物理层《无线传感器网络技术》
无线传感器网络技术内容
第一章物联网：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
无线传感器网络综合了计算技术、通信技术及传感器技术，其任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。
典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？一般情况下由以下四个基本单元组成：数据采集单元、控制单元、无线通信单元以及能量供应单元。
无线传感器网络基本节点拓扑结构可分为基于簇的分层结构和基于平面的拓扑结构两种选择题：无线传感器网络可实现数据的采集量化，处理融合和传输应用，具有无线自组织网络的移动性、电源能力局限性，规模大、自组织性、动态性、可靠性、以数据为中心等等。
第2章无线传感器网络物理层的传输介质主要包括电磁波和声波。
无线电波、红外线、光波等负责使在两个网络主机之间透明传输二进制比特流数据成为可能，为在物理介质上传输比特流建立规则，以及在传输介质上收发数据时定义需要何种传送技术。
无线传感器网络物理层接口标准对物理接口具有的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性进行了描述。
作为一种无线网络，无线传感器网络物理层协议涉及传输介质以及频段的选择、调制、扩频技术方式等，同时实现低能耗也是无线传感器网络物理层的一个主要研究目标。
IEEE 802.15.4 该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为关键目标，旨在个人或者家庭范围内不同设备之间建立统一的低速互连标准。
有16个信道工作于2.4GHz ISM频段，2.4GHz频段提供的数据传输速率为250kb/s，对于高数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合更加适用有1个信道工作于868MHz频段以及10个信道工作于915MHz频段。
无线传感器网络题
《无线传感器网络》一、填空题(每题4分，共计40分）1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者)传感器网络的基本功能:协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信2.常见的同步机制:RBS(Reference Broadcast Synchronization)，Ting/Mini-Sync和TPSN（Timing—sync Protocol for Sensor Networks）3.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术4.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩散阶段、梯度建立阶段、数据传播阶段、路径加强阶段5.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络无线传感器网络的关键技术主要包括:网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术6.IEEE 802。
15.4标准主要包括:物理层、介质访问控制层7.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成8.数据融合的内容主要包括:多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测9.无线传感器网络可以选择的频段有：868MHz 、915MHz、2。
4GHz、5GHz10.传感器网络的电源节能方法：休眠(技术)机制、数据融合11.传感器网络的安全问题：（1）机密性问题 (2) 点到点的消息认证问题 (3) 完整性鉴别问题12.基于竞争的MAC协议S-MAC协议 T—MAC协议 Sift协议13.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成14.故障修复的方法基于连接的修复基于覆盖的修复15.基于查询的路由定向扩散路由谣传路由二、问答题（每题10分，共计60分）1.简述无线传感器网络系统工作过程，传感器节点的组成和功能.无线传感器网络(WSN）是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
无线传感器网络知识点归纳
一、无线传感器网络的概述1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网络的体系构造示意图，组成局部〔P1-2〕定义：无线传感器网络〔wireless sensor network, WSN〕是由部署在监测区域内大量的本钱很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观看者或者用户另一种定义：无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络掩盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户三要素：传感器，感知对象和观看者任务：利用传感器节点来监测节点四周的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置承受多跳路由的方式将数据发送给会聚节点，再通过会聚节点将数据传送到用户端，从而到达对目标区域的监测体系构造示意图：组成局部：传感器节点、会聚节点、网关节点和基站2、无线传感器网络的特点〔P2-4〕（1）大规模性且具有自适应性（2）无中心和自组织（3）网络动态性强（4）以数据为中心的网络（5）应用相关性3、无线传感器网络节点的硬件组成构造〔P4-6〕无线传感器节点的硬件局部一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块4 局部组成。
4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow 公司的Mica 系列节点〔Mica2、Telosb〕的硬件组成〔P6〕5、无线传感器网络的协议栈体系构造〔P7〕1.各层协议的功能应用层：主要任务是猎取数据并进展初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件传输层：负责数据流的传输掌握网络层：主要负责路由生成与路由选择数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和过失掌握物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能2.治理平台的功能（1）能量治理平台治理传感器节点如何使用能源。
第4章无线传感器网络技术-习题解答
第4章 无线传感器网络技术-习题解答4-1传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在哪些现实约束？答：传感器节点在实现各种网络协议和应用系统时，存在以下一些现实约束。
1.电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。
由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。
如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。
如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。
2.通信能力有限无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：其中，参数n 满足关系2<n <4。
n 的取值与很多因素有关，例如传感器节点部署贴近地面时，障碍物多干扰大，n 的取值就大；天线质量对信号发射质量的影响也很大。
考虑诸多因素，通常取n 为3，即通信能耗与距离的三次方成正比。
随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。
因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。
由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。
在这样的通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的挑战之一。
3.计算和存储能力有限传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。
为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。
如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。
4-2举例说明无线传感器网络的应用领域。
答：传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管n E kd理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。
无线传感器网络技术
2.3
2.4
无线传感器网络操作系统
无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络中间件软件 面向多类型网络的无线传感器网络接入技术
2.5 2.6
2.2.1 无线传感器网络硬件设备概述
在无线传感器网络中，传感器节点既要实现数据采集和处 理转化，又要实现数据的融合和路由，并对本身采集的数据和 收到的其他节点发送的数据进行综合，转发回监控终端。
• 低能耗； • 实时性；
• 低成本；
• 安全和抗干扰； • 协作。
2.1.7 无线传感器网络的主要应用领域
生活习性监测 地震监测
战场评估
医疗状况监控
无线传感器网络
精细农业 深海监控
目标跟踪和检测
森林火灾监控
小区安全监控
第二章 无线传感器网络技术
2.1 无线传感器网络的基本概念 2.2 无线传感器网络硬件基础
移 动 管 理 平 台
拓 扑
网 络 管 理
（a）
（b）
图2-2无线传感器网络协议栈
2.1.3 无线传感器网络基本特点 传统的无线网络和 MANET网络
无线传感器网络
以传输数据，完成通信为目 的，中间节点仅负责分组数据 的转发，通常节点具有持续的 能量供给。他们注重在高度移 动的环境中通过优化路由和资 源管理策略，最大化带宽利用 率，同时提供高性能的服务质 量QoS(Quality of Service)。
2.2.5 无线传感器网络硬件开发套件
• 图像音频传感器的核心处理器为 Mega128，可以采用 JTAG ICE仿真 器进行仿真。 • 图像传感器的辅处理器为Tiny12，可 以采用stk500与之通信。 • 视频传感器的核心处理器为 i.MX27 ，开发板的flash中已经配臵好嵌入式 Linux。
《无线传感器网络》试题.
《无线传感器网络》试题一、填空题（每题4分，共计60分）1、传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者2、传感器网络的基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息3、无线传感器节点的基本功能：采集、处理、控制和通信等4、传感器网络常见的时间同步机制有：5、无线通信物理层的主要技术包括：介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术6扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：：直接序列扩频、跳频、跳时、宽带线性调频扩频7、定向扩散路由机制可以分为三个阶段：周期性的兴趣扩散、梯度建立和路径加强8、无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络9、无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等10、IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层和MAC层的标准11、简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。
12、数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测13、无线传感器网络可以选择的频段有：868MHZ、915MHZ、2.4GHZ 5GHZ14、传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合等，15、传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。
(2) 点到点的消息认证问题。
(3) 完整性鉴别问题。
16、802.11规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 μs、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即78 μs 分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为128 μs17、任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。
18、802.11网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括了：接入速率、工作信道、认证加密方法、网络访问权限等19、传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成20、传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成二、基本概念解释（每题5分，共40分）1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理CSMA/CA机制:当某个站点（源站点）有数据帧要发送时，检测信道。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.5 传输层
2.5 传输层 2.5.1 传输层简介
目前，无线传感器网络传输层协议主要在能耗控制、拥塞控制和可靠性保证3个 方向开展研究与设计工作。其中，能耗控制协议又与拥塞控制协议、可靠性保证协 议紧密联系。
① 能耗控制方面。无线传感器网络的节点能量有限，网络的运行以节能控制为 首要考虑因素。
② 拥塞控制方面。在无线传感器网络中，事件发生区域中的节点监测到相关信 息后传输至汇聚节点，由于网络的分布特征，可能存在多个节点感知信息，都发往 一个汇聚节点，即形成“多对一”的传输模式。
无线传感器网络自身存在资源受限等特性，使得传统的TCP/IP协议不能直接应用 于无线传感器网络，而应根据无线传感器网络的具体应用需求、网络自身的特性与条 件来设计相应的协议，主要体现在以下几个方面。
① 无线传感器网络中节点的能量是有限的，过多的能耗会影响网络的生命周期。
② 无线传感器网络一般使用的是分布式、密集型的覆盖方式，无线传感器网络以 数据为中心，为减少数据量，节点具备一定的数据处理能力。
③ 无线传感器网络存在不稳定情况，网络拓扑结构的变化会影响TCP/IP协议的握 手机制。
④ 在无线传感器网络中，虽然传输层协议具备拥塞控制的能力，但通信质量、拓 扑结构变化等非拥塞情况也会造成丢包现象。
⑤ 无线传感器网络在大规模应用中，节点需要处理好自身与邻居节点之间的通信 即可。
无线传感器网络与物联网通信技术
针对不同的传输层协议设计与网络应用需求，一些简单的拥塞控制处理方式分为拥 塞信息反馈机制和传输路由切换机制。其中，拥塞信息反馈机制是接收节点检测到拥塞 之后，向它的发送节点发送一个包含拥塞控制信息的数据包，告知发送节点减缓甚至停 止发送数据包；传输路由切换机制是当前节点检测到拥塞之后，重新选择一条优化的路 径来传输数据，从而减少了当前节点的数据流，待拥塞缓解或消除之后，可再恢复先前 路径来继续传输数据。
无线传感器网络技术原理及应用(青岛东合信息技术有限公司)章 (2)
S(t) A(t)sin[2πf (t) (t)]
(2-11)
34
式中，正弦波S(t)为载波，基于正弦波的调制技术即对其参 数幅度A(t)、频率f (t)和相位进行相应的调整，分别对应调
制方式的幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)。由 于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及灵活性差，正在 逐步被数字调制技术替代。但是当前模拟调制技术在上下变 频处理中起着无可代替的作用。
20lg d
1 m d 10 m
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10 m d 20 m
10)
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20 m d 40 m
(2-
47
120
lg
d 40
d 40 m
31
2.4 调制与解调
调制与解调是为了能够在可容忍的天线长度内实现远距 离的无线信息传输，在通信系统中占有重要地位。调制与解 调是通过射频前端(详见2.7节)的调制解调器实现的。本节详 细介绍了模拟调制、数字调制、无需载波的UWB通信技术以及 扩频通信技术。
3 学习导航
4
2.1 概述
WSN协议栈的五层模型，分别对应OSI参考模型的物理层、 数据链路层、网络层、传输层和应用层。OSI的物理层为设备 之间的数据通信提供传输媒质及互联设备，为数据的传输提 供可靠的环境。WSN的物理层主要负责传输媒质的选择、频段 的选择、数据的调制与解调及数据的发送与接收，是决定WSN 节点体积、成本以及能耗的关键因素，是无线传感器网络协 议性能的决定因素。
5
本章主要研究物理层的一些关键问题，并进行节能优化 的探讨，所以本章首先介绍无线通信的基础知识：频段的划 分、无线信道的调制解调，然后对物理层帧结构和射频前端 低功耗性能进行深入的分析。
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12
16.5(在868MHz，0dBm)
17.4（0dBm）
接收模式消耗电流/mA 传输速率/(b/s) 发射功率/dBm
接收机灵敏度/dBm
3.8（115.2kb/s） 1.8(2.4kb/s)
OOK 30k ASK 115.2k
0
-97(115.2kb/s)
9.6(868MHz) <76.8k -20~10
路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。 • ③功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确
切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地 线。 • ④规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组 操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。
无线通信物理层的主要技术
• 无线通信物理层的主要技术包括介质的选 择、频段的选择、调制技术和扩频技术
物理层
物理层概述 发送端：频带选择，调制／扩频，帧结构 信道：信号失真-无线信道 接收端：BER 收发器设计
介质选择
• 电磁波：无线电波、微波、红外线、光波 • 声波：水下传感网 • 常用的有无线电波、红外线和光波
• 光波
• 应用这些频段无需许可证或费用，只 需要遵守一定的发射功率（一般低于 1W），并且不要对其它频段造成干 扰即可。ISM频段在各国的规定并不 统一。
• 优点：自由频段，无须注册，可选频 谱范围大，实现起来灵活方便。
• 缺点：功率受限，另外与现有多种无 线通信应用存在相互干扰问题。
调制和解调技术
• 通常信号源的编码信息（即信源）含有直 流分量和频率较低的频率分量，称为基带 信号。
PPDU数据
Bit to Symbol Symbol to Chip
Modulator RF信号
物理接口标准
• 通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述： • ①机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状
和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。 • ②电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线
物理层
物理层概述 发送端：频带选择，调制／扩频，帧结构 信道：信号失真-无线信道 接收端：BER 收发器设计
物理层
• OSI模型规定：物理层为传输数 据所需要的物理链路创建、维 持、拆除，提供具有机械的， 电子的，功能的和规范的特性。 简单的说，物理层确保原始的 数据可在各种物理媒体上传输。
• 主要功能 • 提供传送数据的通路 • 传输数据 • 其他管理功能
• 数字调制是用数字基带信号对高频载波的 某一参量进行控制，使高频载波随着数字 基带信号的变化而变化。目前通信系统都 在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字 调制已经成为了主流的调制技术。
数字调制
幅度
频率
相位
• 通过调节三个参数可以表达信息
幅度调制 Amplitude shift keying e.g. MICA TR1000
-110(2.4kBaud)
19.7 250k -25~0 -94(250kBaud)
物理层帧结构
4B
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1B
前导码
SFD
同步头
1B 帧长度（7位） 保留位 帧的长度，最大为128B
可变长度 PSDU
PHY负荷
前导码：第一个字段，其字节数一般取4， 收发器在接收前导码期间会根据前导码序列 的特征完成片同步和符号同步，当然字节数 越多同步效果越好，但那需要更多的能量消 耗。
• 直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
• 跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)
• 跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)
• 宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频)。
• 基带信号不适合长距离传输，因而要将基 带信号转换为相对基带频率而言频率非常 高的带通信号，以便于进行信道传输。通 常将带通信号称为已调信号，而基带信号 称为调制信号。
模拟调制和数字调制
• 模拟调制是用模拟基带 信号对高频载波的某一 参量进行控制，使高频 载波随着模拟基带信号 的变化而变化。
模拟调制和数字调制
频率调制 Frequency shift keying e.g. MICA2 CC1000
相位调制 Phase shift keying e.g. MICAz CC2420
扩频技术
• 信号所占有的频带宽度远大于所传信息所 需要的最小带宽。频带的扩展是通过一个 独立的码序列来完成，用编码及调制的方 法来实现，与所传信息数据无关；在接收 端用同样的码进行相关同步接收、解扩和 恢复所传信息数据。
•
优点：无需注册 速度快
缺点：LoS传输 干扰 光感设备比较昂贵
• 红外线
• 优点：无须注册，并且抗干扰能力强。
• 缺点：穿透能力差， LoS传输 。
• 无线电波
• 无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障 碍物，但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小。如果采用高频传输， 则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。
• 优点：传播距离远、穿透性强、全向天线
• 缺点：干扰、衰落、不可靠链路；由于无线电波的传输距离较远，无线电波 易受发动机和其它电子设备的干扰；
• 用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，无线频率管制方面的使用授权规 定
无线频谱
• 通常人们选择“工业、科学和医 疗”(Industrial，Scientific and Medical, ISM)频段。
WeC Mote/Medusa /MK-2/iBadge/Mica
mote/EyEs
TR1000
ASK/OOK
916.5M
3
Mica2/GAINS
Micaz/Tmote/GAINZ
CC1000
FSK
300M~1000M
2.1~3.6
CC2420
O-QPSK(DS)
2.4G
1.8~3.6
发射模式消耗电流/mA
扩频优点
• 易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率 • 抗干扰性强，误码率低 • 隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小 • 可以实现码分多址 • 抗多径干扰 • 能精确地定时和测距 • 适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信
业务 • 安装简便，易于维护。
节点名称
射频前端芯片
调制方式
工作频率/Hz 工作电压/V