和地板的能力。UWB技术还能技术还能实现隔墙成像，因此具有比红外通信更实现隔墙成像，因此具有比红外通信更为广泛的应用，例如在军事、勘探、安为广泛的应用，例如在军事、勘探、安全等领域。全等领域。4.2.3.24.2.3.2脉冲无线电技术脉冲无线电技术早期超宽带系统的代名词，专指采用冲激脉冲早期超

73、宽带系统的代名词，专指采用冲激脉冲（超短脉冲）作为信息载体的非正弦载波无线电技术。（超短脉冲）作为信息载体的非正弦载波无线电技术。该技术有别于传统使用正弦载波的窄带无线系统，属该技术有别于传统使用正弦载波的窄带无线系统，属于基带、无载波通信的范畴。于基带、无载波通信的范畴。脉冲无线电（脉冲无线电（Impulse Radio）：（1 1）常用脉冲波形）常用脉冲波形功率谱的形状取决于脉冲信号的形状。功率谱的形状取决于脉冲信号的形状。因此，典型的因此，典型的UWB脉冲是高斯双叶脉冲脉冲是高斯双叶脉冲（GaussianDoublet），这种脉冲因为生），这种脉冲因为生成容易而被经常使用。成容易而被经常

74、使用。（2 2）基于脉冲调制的超宽带系统）基于脉冲调制的超宽带系统UWB系统常用的调制方式包括脉位调系统常用的调制方式包括脉位调制（制（PPM）、脉幅调制（）、脉幅调制（PAM）和二相）和二相调制（调制（BPSK）。）。脉位调制（脉位调制（PPMPPM）PPM通过改变发射脉冲的时间间隔或通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息，它的优点就是简单，但是需要比信息，它的优点就是简单，但是需要比较精确的时间控制。较精确的时间控制。脉幅调制（脉幅调制（PAMPAM）PAM通过改变脉冲幅度的大小来传递通过改变脉冲幅度的大小来传递信息，它可以改变

75、脉冲幅度的极性，也信息，它可以改变脉冲幅度的极性，也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。通常所讲的常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值，只改变脉冲幅度的绝对值，即即OOK（On-offKeying）。）。二相调制（二相调制（BPSKBPSK）BPSK通过改变脉冲的正负极性来调通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相制二元信息，所有脉冲幅度的绝对值相同。使用二相调制的一个原因就是在抗同。使用二相调制的一个原因就是在抗噪性能上它有优于噪性能上它有优于PPM的的3dB增益。增益。OOKOOK和和PPMPPM比较比较优点优点：可以通过非相干检测恢复信息

76、可以通过非相干检测恢复信息；缺点缺点：经过这些方式调制的脉冲信号将出经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。现线谱。3 3种典型的超宽带脉冲无线电系统种典型的超宽带脉冲无线电系统多址与调制方式相结合，可以得到多址与调制方式相结合，可以得到3种典型的超宽带脉冲无线电系统，即种典型的超宽带脉冲无线电系统，即TH-PPM、TH-PAM和和DS-BPSK。4.2.3.34.2.3.3多带多带OFDMOFDM（MB-MB-OFDMOFDM）超宽带技术）超宽带技术在在2002年年FCC规定了规定了UWB通信的频通信的频谱使用范围和功率限制后，全球各大消谱使用范围和功率限制后，全球各大消费电子类公司及其研究人

77、员从传统窄带费电子类公司及其研究人员从传统窄带无线通信的角度出发，提出了有别于基无线通信的角度出发，提出了有别于基带窄脉冲形式的带通载波调制超宽带方带窄脉冲形式的带通载波调制超宽带方案案MB-OFDM（MultiBandOFDM）。）。带通载波调制超宽带方案带通载波调制超宽带方案MB-MB-OFDMOFDM方案方案2005年年3月，欧洲计算机制造商协会月，欧洲计算机制造商协会（ECMA）发布了基于）发布了基于MB-OFDM方案方案的的ECMA-368和和ECMA-369标准。上述标标准。上述标准于准于2007年通过年通过ISO认证，正式成为第一认证，正式成为第一个个UWB的国际标准。的国际标准

78、。ECMA-368ECMA-368协议协议ECMA-368协议规定了用于高速短距协议规定了用于高速短距离无线网络的离无线网络的UWB系统的物理层与系统的物理层与MAC层的特性，使用频段为层的特性，使用频段为3.110.6GHz，最高速率可以达到最高速率可以达到480Mbit/s。（1 1）帧结构）帧结构ECMA-368协议里的帧结构是由物理协议里的帧结构是由物理层汇聚协议（层汇聚协议（PLCP）前导、）前导、PLCP头和头和物理层服务数据单元（物理层服务数据单元（PSDU）三部分）三部分组成的组成的PLCP协议数据单元（协议数据单元（PPDU）。PPDU结构图PLCP（Physical Lay

79、er Convergence Protocol：物理层汇聚协议）PSDU（PHY Service Data Unit，物理层服务数据单元）PPDU（PLCP Protocol Data Unit，PLCP协议数据单元）PLCPPLCP前导前导分类及结构分类及结构PLCP前导有标准和突发两种类型。前导有标准和突发两种类型。PLCP前导的结构分为同步序列和信道估前导的结构分为同步序列和信道估计序列两段计序列两段。同步序列长度同步序列长度:标准类型为标准类型为24个个OFDM符号，突发类型为符号，突发类型为12个个OFDM符符号号;信道估计序列长度信道估计序列长度:两种类型两种类型均均为为6个个OF

80、DM符号。符号。（2 2）编码和调制）编码和调制PPDU的数据经过编码调制过程后形的数据经过编码调制过程后形成成OFDM时域信号，再经过射频发送到时域信号，再经过射频发送到信道中。信道中。PPDUPPDU数据编码数据编码其中其中PLCP前导直接是时域信号，不前导直接是时域信号，不用经过编码和调制直接形成用经过编码和调制直接形成OFDM信号，信号，PLCP头与头与PSDU部分则经过部分则经过上上图所示的图所示的过程形成过程形成OFDM符号。符号。双载波调制（双载波调制（DCMDCM）它把它把4个交织后的比特同时映射到两个交织后的比特同时映射到两个个16进制（进制（16点）的符号中，接下来把点）的

81、符号中，接下来把两个十六进制的符号映射到间隔两个十六进制的符号映射到间隔50个子个子载波的两个子载波中。载波的两个子载波中。（3 3）子带划分）子带划分在物理层上，该协议将频谱划分为在物理层上，该协议将频谱划分为14个带宽为个带宽为528MHz的子带，这的子带，这14个频带又个频带又分为分为5组，其中前组，其中前4组内各含有组内各含有3个子带，个子带，第第5组内含有组内含有2个子带。个子带。实际方案中，先期仅采用实际方案中，先期仅采用3.1684.752GHz的的3个子带，在每个子频带上，个子带，在每个子频带上，信息采用信息采用128点点IFFT/FFT的的OFDM调制。调制。时频码（时频码（

82、Time-Frequency CodeTime-Frequency Code，TFCTFC），），MB-OFDM定义了定义了7组时频码，其中组时频码，其中包括包括4组跳频与组跳频与3组定频模式，跳频模式组定频模式，跳频模式可使两个未经协调的微微网（可使两个未经协调的微微网（piconet）之间的干扰减小。之间的干扰减小。6个符号时隙周期的时频码4.2.460GHz60GHz60GHz技术产生背景技术产生背景从理论上看，要进一步提升系统容量，从理论上看，要进一步提升系统容量，增加带宽势在必行。但是增加带宽势在必行。但是10GHz以下无以下无线频谱分配拥挤不堪的现状已完全排除线频谱分配拥挤不堪的现

83、状已完全排除了这种可能，因此，要实现超高速无线了这种可能，因此，要实现超高速无线数据传输还需开辟新的频谱资源。数据传输还需开辟新的频谱资源。各国各国60GHz60GHz频段频段北美和韩国开放了北美和韩国开放了5764GHz；欧洲和日本开放了欧洲和日本开放了5966GHz；澳大利亚开放了澳大利亚开放了59.462.9GHz；中国目前也开放了中国目前也开放了5964GHz的频段。的频段。各国和地区对60GHz频谱的划分可以看出，在各国和地区开放的频谱中，大约有可以看出，在各国和地区开放的频谱中，大约有5GHz的重合的重合4.2.4.1 60GHz4.2.4.1 60GHz通信的技术特点通信的技术特

84、点（1）60GHz信号传播特性信号传播特性极大的路径损耗极大的路径损耗氧气吸收损耗高氧气吸收损耗高绕射能力差，穿透性差绕射能力差，穿透性差 下表对比了各种材料对毫米波和低频电磁波的穿透损耗。此外，测量显示PC显示器之类的金属物体对60GHz信号的衰减在40dB以上。（2）60GHz无线通信技术特点无线通信技术特点定向发射和接收定向发射和接收多跳中继多跳中继空间复用空间复用单载波调制与单载波调制与OFDM 定向发射和接收定向发射和接收定向发射和接收定向发射和接收首先首先能显著减小信号能显著减小信号多径时延扩展多径时延扩展；其次，定向发射意味着其次，定向发射意味着干扰区域的减小，同时毫米波的高衰减

85、干扰区域的减小，同时毫米波的高衰减特性也缩短了信号的干扰距离，不同链特性也缩短了信号的干扰距离，不同链路之间的干扰大为降低。路之间的干扰大为降低。 多跳中继多跳中继为了扩大为了扩大60GHz网络覆盖范围并保持网络覆盖范围并保持足够高的强健性，可以借助中继利用协足够高的强健性，可以借助中继利用协同或多跳等方式来进行组网。同或多跳等方式来进行组网。有实验表明有实验表明4跳跳60GHz系统已可实现系统已可实现与与WLAN相同的覆盖范围，并保持每秒相同的覆盖范围，并保持每秒数吉比特的超高速率。数吉比特的超高速率。 空间复用空间复用允许多条同频通信链路在同一空间内允许多条同频通信链路在同一空间内共存，从

86、而有效提升网络容量共存，从而有效提升网络容量。 单载波调制与单载波调制与OFDMOFDM在在60GHz物理层技术方案的选择上，物理层技术方案的选择上，目前有单载波调制和目前有单载波调制和OFDM两大备选技两大备选技术术。可以根据不同的应用和场景结合使可以根据不同的应用和场景结合使用用60GHz60GHz标准化进程标准化进程（1）WirelessHD（2）WiGig（3）ECMA（4）IEEE802.15.3c（TG3c）（5）IEEE802.11ad（TGad）IEEE 802.15.3cIEEE 802.15.3c协议简介协议简介（1）802.15.3的微微网的微微网802.15.3协议所定

87、义的微协议所定义的微微网的结构如微网的结构如右右图所示，图所示，是一个基于中央控制的是一个基于中央控制的自组织网络。自组织网络。通常微微网的通信范围在10m以内，基本元素是设备（DEV），设备间可以独立的进行数据通信。网协调器网协调器PNCPNCPNC的主要作用之一就是传送带有微的主要作用之一就是传送带有微微网信息的信标（微网信息的信标（Beacon），以信标形），以信标形式为微微网提供基本定时功能，并负责式为微微网提供基本定时功能，并负责服务质量请求、功率节省和访问控制等服务质量请求、功率节省和访问控制等功能。功能。微微网微微网工作过程（工作过程（1 1）- -建立建立微微网在初始化时，会选

88、择其中一个微微网在初始化时，会选择其中一个DEV充当微微网协调器充当微微网协调器PNC（PiconetCoordinator）。当）。当802.15.3微微网中的某微微网中的某一个一个DEV能够充当能够充当PNC开始发送信标时，开始发送信标时，就认为微微网形成了。就认为微微网形成了。微微网微微网工作过程（工作过程（2 2）- -加入加入DEV通过关联过程加入微微网，通过关联过程加入微微网，PNC会广播微微网内所有会广播微微网内所有DEV的信息，的信息，并将新的并将新的DEV信息放到信标中，从而使信息放到信标中，从而使网内其他网内其他DEV和新加入的和新加入的DEV知道彼此知道彼此的信息。的信息

89、。微微网微微网工作过程（工作过程（3 3）- -断开断开如果如果PNC将要离开网络并且微微网将要离开网络并且微微网中的其他中的其他DEV都没有能力成为都没有能力成为PNC来协来协调网络时，调网络时，PNC将会通过发送带有将会通过发送带有PNC中断信息的信标通知微微网中的其他中断信息的信标通知微微网中的其他DEV，微微网将结束工作。，微微网将结束工作。（2）物理层）物理层为了适应于不同的应用，为了适应于不同的应用，IEEE802.15.3c中定义了中定义了3种物理层模式。种物理层模式。SingleCarrier（SC）HighSpeedInterface（HSI）OFDMAudio/Video（

90、AV）OFDM（3）MAC层层802.15.3超帧结构超帧结构超帧（超帧（superframe）是微微网中时间划）是微微网中时间划分的基本单位，其结构如图分的基本单位，其结构如图4-24所示所示：图4-24 802.15.3微微网超帧结构信标信标信标的位置是在每一个超帧的开始，信标的位置是在每一个超帧的开始，主要用于设定时间分配和交互管理信息。主要用于设定时间分配和交互管理信息。竞争接入期（竞争接入期（CAPCAP）采用采用CSMA/CA机制来竞争信道资源，机制来竞争信道资源，用于交互命令和（或）异步数据。信道用于交互命令和（或）异步数据。信道时间分配期（时间分配期（CTAP）又包括信道时间分

91、）又包括信道时间分配（配（ChannelTimeAllocation，CTA）和）和管理信道时间分配（管理信道时间分配（ManagementCTA，MCTA）。）。信道时间分配期信道时间分配期CTAP中采用的是时分多址（中采用的是时分多址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）的信）的信道接入方式，道接入方式，MTCA只适用于只适用于DEV和和PNC之间的通信之间的通信信道时间分配信道时间分配CTACTACTA可以用于传输同步数据流以及可以用于传输同步数据流以及异步数据流。它的长度由异步数据流。它的长度由PNC根据根据DEV所发送的信道时间请求命令而决定。所发送的信道

92、时间请求命令而决定。CTA在超帧中的位置是可以动态改变在超帧中的位置是可以动态改变的，这样的，这样PNC可以灵活地分配可以灵活地分配CTA的时的时间给间给DEV，从而提高信道资源的利用率。，从而提高信道资源的利用率。802.15.3c超帧结构超帧结构全向模式（全向模式（omnimode）和准全向模）和准全向模式（式（quasi-omnimode）的概念。）的概念。全向模式全向模式全向模式是指设备使用全向天线进行全向模式是指设备使用全向天线进行通信，这时通信，这时802.15.3c的帧结构与的帧结构与802.15.3中相同。中相同。准全向模式准全向模式准全向模式是分辨率最低的模式，通准全向模式是

93、分辨率最低的模式，通常指覆盖设备周围很大区域一种天线模常指覆盖设备周围很大区域一种天线模式（也包括这个设备作为式（也包括这个设备作为PNC时）。时）。IEEE 802.15.3c中的超帧结构准全向信标准全向信标准全向信标（准全向信标（Quasi-omnibeacon）是指）是指在准全向模式时，在准全向模式时，PNC采用循环的方式采用循环的方式在不同的方向上发送同样的信标，使得在不同的方向上发送同样的信标，使得在不同方向的设备均可以加入同一个微在不同方向的设备均可以加入同一个微微网。微网。竞争接入期竞争接入期竞争接入期又分为竞争接入期又分为3部分：部分：关联子竞争接入期（关联子竞争接入期（Ass

94、ociationS-CAP）定期子竞争接入期（定期子竞争接入期（RegularS-CAP）定期竞争接入期（定期竞争接入期（AssociationCAP）ECMA-387ECMA-387简介简介（1）频段规划）频段规划ECMA-387指定了指定了4个频段，每一个的个频段，每一个的宽度为宽度为2.160GHz，符号速率为，符号速率为1.728Gsymbol/s，这对所有的设备都是相，这对所有的设备都是相同的。同的。标准支持两个相邻信道的绑定。信道标准支持两个相邻信道的绑定。信道绑定可以获得更高的数据速率，而使用绑定可以获得更高的数据速率，而使用有效的低阶调制也可以获得相同的速率，有效的低阶调制也可

95、以获得相同的速率，802.15.3c也使用同样的频段划分。也使用同样的频段划分。（2）异构的网络同样适用）异构的网络同样适用ECMA-387提出了一个异构的网络解提出了一个异构的网络解决方案，相同类型的设备之间可以互相决方案，相同类型的设备之间可以互相操作，不同类型的设备之间也可以共存操作，不同类型的设备之间也可以共存和互操作。和互操作。（3）支持）支持3种类型设备种类型设备A类设备提供类设备提供10m范围内的可视距范围内的可视距/非视距非视距多径环境下的视频流和无线个域网应用；多径环境下的视频流和无线个域网应用；B类设备提供较短距离（类设备提供较短距离（13m）点对点可）点对点可视距链路的视

96、频和数据应用；视距链路的视频和数据应用；C类设备提供类设备提供1m以内的可视距点对点链路以内的可视距点对点链路的数据应用。的数据应用。（4）MAC协议协议使用载波侦听多址使用载波侦听多址/冲突检测冲突检测（CSMA/CD）机制）机制，使用定向天线来传使用定向天线来传输，支持同时有多个连接输，支持同时有多个连接。另外另外ECMA-387还在空间复用和共存还在空间复用和共存和互操作性上提出了自己的解决方案。和互操作性上提出了自己的解决方案。4.3 4.3 无线传感器网络无线传感器网络4.3.1无线传感器网络概述无线传感器网络概述4.3.2无线传感器网络无线传感器网络MAC协议协议4.3.3无线传感

97、器网络路由协议无线传感器网络路由协议4.3.4无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用4.3.1无线传感器网络概述无线传感器网络概述无线传感器网络（无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是由部署在监测区域内）是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成，节点之间通的大量微型传感器节点组成，节点之间通过无线通信方式形成的多跳自组织网络系过无线通信方式形成的多跳自组织网络系统统。图图4.3-1 无线传感器网络结构无线传感器网络结构无线传感器网络结构无线传感器网络结构无线传感器网络系统通常包括传感器无线传感器网络系统通常包括传感器节点（节点（sensornode）、汇聚

98、节点（）、汇聚节点（sinknode）和管理节点。）和管理节点。无线传感器网络的三个要素：无线传感器网络的三个要素：（1）传感器）传感器（2）感知对象）感知对象（3）观察者）观察者无线传感器网络组成无线传感器网络组成传感器技术传感器技术嵌入式计算技术嵌入式计算技术现代网络及无线通信技术现代网络及无线通信技术分布式信息处理技术等分布式信息处理技术等无线传感器网络所涉及的技术无线传感器网络所涉及的技术无线传感器网络除了具有无线传感器网络除了具有Adhoc网络网络的移动性、自组织性等特征以外，还具有的移动性、自组织性等特征以外，还具有很多其他鲜明的特点，这些特点向我们提很多其他鲜明的特点，这些特点向

99、我们提出了一系列挑战性问题。出了一系列挑战性问题。无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点1动态性网络动态性网络无线传感器网络具有很强的网络动态无线传感器网络具有很强的网络动态性。传感器节点的死亡、移动，新节点的性。传感器节点的死亡、移动，新节点的加入，使得整个网络的拓扑结构发生动态加入，使得整个网络的拓扑结构发生动态变化，要求网络具有可调整性和可重构性。变化，要求网络具有可调整性和可重构性。2硬件资源有限硬件资源有限节点在通信能力、计算能力和内存空节点在通信能力、计算能力和内存空间等方面的限制使得网络需要通过中间节间等方面的限制使得网络需要通过中间节点进行路由，此外，还必须重新设计简单点进行

100、路由，此外，还必须重新设计简单有效的协议。有效的协议。3能量受限能量受限网络节点由电池供电，一旦电池能量网络节点由电池供电，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用（死亡）。用完，这个节点也就失去了作用（死亡）。因此，如何在网络工作过程中节省能源，因此，如何在网络工作过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是无线传感器网最大化网络的生命周期，是无线传感器网络重要的研究课题之一。络重要的研究课题之一。4大规模网络大规模网络由于网络中传感器节点的分布非常密由于网络中传感器节点的分布非常密集，因此无线传感器网络主要不是依靠单集，因此无线传感器网络主要不是依靠单个设备能力的提升，而是通过大规模、冗个设备

101、能力的提升，而是通过大规模、冗余的嵌入式设备的协同工作来提高系统的余的嵌入式设备的协同工作来提高系统的可靠性和工作质量。可靠性和工作质量。5以数据为中心以数据为中心以数据为中心的特点要求无线传感器以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的感知信息并融合有效地组织起各个节点的感知信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。提取出有用信息直接传送给用户。6广播方式通信广播方式通信由于无线传感器网络中节点数目庞大，由于无线传感器网络中节点数目庞大，使得其在组网和通信时不可能如使得其在组网和通信时不可能如Adhoc网网络那

102、样采用点对点的通信，而要采用广播络那样采用点对点的通信，而要采用广播方式，以加快信息传播的范围和速度，并方式，以加快信息传播的范围和速度，并可以节省电力。可以节省电力。7无人值守无人值守由于网络规模巨大，不可能人工由于网络规模巨大，不可能人工“照照顾顾”每个节点，网络系统往往在无人值守每个节点，网络系统往往在无人值守的状态下工作，这导致了网络系统的能源的状态下工作，这导致了网络系统的能源受限。受限。8易受物理环境影响易受物理环境影响无线传感器网络与其所在的物理环境无线传感器网络与其所在的物理环境密切相关，并随着环境的变化而不断地变密切相关，并随着环境的变化而不断地变化。这些时变因素严重地影响了

103、系统的性化。这些时变因素严重地影响了系统的性能，因此要求无线传感器网络系统要具有能，因此要求无线传感器网络系统要具有动态环境变化的适应性。动态环境变化的适应性。无线传感器网络能够协作地感知、采无线传感器网络能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并以无线的方式发送出去，通过无线网络并以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。最终发送给观察者。它是物联网的基本组成部分，改变了它是物联网的基本组成部分，改变了人与自然的交互方式，具有广阔的应用前人与自然的交互方式，具有广阔的应用前景。景。无线传感器网络的前景无线传感器网络的前景4.3.

104、2无线传感器网络无线传感器网络MAC协议协议无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与设计原协议特点与设计原则则无线传感器网络无线传感器网络MAC协议的分类协议的分类典型的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议1无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与协议特点与设计原则设计原则MAC协议：定义以一定的顺序和有效协议：定义以一定的顺序和有效的方式分配节点访问媒体的规则，是的方式分配节点访问媒体的规则，是MAC技术的基本内容。技术的基本内容。1无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与协议特点与设计原则设计原则MAC协议的功能协议的功能：决定终端通过何种：决定终端通过何种方式接入

105、介质传送数据包，处理方式接入介质传送数据包，处理MAC的组的组织结构及协调终端节点共享信道资源，规织结构及协调终端节点共享信道资源，规范网络中业务源的接入、避免冲突、功率范网络中业务源的接入、避免冲突、功率控制、控制、QoS管理等管理等。1无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与协议特点与设计原则设计原则选择适当的选择适当的MAC协议，提高无线资源协议，提高无线资源的使用效率，提高系统的容量和传输质量。的使用效率，提高系统的容量和传输质量。由于由于WSN独特的资源限制和应用要求，独特的资源限制和应用要求，在设计在设计MAC协议时，还要完成以下几个设协议时，还要完成以下几个设计原则：计原则：

106、1无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与协议特点与设计原则设计原则（1）能量有效性）能量有效性重要的性能指标。重要的性能指标。MAC协议直接控制协议直接控制无线收发电路，因此无线收发电路，因此MAC协议的能量有效协议的能量有效性直接影响节点和网络的生存寿命。性直接影响节点和网络的生存寿命。1无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与协议特点与设计原则设计原则（2）可扩展性）可扩展性是是MAC协议适应网络大小、拓扑结构、协议适应网络大小、拓扑结构、节点密度不断变化的能力。一个好的节点密度不断变化的能力。一个好的MAC协议应具有可扩展性，以适应网络的动态协议应具有可扩展性，以适应网络的动态

107、变化。变化。1无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与协议特点与设计原则设计原则（3）冲突避免）冲突避免MAC协议的基本任务。在协议的基本任务。在WSN中，中，冲突避免的能力直接影响网络的吞吐量性冲突避免的能力直接影响网络的吞吐量性能、带宽利用率以及节点的节能效果。能、带宽利用率以及节点的节能效果。1无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与协议特点与设计原则设计原则（4）延迟）延迟指从发送节点向接收节点发送一个数指从发送节点向接收节点发送一个数据包需要的时间。在据包需要的时间。在WSN中，延迟的重要中，延迟的重要性取决于具体的应用要求，与网络拓扑结性取决于具体的应用要求，与网络拓扑结构

108、也有关系。构也有关系。1无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与协议特点与设计原则设计原则（5）吞吐量）吞吐量指在单位时间内从发送节点到接收节指在单位时间内从发送节点到接收节点传输的数据量。网络的吞吐量受许多因点传输的数据量。网络的吞吐量受许多因素的影响，例如冲突避免机制的有效性、素的影响，例如冲突避免机制的有效性、信道利用率、延迟、控制开销等。信道利用率、延迟、控制开销等。1无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与协议特点与设计原则设计原则（6）公平性）公平性指网络中的节点能够平等地共享信道。指网络中的节点能够平等地共享信道。对于节点间共同协作完成同一个任务，保对于节点间共同协作完成

109、同一个任务，保证网络性能具有重要意义。证网络性能具有重要意义。1无线传感器网络无线传感器网络MAC协议特点与协议特点与设计原则设计原则传统的传统的MAC协议的设计目标是最大化协议的设计目标是最大化吞吐量、最小化时延并且提供公平性。吞吐量、最小化时延并且提供公平性。而为无线传感器网络设计的而为无线传感器网络设计的MAC协议关注协议关注的是最小化能耗，这就决定了它要适度地的是最小化能耗，这就决定了它要适度地减小吞吐量和增加时延。减小吞吐量和增加时延。2无线传感器网络无线传感器网络MAC协议的分类协议的分类根据信道的分配策略可以分为：固定根据信道的分配策略可以分为：固定分配类、随机竞争类和按需分配类

110、三种；分配类、随机竞争类和按需分配类三种；根据协议的应用场合和业务种类可分根据协议的应用场合和业务种类可分为：面向话音业务类、面向数据业务类和为：面向话音业务类、面向数据业务类和面向综合话音与数据业务类三类；面向综合话音与数据业务类三类；2无线传感器网络无线传感器网络MAC协议的分类协议的分类根据网络的拓扑结构分为：有基础设根据网络的拓扑结构分为：有基础设施结构的中心类和用于施结构的中心类和用于Adhoc结构的分布结构的分布式两类；式两类；根据媒质接入方式大致可分为：基于根据媒质接入方式大致可分为：基于竞争的竞争的MAC协议和基于调度的协议和基于调度的MAC协议。协议。2无线传感器网络无线传感

111、器网络MAC协议的分类协议的分类根据媒质接入的划分方式：根据媒质接入的划分方式：（1）基于竞争的）基于竞争的MAC协议协议基于竞争的随机访问基于竞争的随机访问MAC协议采用按协议采用按需使用信道的方式。这里只讨论其中典型需使用信道的方式。这里只讨论其中典型的的DCF协议和协议和PAMAS协议的节能机制。协议的节能机制。2无线传感器网络无线传感器网络MAC协议的分类协议的分类DCF协议协议基于基于IEEE802.11标准标准，主要是从，主要是从MACAW协议演进而来。该协议很简单并协议演进而来。该协议很简单并且能很大程度上解决隐藏终端问题，但要且能很大程度上解决隐藏终端问题，但要求射频接收部分一

112、直处于侦听状态，耗能求射频接收部分一直处于侦听状态，耗能大，不适合大，不适合WSN。2无线传感器网络无线传感器网络MAC协议的分类协议的分类PAMAS协议协议该协议基于该协议基于CSMA，不传输或不接收，不传输或不接收的节点会自动关闭无线收发模块以节省能的节点会自动关闭无线收发模块以节省能量。要求节点有两个分离的信道（控制和量。要求节点有两个分离的信道（控制和数据），增加了传感器节点设计的成本和数据），增加了传感器节点设计的成本和复杂度。复杂度。2无线传感器网络无线传感器网络MAC协议的分类协议的分类根据媒质接入的划分方式：根据媒质接入的划分方式：（2）基于调度的）基于调度的MAC协议协议基于

113、调度的基于调度的MAC协议通过集中控制点协议通过集中控制点预先安排其控制的所有节点在互相独立的预先安排其控制的所有节点在互相独立的子信道接入共享媒质，具有代表性的协议子信道接入共享媒质，具有代表性的协议有有TRAMA、SMACS/EAR、D-MAC等。等。2无线传感器网络无线传感器网络MAC协议的分类协议的分类TRAMA协议协议这是一种感知路由的分布式这是一种感知路由的分布式TDMA调调度协议，包括度协议，包括3个协议：邻居协议个协议：邻居协议NP、调、调度交换协议度交换协议SEP和自适应时隙选择算法和自适应时隙选择算法AEA。2无线传感器网络无线传感器网络MAC协议的分类协议的分类SMACS

114、/EAR协议协议该协议是结合该协议是结合TDMA和和FDMA的的MAC协议，为每一对邻居节点分配一个特协议，为每一对邻居节点分配一个特有频率进行数据传输，不同节点之间的频有频率进行数据传输，不同节点之间的频率互不干扰，从而避免传输碰撞。率互不干扰，从而避免传输碰撞。3典型的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议典型典型MAC协议介绍：协议介绍：（1）S-MAC协议协议第一个完全针对无线传感器网络设计第一个完全针对无线传感器网络设计的的MAC协议，具有有效节能、扩展性和冲协议，具有有效节能、扩展性和冲突避免三大优点。突避免三大优点。S-MAC采用的主要机制如下采用的主要机制如下：3典型

115、的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议周期监听和睡眠机制：该机制会带来一周期监听和睡眠机制：该机制会带来一定的通信延迟，占用大量存储空间缓存数定的通信延迟，占用大量存储空间缓存数据据冲突和串音避免机制：采用了物理和虚冲突和串音避免机制：采用了物理和虚拟载波监听机制和拟载波监听机制和RTS/CTS握手交互机制握手交互机制来减少冲突和避免串音来减少冲突和避免串音3典型的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议消息传递机制：可以支持长消息的发送，消息传递机制：可以支持长消息的发送，提高消息成功发送率提高消息成功发送率流量自适应监听机制：减小了通信延迟流量自适应监听机制：减小了通信

116、延迟的累加效应，但周期睡眠造成的延迟依然的累加效应，但周期睡眠造成的延迟依然很显著很显著S-MAC协议并不适合健康监测、目标协议并不适合健康监测、目标跟踪等实时性较高的应用。跟踪等实时性较高的应用。3典型的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议（2）T-MAC协议协议该协议是在该协议是在S-MAC协议基础上改进的，协议基础上改进的，也将时间分为帧，帧长度固定，监听工作也将时间分为帧，帧长度固定，监听工作长度可变。长度可变。T-MAC协议规定了协议规定了5种事件和一个计种事件和一个计时器时器TA，根据，根据TA确定监听工作阶段的结束确定监听工作阶段的结束时间。时间。3典型的无线传感器网

117、络典型的无线传感器网络MAC协议协议图图4.3-2 T-MAC协议的基本交互过程协议的基本交互过程3典型的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议（3）Sift协议协议Sift协议是协议是K.Jamieson等提出的基于等提出的基于事件驱动的无线传感器网络事件驱动的无线传感器网络MAC协议，不协议，不同于上面同于上面IEEE802.11和其他基于竞争的和其他基于竞争的MAC协议。协议。3典型的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议该协议充分考虑了无线传感器网络的该协议充分考虑了无线传感器网络的3个特点：个特点：事件驱动性事件驱动性并非所有节点都需要报告事件并非所有节点都需要报

118、告事件感知事件的节点密度随时间动态变感知事件的节点密度随时间动态变化化3典型的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议通常一般的基于窗口的竞争性通常一般的基于窗口的竞争性MAC协协议中，当有数据需要发送时，节点首先在议中，当有数据需要发送时，节点首先在发送窗口发送窗口1，CW内随机选择一个发送时内随机选择一个发送时隙，然后节点监听直到选择的发送时隙到隙，然后节点监听直到选择的发送时隙到来。来。3典型的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议与一般与一般MAC协议不同，协议不同，Sift协议采用协议采用的是的是CW值固定的窗口，节点不是从发送窗值固定的窗口，节点不是从发送窗口选择

119、发送时隙，而是在不同时隙中选择口选择发送时隙，而是在不同时隙中选择不同发送数据的概率。不同发送数据的概率。假定当前有假定当前有N个节点与其竞争发送，个节点与其竞争发送，在选择第在选择第r个时隙发送数据的概率个时隙发送数据的概率Pr为：为：3典型的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议上式中上式中 为分布参数（为分布参数（0 1），）， 的选择与的选择与N和和CW值相关。值相关。Sift协议就是通协议就是通过非均匀概率分布将优胜节点从整个竞争过非均匀概率分布将优胜节点从整个竞争节点中筛选（节点中筛选（Sift）出来的。）出来的。3典型的无线传感器网络典型的无线传感器网络MAC协议协议S

120、ift协议和协议和S-MAC以及以及T-MAC协议一协议一样只是从发送数据的节点考虑问题，对接样只是从发送数据的节点考虑问题，对接收节点的状态考虑较少，需要节点间保持收节点的状态考虑较少，需要节点间保持时钟同步，特别适合于传感器网络内局部时钟同步，特别适合于传感器网络内局部区域使用。区域使用。4.3.3无线传感器网络路由协议无线传感器网络路由协议无线传感器网络路由协议特点与设计原无线传感器网络路由协议特点与设计原则则无线传感器网络路由协议的分类无线传感器网络路由协议的分类典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议1无线传感器网络路由协议特点与设无线传感器网络路由协议特点与设计原则

121、计原则与传统网络的路由协议相比，无线传与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以下特点：感器网络的路由协议具有以下特点：（1）能量优先）能量优先由于节点的能量有限，因此需要考虑由于节点的能量有限，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。问题。1无线传感器网络路由协议特点与设无线传感器网络路由协议特点与设计原则计原则（2）基于局部拓扑信息）基于局部拓扑信息节点只能获取局部拓扑信息且资源有节点只能获取局部拓扑信息且资源有限，需要实现简单高效的路由机制。限，需要实现简单高效的路由机制。1无线传感器网络路由协议特点与设无线传感器网络路由协

122、议特点与设计原则计原则（3）以数据为中心）以数据为中心传感器网络通常包含多个传感器节点传感器网络通常包含多个传感器节点到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数到少数汇聚节点的数据流，按照对感知数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据的需求、数据通信模式和流向等，以数据为中心形成信息的转发路径。据为中心形成信息的转发路径。1无线传感器网络路由协议特点与设无线传感器网络路由协议特点与设计原则计原则（4）应用相关）应用相关传感器网络的应用环境千差万别，需传感器网络的应用环境千差万别，需要针对每一个具体应用的需求，设计与之要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。适应的特定路由机制。1无线传

123、感器网络路由协议特点与设无线传感器网络路由协议特点与设计原则计原则根据无线传感器网络路由的特点，现根据无线传感器网络路由的特点，现阶段阶段WSN路由协议设计要遵从如下原则：路由协议设计要遵从如下原则：（1）能量利用率优先考虑）能量利用率优先考虑无线传感器网络路由协议以节能为目无线传感器网络路由协议以节能为目标，采用各种方式减少通信消耗，延长标，采用各种方式减少通信消耗，延长WSN的生存时间。的生存时间。1无线传感器网络路由协议特点与设无线传感器网络路由协议特点与设计原则计原则（2）数据为中心）数据为中心以数据为中心的路由协议要求采用基以数据为中心的路由协议要求采用基于属性的命名机制，某个节点的

124、故障并不于属性的命名机制，某个节点的故障并不会影响整个协议的运行，提高了网络的强会影响整个协议的运行，提高了网络的强健性。健性。1无线传感器网络路由协议特点与设无线传感器网络路由协议特点与设计原则计原则（3）不影响传感器节点探测精度条件下的）不影响传感器节点探测精度条件下的数据聚合数据聚合通过数据聚合，将多个节点的数据综通过数据聚合，将多个节点的数据综合成有意义的信息，提高了感知信息的准合成有意义的信息，提高了感知信息的准确性，同时增强了系统的强健性。确性，同时增强了系统的强健性。1无线传感器网络路由协议特点与设无线传感器网络路由协议特点与设计原则计原则（4）实现节点定位和目标追踪）实现节点定

125、位和目标追踪通过节点定位，达到路由决策的目的，通过节点定位，达到路由决策的目的，同时降低整个系统的能量消耗，提高系统同时降低整个系统的能量消耗，提高系统的生存时间。的生存时间。2无线传感器网络路由协议的分类无线传感器网络路由协议的分类无线传感器网络路由协议的分类基本无线传感器网络路由协议的分类基本上延续了传统上延续了传统Adhoc网的分类方法，根据网的分类方法，根据不同的角度可以进行不同的分类。不同的角度可以进行不同的分类。如根据路由发现策略、网络管理的逻如根据路由发现策略、网络管理的逻辑结构、路由的发现过程等进行划分。辑结构、路由的发现过程等进行划分。2无线传感器网络路由协议的分类无线传感器

126、网络路由协议的分类根据路由发现策略的角度可分为主动根据路由发现策略的角度可分为主动路由和被动路由两种类型：路由和被动路由两种类型：（1）主动路由）主动路由也叫表驱动（也叫表驱动（TableDriven）路由，）路由，节点通过周期性地广播路由信息分组，交节点通过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由。换路由信息，主动发现路由。2无线传感器网络路由协议的分类无线传感器网络路由协议的分类（2）被动路由）被动路由也叫按需（也叫按需（OnDemand）路由，被动）路由，被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动路由协议根据网络分组的传输请求，被动地搜索从源节点到目的节点的路由。地搜索从源节点

127、到目的节点的路由。2无线传感器网络路由协议的分类无线传感器网络路由协议的分类根据网络管理的逻辑结构可将路由协根据网络管理的逻辑结构可将路由协议分为平面路由和分层结构路由两类：议分为平面路由和分层结构路由两类：（1）平面路由）平面路由即网络中各节点在路由功能上地位相即网络中各节点在路由功能上地位相同，没有引入分层管理机制。同，没有引入分层管理机制。2无线传感器网络路由协议的分类无线传感器网络路由协议的分类（2）分层路由）分层路由采用簇的概念对传感器节点进行层次采用簇的概念对传感器节点进行层次划分，包括成簇协议、簇维护协议、簇内划分，包括成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议和簇间路由协议四个部分。路

128、由协议和簇间路由协议四个部分。2无线传感器网络路由协议的分类无线传感器网络路由协议的分类根据路由的发现过程可以分为以数据根据路由的发现过程可以分为以数据为中心的路由协议和以位置信息为中心的为中心的路由协议和以位置信息为中心的路由协议两类：路由协议两类：（1）以数据为中心的路由协议）以数据为中心的路由协议对数据用特定的描述方式命名，数据对数据用特定的描述方式命名，数据传送基于数据查询并依赖数据命名，所有传送基于数据查询并依赖数据命名，所有的数据通信都限制在局部范围内。的数据通信都限制在局部范围内。2无线传感器网络路由协议的分类无线传感器网络路由协议的分类（2）以位置信息为中心的路由协议）以位置信

129、息为中心的路由协议利用节点的位置信息，把查询或者数利用节点的位置信息，把查询或者数据转发给需要的地区，从而缩减数据的传据转发给需要的地区，从而缩减数据的传送范围。送范围。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议典型路由协议介绍：典型路由协议介绍：（1）扩散法和闲聊法）扩散法和闲聊法扩散法（扩散法（Flooding）不要求维护网络）不要求维护网络的拓扑结构和相关的路由计算，仅要求接的拓扑结构和相关的路由计算，仅要求接收到消息的节点以广播形式转发数据包。收到消息的节点以广播形式转发数据包。优缺点。优缺点。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议为克服为克服Flo

130、oding算法的缺陷，提出闲算法的缺陷，提出闲聊式策略（聊式策略（Gossiping）。）。但仍无法解决部分重叠现象和盲目使但仍无法解决部分重叠现象和盲目使用资源现象所引起的传输时延长、传输速用资源现象所引起的传输时延长、传输速度慢等问题。度慢等问题。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议（2）SPINSPIN（基于信息协商的传感器协议）（基于信息协商的传感器协议）是一组基于协商并且有能量自适应功能的是一组基于协商并且有能量自适应功能的路由协议。路由协议。SPIN在运行过程中每个节点使用三种在运行过程中每个节点使用三种类型的信息进行通信，并采用三次握手方类型的信息进行通信，

131、并采用三次握手方式。式。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议图图4.3-3 SPIN协议交互过程协议交互过程3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议SPIN协议簇所包含协议簇所包含4种不同的协议：种不同的协议：SPIN-PPSPIN-ECSPIN-BCSPIN-RL3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议SPIN协议能够很好地解决协议能够很好地解决Flooding和和Gossiping协议所带来的信息内爆、信息重协议所带来的信息内爆、信息重复和资源浪费等问题。复和资源浪费等问题。但对于入侵发现等需要在定期间隔内但对于入侵发现等需要在定期

132、间隔内可靠传递数据的应用系统来说，可靠传递数据的应用系统来说，SPIN并不并不是一个很好的选择。是一个很好的选择。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议（3）定向扩散协议）定向扩散协议DD定向扩散定向扩散DD（DirectedDiffusion）协）协议是以数据为中心的路由协议发展过程的议是以数据为中心的路由协议发展过程的里程碑。里程碑。其他的以数据为中心的路由协议都是其他的以数据为中心的路由协议都是基于定向扩散协议进行改进或者采用类似基于定向扩散协议进行改进或者采用类似的关键思想来提出的。的关键思想来提出的。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议DD算

133、法的最大特点就是引入了网络算法的最大特点就是引入了网络梯度的概念，基于数据进行通信，是一种梯度的概念，基于数据进行通信，是一种高能源有效性的协议，高能源有效性的协议，适用于持续性查询适用于持续性查询的应用而不适用于一次性查询的应用的应用而不适用于一次性查询的应用。也存在一定的缺点。也存在一定的缺点。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议（4）低功耗自适应分簇路由协议）低功耗自适应分簇路由协议LEACHLEACH是第一个在无线传感器网络是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议，其他基于层次中提出的层次式路由协议，其他基于层次的路由协议大都由的路由协议大都由LEACH发展

134、而来。发展而来。该协议的思路是根据节点接收到的信该协议的思路是根据节点接收到的信号强度进行集群分组。号强度进行集群分组。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议LEACH协议主要通过随机选择簇头协议主要通过随机选择簇头节点，平均分担中继通信业务来实现。节点，平均分担中继通信业务来实现。簇头节点的建立过程：传感器节点从簇头节点的建立过程：传感器节点从0到到1的随机数中任意选择一个数值，若当的随机数中任意选择一个数值，若当前轮中这个数值小于设定的阈值前轮中这个数值小于设定的阈值T(n)，则，则该节点成为簇头节点。该节点成为簇头节点。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网

135、络路由协议式中，式中，P为期望的簇头节点在所有传为期望的簇头节点在所有传感节点中的百分比，感节点中的百分比，r是当前轮数，是当前轮数，G是在是在最后的一轮中未成为簇头节点的节点集。最后的一轮中未成为簇头节点的节点集。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议采用采用LEACH方法使因能量耗尽而失方法使因能量耗尽而失效的节点呈随机分布状态，因而与一般的效的节点呈随机分布状态，因而与一般的多跳路由协议和静态分簇算法相比，多跳路由协议和静态分簇算法相比，LEACH可以将网络生命周期延长可以将网络生命周期延长15%。非常适合于要求连续监控的应用系统，非常适合于要求连续监控的应用系统，但

136、在需要监测面积范围大的应用中则不适但在需要监测面积范围大的应用中则不适用。用。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议（5）SAR协议协议SAR协议是第一个具有协议是第一个具有QoS意识的路意识的路由协议。它的特点是路由决策不仅要考虑由协议。它的特点是路由决策不仅要考虑到每条路径的能源，还要涉及端到端的延到每条路径的能源，还要涉及端到端的延迟要求和待发送数据包的优先级。迟要求和待发送数据包的优先级。3典型的无线传感器网络路由协议典型的无线传感器网络路由协议与只考虑路径能量消耗的最小能量度与只考虑路径能量消耗的最小能量度量协议相比，量协议相比，SAR能量消耗更少。能量消耗更少。

137、该算法的缺点是不适用于大型和拓扑该算法的缺点是不适用于大型和拓扑频繁变化的网络。频繁变化的网络。4.3.4无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用无线传感器网络逐渐被广泛应用于军无线传感器网络逐渐被广泛应用于军事、工业、农业、医疗、环境监测等领域，事、工业、农业、医疗、环境监测等领域，这些领域的应用都与物联网密切相关这些领域的应用都与物联网密切相关：（1）军事领域的应用）军事领域的应用（2）辅助农业生产辅助农业生产（3）生态监测与灾害预警生态监测与灾害预警（4）基础设施状态监测系统）基础设施状态监测系统（5）工业领域的应用工业领域的应用WSN还可以用于制造领域，从生产流还可以用于制造领域，从生

138、产流水线到精密机器设备，安装相应的传感器水线到精密机器设备，安装相应的传感器节点，可以随时掌握设备的工作状况，及节点，可以随时掌握设备的工作状况，及早发现设备的问题，从而减少损失。早发现设备的问题，从而减少损失。无线传感器网络的应用场景无线传感器网络的应用场景此外，由于此外，由于WSN部署方便、组网灵活，部署方便、组网灵活，其在仓储物流管理和智能家居方面也逐渐其在仓储物流管理和智能家居方面也逐渐发挥作用。发挥作用。无线传感器网络使传感器形成局部物无线传感器网络使传感器形成局部物联网，实时地交换和获得信息，并最终汇联网，实时地交换和获得信息，并最终汇聚到物联网，形成物联网重要的信息来源聚到物联网，形成物联网重要的信息来源和基础应用。和基础应用。无线传感器网络与物联网无线传感器网络与物联网