无线低速网络.pptx

5.1 低速网络协议需求低速网络协议需求5.2 无线无线低速网络协议低速网络协议5.3 无线传感网协议实现无线传感网协议实现5.4 IPv6网际互联网际互联为什么除了高速网络协议，物联网还需要为什么除了高速网络协议，物联网还需要低速网络协议？低速网络协议？本章内容本章内容5.1 5.1 为什么需要低速网络协议？为什么需要低速网络协议？物联网背景下连接的物体，物联网背景下连接的物体，既既有智能的也有非智能的有智能的也有非智能的。物联网中那些能力较低的节点物联网中那些能力较低的节点低速率低速率低通信半径低通信半径低计算能力，和低能量的要求低计算能力，和低能量的要求需要对需要对物联网中物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来将他们连接起来，低速网络协议是实现全面互联互通的，低速网络协议是实现全面互联互通的前提。前提。5.1 低速网络协议需求低速网络协议需求5.2 无线无线低速网络协议低速网络协议5.3 无线传感网协议实现无线传感网协议实现5.4 IPv6网际互联网际互联典型的无线低速网络协议有哪些？各有什么特点？典型的无线低速网络协议有哪些？各有什么特点？本章内容本章内容5.2 无线低速网络协议无线低速网络协议蓝牙红外802.15.4/ZigBee典型的无线低速网络协议：蓝牙（Bluetooth）蓝牙技术蓝牙技术是一种是一种短距离低功耗短距离低功耗传输协议，传输协议，最早始于最早始于1994年，由瑞典的爱立信公司研发年，由瑞典的爱立信公司研发。工作在全球通用的工作在全球通用的2.4GHzISM（工业、科学、医学）（工业、科学、医学）频段频段。标准是标准是IEEE802.15.1，数据率为，数据率为720kb/s通信半径从几米到通信半径从几米到100米左右不等米左右不等，常见为，常见为几米几米左右。左右。蓝牙的主要技术特点蓝牙的主要技术特点蓝牙技术使用的工作频率为蓝牙技术使用的工作频率为2.4G-2.5G之间，属于免之间，属于免费的费的ISM（IndustryScienceMedicine）频段。）频段。蓝牙技术可以实现语音、视频和数据的传输，其蓝牙技术可以实现语音、视频和数据的传输，其最高的通信速率为最高的通信速率为1Mb/s，采用时分方式的全双工通，采用时分方式的全双工通信，通信距离为信，通信距离为10m左右（如果配置功率放大器可以左右（如果配置功率放大器可以使通信距离达到使通信距离达到100m）。）。l蓝牙的基本原理是蓝牙设备依靠专用的蓝牙芯蓝牙的基本原理是蓝牙设备依靠专用的蓝牙芯片使设备在短距离范围内发送无线信号来寻找片使设备在短距离范围内发送无线信号来寻找另外一个蓝牙设备，一旦找到，互相之间便开另外一个蓝牙设备，一旦找到，互相之间便开始通信，交换数据。始通信，交换数据。l蓝牙核心系统包括射频收发器、基带及协议堆蓝牙核心系统包括射频收发器、基带及协议堆栈，该系统可以提供设备连接服务，并支持在栈，该系统可以提供设备连接服务，并支持在这些设备之间交换各类数据。支持点对点及点这些设备之间交换各类数据。支持点对点及点对多点通信。对多点通信。蓝牙的主要技术特点蓝牙的主要技术特点蓝牙产品采用跳频技术，能够抵抗信号衰落；蓝牙产品采用跳频技术，能够抵抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信安全性；安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；扰；采用采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠；调制方式，使设备变得更为简单可靠；“蓝牙蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙；个时隙；“蓝牙蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。数据和同步语音的通道。蓝牙的主要技术特点蓝牙的主要技术特点蓝牙技术指标和系统参数蓝牙技术指标和系统参数工作频段工作频段ISM频段，频段，2.402GHz-2.480GHz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1Mbps非同步信道速率非同步信道速率非对称连接非对称连接721Kbps/57.6 Kbps，对称连接，对称连接432.6 Kbps同步信道速率同步信道速率64 Kbps功率功率美国美国FCC要求要求0dbm(1mw)，其他国家可扩展为，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/1MHz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,2/3标标FEC，ARQ鉴权鉴权采用反应逻辑算术采用反应逻辑算术信道加密信道加密采用采用0位、位、40位、位、60位加密位加密语音编码方式语音编码方式连续可变斜率调制连续可变斜率调制CVSD发射距离发射距离一般可达一般可达10cm-10m，增加功率的情况下可达，增加功率的情况下可达100m蓝牙系统采用无蓝牙系统采用无基站的灵活组网方式，基站的灵活组网方式，支持点对点或点对多支持点对点或点对多点的通信方式点的通信方式.在蓝牙在蓝牙2.0标准中标准中一个蓝牙设备可同时一个蓝牙设备可同时与与7个其他的蓝牙设个其他的蓝牙设备相连接。备相连接。蓝牙组网方式蓝牙组网方式基于蓝牙技术的无线接入简称为基于蓝牙技术的无线接入简称为BLUEPAC（BluetoothPublicAccess），蓝牙系统的网络拓扑），蓝牙系统的网络拓扑结构有两种形式：微微网（结构有两种形式：微微网（piconet）和分布式网络）和分布式网络（Scatternet）。）。微微网（微微网（piconet）：通过蓝牙技术以特定方式连接）：通过蓝牙技术以特定方式连接起来的一种微型网络，一个微微网可以只是两台相连的起来的一种微型网络，一个微微网可以只是两台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是8台连在一起的设备。台连在一起的设备。蓝牙分布式网络是自组网（蓝牙分布式网络是自组网（adhocnetworks）的一种特例，其最大特点是无基站支持，每个移动终的一种特例，其最大特点是无基站支持，每个移动终端的地位是平等的，并可独立进行分组转发的决策。端的地位是平等的，并可独立进行分组转发的决策。其建网灵活性，多跳性、拓扑结构动态变化和分布式其建网灵活性，多跳性、拓扑结构动态变化和分布式控制等特点是构建蓝牙分布式网络的基础。控制等特点是构建蓝牙分布式网络的基础。蓝牙技术的主要缺点是传输距离短、传输速率慢。但蓝牙技术的主要缺点是传输距离短、传输速率慢。但由于蓝牙技术能耗低，主要应用于医疗和健康传感器网由于蓝牙技术能耗低，主要应用于医疗和健康传感器网络等电源供给有限的场合络等电源供给有限的场合.应用的领域包括：血氧计、血压计、体温计、体重秤、应用的领域包括：血氧计、血压计、体温计、体重秤、血糖仪、心血管活动监控仪、便携式心电图仪等等。蓝血糖仪、心血管活动监控仪、便携式心电图仪等等。蓝牙技术已经得到非常普遍的应用，全球大约牙技术已经得到非常普遍的应用，全球大约80%80%以上的手以上的手机都使用了蓝牙技术，其中将近机都使用了蓝牙技术，其中将近100%100%的智能手机都已经的智能手机都已经使用了蓝牙技术。利用每个人都拥有手机的优势，蓝牙使用了蓝牙技术。利用每个人都拥有手机的优势，蓝牙技术可以用在更加广阔的领域，如车载网的应用、手机、技术可以用在更加广阔的领域，如车载网的应用、手机、电玩、电脑、手表、运动及健体、保健、汽车工业、家电玩、电脑、手表、运动及健体、保健、汽车工业、家居电器、远程控制、自动化工业等等。居电器、远程控制、自动化工业等等。蓝牙和Wi-Fi区别Wi-Fi的定位目标是为了的定位目标是为了取代网络应用中的有线设备取代网络应用中的有线设备，能够真正的实现从有线到无线的转变，他可以用来传能够真正的实现从有线到无线的转变，他可以用来传送各种文件，视频，音频，实现互联网的各种应用。送各种文件，视频，音频，实现互联网的各种应用。蓝牙蓝牙主要是为了替换主要是为了替换一些个人用户携带设备一些个人用户携带设备的有线，的有线，如耳机，键盘等。这些设备如耳机，键盘等。这些设备对带宽的要求相对较少对带宽的要求相对较少，或者说不是经常使用，比如手机间的传送小文件，或或者说不是经常使用，比如手机间的传送小文件，或者说这些设备的资源拥有量（电量，计算资源等等）者说这些设备的资源拥有量（电量，计算资源等等）相对较低。相对较低。红外（红外（Infrared)l红外通信系统采用红外技术进行通信，该技术是一种红外通信系统采用红外技术进行通信，该技术是一种利用红外线进行利用红外线进行点对点点对点、短距离短距离通信的技术。红外线通信的技术。红外线是波长在是波长在0.751000m之间的无线电波，是人用肉眼之间的无线电波，是人用肉眼看不到的光线，红外数据传输一般采用红外波段内波看不到的光线，红外数据传输一般采用红外波段内波长长在在0.7525m之间的近红外线之间的近红外线。l为了建立一个统一的红外数据通信标准，为了建立一个统一的红外数据通信标准，1993年，由年，由HP、COMPAQ、INTEL等等20多家公司发起成立了多家公司发起成立了红红外数据协会外数据协会(InfraredDataAssociation，IrDA)。l同年同年6月月28日，来自日，来自50多家企业的多家企业的120多位代表出席了多位代表出席了红外数据协会的首次会议，并就建立统一的红外数据协会的首次会议，并就建立统一的红外通信红外通信标准标准问题达成一致。为保证不同厂商基于红外技术的问题达成一致。为保证不同厂商基于红外技术的产品能获得最佳的通信效果，规定所用产品能获得最佳的通信效果，规定所用红外波长在红外波长在0.850.90m之间之间。利用红外技术传输数据，无须专门申请特定频段的使用利用红外技术传输数据，无须专门申请特定频段的使用执照，具有设备体积小、功率低的特点。执照，具有设备体积小、功率低的特点。由于采用由于采用点到点点到点的连接，数据传输所受到的干扰较小，的连接，数据传输所受到的干扰较小，数据传输速率高。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是数据传输速率高。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用红外线传输技术，在手机和笔记本电脑等设备上也采用红外线传输技术，在手机和笔记本电脑等设备上也得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。红外线方式的最大优点是红外线方式的最大优点是不受无线电干扰不受无线电干扰，但是，红外，但是，红外线对非透明物体的线对非透明物体的透过性较差透过性较差，导致传输距离受限制，导致传输距离受限制，其点对点的传输连接也无法灵活地组成网络。其点对点的传输连接也无法灵活地组成网络。ZigBee网络技术一种新兴的短距离无线通信技术，主要面向一种新兴的短距离无线通信技术，主要面向低速率无线个人区域网，典型特征是近距离、低速率无线个人区域网，典型特征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率。低功耗、低成本、低传输速率。在数千个微小在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们之间的通信效率非常高。以它们之间的通信效率非常高。主要适用于工主要适用于工业监控、远程控制、传感器网络、家庭监控、业监控、远程控制、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域，目的是为了满足小型安全系统和玩具等领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。廉价设备的无线联网和控制。802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBee是是无线传感网无线传感网领域最为著名的领域最为著名的无线通信协议无线通信协议ZigBee主要定义了主要定义了网络层网络层、传传输层输层以及之上的以及之上的应用层应用层的规范的规范802.15.4主要定义了短距离通主要定义了短距离通信的信的物理层物理层以及以及链路层链路层规范规范ZigBee与IEEE802.15.4协议IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 是是IEEEIEEE无线个人区域网无线个人区域网(Personal Area(Personal Area NetworkNetwork，PAN)PAN)工作组的一项标准，仅处理低级工作组的一项标准，仅处理低级MACMAC层和层和物理层协议。物理层协议。ZigBeeZigBee联盟在联盟在802.15.4802.15.4的基础上，对其网络层协议和的基础上，对其网络层协议和APIAPI进进行了标准化。另外行了标准化。另外ZigBeeZigBee联盟还开发了安全层，以保证联盟还开发了安全层，以保证使用使用ZigBeeZigBee协议标准的物联网设备不会意外泄漏其标识，协议标准的物联网设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输的信息不会被其他节点而且这种利用网络的远距离传输的信息不会被其他节点获得。获得。截至目前为止，截至目前为止，ZigBee共公布了三个协议标准，分别称共公布了三个协议标准，分别称为为ZigBee2004，ZigBee2006，Zigbee2007。ZigBee2007规范了两套功能指令集，分别是规范了两套功能指令集，分别是ZigBee功能命令集和功能命令集和ZigBeePro功能命令集。功能命令集。ZigBee各版本的比较版本号ZigBee04ZigBee06ZigBee07ZigBee07指令集无无无无ZigbeeZigbee Pro无线射频标准802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4地址分配无无CSKIPCSKIP随机随机拓扑星状星状树状、网状树状、网状树状、网状树状、网状网状网状大网络不支持不支持不支持不支持不支持不支持支持支持自动跳频是，是，3信道信道否否否否是是PANID冲突决策支持支持否否可选可选支持支持数据分割支持支持否否可选可选可选可选多对一路由否否否否否否支持支持高安全支持支持支持，支持，1密钥密钥支持，支持，1密钥密钥支持，多密钥支持，多密钥支持节点数目少量节点少量节点300个以下个以下300个以下个以下1000个以上个以上应用领域消费电子消费电子住宅住宅住宅住宅商业商业802.15.4 物理层物理层频段：频段：3个频段，个频段，均为均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段和医疗的开放频段，包括包括2.4-2.4835GHz世界范围内通用，世界范围内通用，16个频道。个频道。868.0-868.6MHz，主要为欧洲采用，单信道；，主要为欧洲采用，单信道；902-928MHz，北美采用，北美采用，10个信道，支持扩展到个信道，支持扩展到30个个；这两个频段的引入避免了这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰附近各种无线通信设备的相互干扰。传输技术：传输技术：最早为直接扩频，后来可采用调频、调相等多种技术。最早为直接扩频，后来可采用调频、调相等多种技术。物理层物理层802.15.4介质访问控制层介质访问控制层MAC层控制和协调节点使用物理层的信道层控制和协调节点使用物理层的信道802.15.4采用采用载波侦听冲突避免多路访问方式载波侦听冲突避免多路访问方式(CSMA/CA)，与与802.11（Wi-Fi）类似。）类似。传传输之前，先侦听介质中是否有使用同一信道的载波输之前，先侦听介质中是否有使用同一信道的载波存在，若不存在说明信道空闲，将直接进入数据传输状存在，若不存在说明信道空闲，将直接进入数据传输状态；态；若系统检测到存在载波，则在随机退避一段时间后重若系统检测到存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道，退避的时间长短由具体的协议指定。新检测信道，退避的时间长短由具体的协议指定。为什么为什么CSMA/CD不适用于无线局域网？不适用于无线局域网？存在隐藏节点问题和暴露节点问题存在隐藏节点问题和暴露节点问题大多数无线节点的收发器是半双工的，无法大多数无线节点的收发器是半双工的，无法同时发送和接收数据，这意味着它们不能在同时发送和接收数据，这意味着它们不能在发送数据的同时进行冲突检测。发送数据的同时进行冲突检测。隐藏节点和暴露节点隐藏节点和暴露节点ACBBDCC的传输半径的传输半径C正在发送正在发送B的传输半径的传输半径B正在发送正在发送(b)暴露节点暴露节点(a)隐藏节点隐藏节点DAl当一个节点有帧要发送时，首先侦听信道：当一个节点有帧要发送时，首先侦听信道：若一开始就侦听到信道空闲，则在等待了若一开始就侦听到信道空闲，则在等待了DIFS时间后发送该帧。时间后发送该帧。若信道忙，则选取一个随机的回退值，并在侦听到信道空闲时开始若信道忙，则选取一个随机的回退值，并在侦听到信道空闲时开始递减该值。在此过程中若侦听到信道忙，则冻结计数值。递减该值。在此过程中若侦听到信道忙，则冻结计数值。当计数值减为当计数值减为0时，该节点发送帧并等待确认。时，该节点发送帧并等待确认。若收到确认帧，表明帧发送成功；若还要发送下一个帧，从第若收到确认帧，表明帧发送成功；若还要发送下一个帧，从第2步开步开始始CSMA/CA协议；若未收到确认，节点重新进入第协议；若未收到确认，节点重新进入第2步中的回退阶步中的回退阶段，并从一个更大的范围内选取随机值。段，并从一个更大的范围内选取随机值。CSMA/CA带冲突避免的载波侦听多点访问法带冲突避免的载波侦听多点访问法带冲突避免的载波侦听多点访问法带冲突避免的载波侦听多点访问法带冲突检测的载波监听多路访问带冲突检测的载波监听多路访问l在监听阶段，站点监测到总线忙时，该站点将避让一在监听阶段，站点监测到总线忙时，该站点将避让一段时间后再尝试。根据延时所采用的不同退避机制，段时间后再尝试。根据延时所采用的不同退避机制，载波监听多路访问可分为如下几种。载波监听多路访问可分为如下几种。1-坚持坚持CSMA非坚持非坚持CSMAp-坚持坚持CSMAlP-坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突，坚持算法是一种既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像又能像1-坚持算法那样减少介质空闲时间的折中方案。坚持算法那样减少介质空闲时间的折中方案。CSMA/CA与与CSMA/CD的不同的不同l在在CSMA/CD中，节点侦听到信道空闲时立即发送中，节点侦听到信道空闲时立即发送l在在CSMA/CA中，节点要推迟发送，尤其在第中，节点要推迟发送，尤其在第2步中要步中要随机回退。这是为了避免有多个站同时等待信道空闲，随机回退。这是为了避免有多个站同时等待信道空闲，并在发现信道空闲后立即发送而造成的冲突。并在发现信道空闲后立即发送而造成的冲突。数据传输数据传输l由于由于ZigBeeZigBee网络中节点是由电池供电的简单器网络中节点是由电池供电的简单器件，在有些应用中更换电池成为不可能或没必件，在有些应用中更换电池成为不可能或没必要，这使得要，这使得MACMAC层数据传输具有低功耗的特点。层数据传输具有低功耗的特点。lIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4的数据传输过程中引入了几种延的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功耗的机制，多数机制长器件电池寿命或节省功耗的机制，多数机制通过信标使能的方式来限制器件或协调器之间通过信标使能的方式来限制器件或协调器之间收发机的开通时间，或在无数据传输时让器件收发机的开通时间，或在无数据传输时让器件处于休眠状态处于休眠状态ZigBee 网络层网络层网络层功能：网络层功能：路由路由，新节点和路径的发现新节点和路径的发现，决定一个节决定一个节点属于某一个子网络等点属于某一个子网络等。ZigBee网络层采用网络层采用距离矢量路由协议（距离矢量路由协议（AODV）源节点广播一个路由请求给它的所有邻居源节点广播一个路由请求给它的所有邻居邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们的邻居，如此直到消息到达目的节点。的邻居，如此直到消息到达目的节点。当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点返回当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点返回一个路由回复给源节点一个路由回复给源节点。回复不再回复不再以以广播方式发送到源节点，而是沿着路由广播方式发送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径，这样源节点请求数据包从源节点到目的节点的路径，这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了。就可以按照这条路径发送消息到目的节点了。距离矢量路由协议（距离矢量路由协议（AODV）ZigBee 应用层应用层提供向终端用户的接口提供向终端用户的接口，应用层主要包含三个组件应用层主要包含三个组件第一个组件是第一个组件是ZigBee协议对象协议对象，负责定义每个设备的功，负责定义每个设备的功能和角色；能和角色；第二个组件是应用对象第二个组件是应用对象，每个应用对象对应了一个不同，每个应用对象对应了一个不同的应用层服务；的应用层服务；第三个组件是应用支持子层第三个组件是应用支持子层，它通过把底层的服务和控，它通过把底层的服务和控制接口提供给整个应用层，把应用层以下的部分和应用制接口提供给整个应用层，把应用层以下的部分和应用层连接起来，是应用层的基本组件。层连接起来，是应用层的基本组件。ZigBee与常用协议比较与常用协议比较zigbeezigbee网络系统的构建网络系统的构建 这是一个星型的这是一个星型的ZigBeeZigBee网络系统。网络系统。在该系统中，由协调点创建在该系统中，由协调点创建ZigBeeZigBee网络，终端节点查找网络，终端节点查找并加入空中存在的网络。并加入空中存在的网络。加入到网络的终端节点将自己的物理地址发给协调点，加入到网络的终端节点将自己的物理地址发给协调点，协调点把收到的节点的物理地址信息通过串口发送给与之协调点把收到的节点的物理地址信息通过串口发送给与之相连的计算机，计算机保存收到的物理地址。相连的计算机，计算机保存收到的物理地址。计算机通过串口发送相应节点的物理地址和指令给协调器，计算机通过串口发送相应节点的物理地址和指令给协调器，协调器将信息发给相应的节点从而获取某个终端节点的数协调器将信息发给相应的节点从而获取某个终端节点的数据。据。8.1 低速网络协议需求低速网络协议需求8.2 无线无线低速网络协议低速网络协议8.3 无线传感网协议实现无线传感网协议实现8.4 IPv6网际互联网际互联无线传感网协议实现需要注意哪些问题？无线传感网协议实现需要注意哪些问题？本章内容8.3 无线传感网组网：物理层设计无线传感网组网：物理层设计链路特点链路特点动态性（动态性（Dynamic)非对称性（非对称性（Asymmetric）：两个节点之间一个方向链路质量）：两个节点之间一个方向链路质量好，另一个方向质量非常差。好，另一个方向质量非常差。空间关联性（空间关联性（Spatial Correlation）：因为位置相近的节点通）：因为位置相近的节点通常有相似的环境。常有相似的环境。时间关联性（时间关联性（Temporal Correlation）物理层设计物理层设计应当应当支持支持802.15.14模块模块，如如CC2420，同时满足：，同时满足：低能量消耗低能量消耗低通讯半径低通讯半径低通信带宽低通信带宽8.3 无线传感网组网：MAC层设计无线传感网节点特殊性：无线传感网节点特殊性：节点功能小节点功能小计算不能太复杂计算不能太复杂节点能量少节点能量少尽量减少不必要传输尽量减少不必要传输节点通信范围小节点通信范围小需要多跳网络设计需要多跳网络设计节点内存小节点内存小不可能保存全部路由表不可能保存全部路由表节点工作环境复杂节点工作环境复杂高适应性协议高适应性协议MAC层：层：沿用沿用CSMA/CA8.3 无线传感网组网：MAC层设计无线收发模块无线收发模块占用大部分电量消耗！占用大部分电量消耗！MAC层设计：如何降低能量消耗？无线收发器件（无线收发器件（radio transceiver）工作时通常处于三种状态）工作时通常处于三种状态（发送发送，侦听侦听，空闲状态空闲状态），发送和侦听状态为工作状态，），发送和侦听状态为工作状态，空闲状态浪费空闲状态浪费能量能量。低功率侦听协议低功率侦听协议采样侦听采样侦听链路层调度链路层调度采样侦听采样侦听无线收发模块在没有数据的时候关闭无线收发模块在没有数据的时候关闭定时采样获取信道的信息定时采样获取信道的信息MAC层设计：采样侦听的问题假设采样周期为假设采样周期为T，发送者在发送数据的时候如何保证，发送者在发送数据的时候如何保证接受者能够收到？接受者能够收到？保持发送数据的时间长度不少于保持发送数据的时间长度不少于T的话，接收者就能够采样到的话，接收者就能够采样到发送者发送的数据发送者发送的数据然后接收者调整至接收状态，正常接收数据。然后接收者调整至接收状态，正常接收数据。MAC层设计：采样侦听的问题（续）仍然有问题：仍然有问题：发送者每次发送最常需要发送者每次发送最常需要持续一个采样周期持续一个采样周期的时间的时间，还是会带来不必要的能量损耗。，还是会带来不必要的能量损耗。更好的方法：更好的方法：同步发送者和接收者达到更高效率同步发送者和接收者达到更高效率调度调度8.3 无线传感网组网：网络层设计无线传感网组网：网络层设计主要特点：主要特点：无线传感器网络中的链路是不可靠的无线传感器网络中的链路是不可靠的无线传感器节点的功能和资源极其受限的，使得节点不能进行无线传感器节点的功能和资源极其受限的，使得节点不能进行很复杂的计算，测量以及维护庞大的路由表。很复杂的计算，测量以及维护庞大的路由表。链路质量链路质量成为影响路由协议性能的成为影响路由协议性能的重要指标重要指标。许多无线传感器网。许多无线传感器网络路由协议在其路径选择过程中均考虑了链路质量。络路由协议在其路径选择过程中均考虑了链路质量。ETX是广泛使用是广泛使用的的路径选择指标路径选择指标，可实现无线传感网典型的链路测量方法。，可实现无线传感网典型的链路测量方法。两类典型的两类典型的网络层路由协议网络层路由协议：数据收集协议数据收集协议CTP数据分发协议数据分发协议DripETX：路径选择指标ETX：（Expected Transmission Count），传输成功每个包），传输成功每个包需要的总传输次数，一条路径的需要的总传输次数，一条路径的ETX越小代表在这条路径越小代表在这条路径上引起的总传输次数最小。上引起的总传输次数最小。Link throughput 1/Link ETXETX计算假设链路有假设链路有ACKs和重传和重传P(TX success)=P(Data success)P(ACK success)Link ETX=1/P(TX success)=1/P(Data success)P(ACK success)实际计算实际计算ETXP(Data success)measured fwd delivery ratio rfwdP(ACK success)measured rev delivery ratio rrevLink ETX 1/(rfwd rrev)路径ETX通过把传输代价最小化，通过把传输代价最小化，ETX提高了带宽利用率，有效减少了传感网提高了带宽利用率，有效减少了传感网能量消耗。能量消耗。通过测量双向链路质量，通过测量双向链路质量，ETX能有效避免非对称链路。能有效避免非对称链路。数据收集协议：CTPCTP：（：（Collection Tree Protocol）是目前广泛使用的数据收集协议之）是目前广泛使用的数据收集协议之一，可在一，可在TinyOS中实现。中实现。基本过程：基本过程：初始化阶段初始化阶段:网络中每个节点广播自己到汇聚节点的路径的网络中每个节点广播自己到汇聚节点的路径的ETX。每个节点收到广播包之后，依据邻居节点广播的路径每个节点收到广播包之后，依据邻居节点广播的路径ETX，动态，动态选择父节点，使得自己到汇聚节点的路径选择父节点，使得自己到汇聚节点的路径ETX尽量小。尽量小。经过不断更新，网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节经过不断更新，网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节点点ETX之和最小的路径之和最小的路径。CTP协议基本特点协议基本特点链路质量链路质量：综合多方面信息。综合多方面信息。主动交换主动交换控制包估计控制包估计+被动侦听被动侦听数据包动态更新数据包动态更新考虑考虑网络层队列溢出网络层队列溢出信息以避免拥塞的节点信息以避免拥塞的节点控制包发送控制包发送：使用使用Trickle算法算法自适应自适应控制发包频率控制发包频率，使得，使得网络不网络不变化，发送包数量很少；网络一旦变化，迅速更新整个网络。变化，发送包数量很少；网络一旦变化，迅速更新整个网络。网络稳定时二进制增长发包间隔，以减少发送包的数量。网络稳定时二进制增长发包间隔，以减少发送包的数量。发生环路发生环路等等异常时缩短发包间隔异常时缩短发包间隔至最小至最小，使网络及时恢复到正常，使网络及时恢复到正常数据分发协议：Drip数据分发协议数据分发协议的作用是将数据包可靠传输到网络中的每个节点。无的作用是将数据包可靠传输到网络中的每个节点。无线传感网中广泛使用的是线传感网中广泛使用的是Drip协议协议。基本工作方式：基本工作方式：为每个数据项对应一个版本号，版本号越高表示数据越新。为每个数据项对应一个版本号，版本号越高表示数据越新。每个节点周期性广播数据项的版本信息每个节点周期性广播数据项的版本信息当一个当一个Drip节点发现邻节点版本信息更高时，则向邻节点发送请求节点发现邻节点版本信息更高时，则向邻节点发送请求包。包。收到请求包的节点广播该数据项的数据包。收到请求包的节点广播该数据项的数据包。8.1 低速网络协议需求8.2 无线低速网络协议8.3 无线传感网协议实现8.4 IPv6网际互联网际互联无线低速网络协议如何纳入IPv6框架？本章内容IPv6IPv6已在高速互联网协议中得到广泛使用，正逐步移植已在高速互联网协议中得到广泛使用，正逐步移植到低速网络协议中。到低速网络协议中。6LoWPAN6LoWPAN：统一框架下的互联协议，连接运行统一框架下的互联协议，连接运行IPv6IPv6高高速互联协议的网络和运行低速协议的其他网络。速互联协议的网络和运行低速协议的其他网络。挑战：挑战：不同传输能力挑战不同传输能力挑战不同设备标记和识别挑战不同设备标记和识别挑战不同设计目标挑战不同设计目标挑战不同设备管理挑战不同设备管理挑战8.4 IPv6网际互联本章小结内容回顾内容回顾本章介绍了典型无线低速网络协议，重点讨论了本章介绍了典型无线低速网络协议，重点讨论了802.15.4/ZigBee协议各协议各网络层次的特点，并就无线传感网协议实现需要注意的问题展开谈论。网络层次的特点，并就无线传感网协议实现需要注意的问题展开谈论。重点掌握重点掌握了解物联网需要低速网络协议的原因。了解物联网需要低速网络协议的原因。对比对比Wi-Fi，理解蓝牙和红外技术的适用范围和特点。，理解蓝牙和红外技术的适用范围和特点。了解了解802.15.4对物理层和链路层的规定。对物理层和链路层的规定。理解距离矢量路由协议的原理。理解距离矢量路由协议的原理。本章小结本章小结重点掌握（续）重点掌握（续）理解无线传感网物理层和理解无线传感网物理层和MAC层的链路特点。层的链路特点。掌握掌握MAC层为降低功耗采用的低功耗侦听协议（采样侦听和调度）。层为降低功耗采用的低功耗侦听协议（采样侦听和调度）。理解无线传感网网络层设计时链路质量的重要性。理解无线传感网网络层设计时链路质量的重要性。掌握链路质量的评价标准掌握链路质量的评价标准ETX的原理和计算。的原理和计算。了解无线传感网网络层典型路由协议了解无线传感网网络层典型路由协议CTP和和Drip。