无线传感器网络物理层相关

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1、无 线 传 感 器 网 络 -物 理 层 演 讲 者 ： 于 连 河 、 李 永 超 、彭 洋 洋 、 童 俊 杰 、 郑 磊 内 容 提 要 ：1. 概 述 2. 频 段 分 配3. 通 信 信 道 4. 调 制 与 解 调 5. 无 线 传 感 器 网 络 物 理 层 设 计 要 点6. 物 理 层 非 理 想 特 性 研 究 1、 概 述 无 线 传 感 器 网 络 简 称 WSN， 是 由 部 署 在 监 测 区 域 内 的 大 量 、 廉 价 、 微 型传 感 器 节 点 组 成 ， 这 些 节 点 以 无 线 通 信 的 方 式 形 成 一 个 多 跳 的 、 自 组 织的 网 络

2、 系 统 ， 能 够 协 作 地 感 知 、 采 集 和 处 理 网 络 覆 盖 区 域 中 感 知 的 对 象信 息 ， 并 发 送 给 观 察 者 。 WSN协 议 栈 多 采 用 五 层 协 议 ： 应 用 层 、 传 输 层 、 网 络 层 、 数 据 链 路 层 、物 理 层 。 与 以 太 网 协 议 栈 的 五 层 协 议 相 对 应 。 物 理 层 为 设 备 之 间 的 数 据 通 信 提 供 传 输 媒 体 及 互 连 设 备 ， 为 数 据 传 输 提供 可 靠 的 环 境 。 物 理 层 的 媒 体 包 括 平 衡 电 缆 、 光 纤 、 无 线 信 道 等 。 通 信

3、用 的 互 连 设 备 指 DTE和 DCE间 的 互 连 设 备 。 DTE既 数 据 终 端 设 备 ， 又 称 物理 设 备 ， 如 计 算 机 、 终 端 等 都 包 括 在 内 。 而 DCE则 是 数 据 通 信 设 备 或 电路 连 接 设 备 ， 如 调 制 解 调 器 等 。 数 据 传 输 通 常 是 经 过 DTE DCE， 再 经 过 DCE DTE的 路 径 。 无 线 传 感 器 网 络 物 理 层 主 要 负 责 数 据 的 调 制 、 发 送 与 接 收 ， 是 决 定 WSN的 节 点 体 积 、 成 本 以 及 能 耗 的 关 键 环 节 ， 也 是 WSN

4、的 研 究 重 点 之 一 。 1、 概 述 无 线 传 感 器 网 络 物 理 层 对 节 点 能 耗 的 影 响 ： Deborah Estrin在 Mobicom 2002会 议 的 特 邀 报 告 （ Wireless Sensor Networks， Part IV： Sensor Networks Protocols ） 中所 述 传 感 器 节 点 各 部 分 能 量 消 耗 的 情 况 ， 从 下 图 可 知 ， 传 感 器 节点 的 大 部 分 能 量 消 耗 在 无 线 通 信 模 块 。通 信 单 元 在 不 同 工 作状 态 下 的 功 耗 2、 频 段 分 配欲 熟

5、悉 频 段 的 分 配 ， 首 先 先 看 一 下 电 磁 波 的 波 谱 ，如 下 图 所 示 ： 2、 频 段 分 配名称 甚低频 低频 中频 高频 甚高频 超高频 特高频 极高频符号 VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF频率 3-30KHz 30-300KHz 0.3-3MHz 3-30MHz 30-300MHz 0.3-3GHz 3-30GHz 30-300GHz波段 超长波 长波 中波 短波 米波 分米波 厘米波 毫米波波长 1KKm-100Km 10Km-1Km 1Km-100m 100m-10m 10m-1m 1m-0.1m 10cm-1cm 10mm-1mm

6、传播特性 空间波为主 地波为主 地波与天波 天波与地波 空间波 空间波 空间波 空间波 主要用途 海岸潜艇通信;远距离通 信;超远距离导航 越洋通信;中距离通信;地下岩层通信；远距离导航 船用通信; 业余无线电通信;移动通信;中距离导航 远距离短波通信;国际定点通信 电离层散射(30-60MHz);流星余迹通信; 人造电离层通信(30-144MHz); 对空间飞行体通信; 移动通信 小容量微波中继通 信; (352-420MHz); 对流层散射通信(700-10000MHz);中容量微波通信(1700-2400MHz) 大容量微波中继通信(3600-4200MHz);大容量微波中继通信(585

7、0-8500MHz);数字通信; 卫星通信;国际海事卫星通信(1500-1600MHz) 再入大气层时的通信;波导通信* 数 据 来 自 中 国 无 线 电 频 率 划 分 规 定 （ 0.03Hz-3000GHz ， 共 14个 频 带 ） 2、 频 段 分 配 ISM波 段 ISM波 段 的 特 点 是无 须 申 请 ， 利 于 降 低 成 本 。 3、 通 信 信 道3.1、 电 磁 波 的 传 播 3、 通 信 信 道3.1、 电 磁 波 的 传 播 3、 通 信 信 道3.2、 衰 减 与 信 道 损 失 3、 通 信 信 道3.3、 多 径 传 播 在 超 短 波 、 微 波 波

8、段 ， 电 波 在 传 播 过 程 中 还 会 遇 到 障 碍 物 ， 例 如 楼房 、 高 大 建 筑 物 或 山 丘 等 ， 对 电 波 产 生 反 射 、 折 射 或 衍 射 等 ， 因 此 ， 到达 接 收 天 线 的 信 号 可 能 存 在 多 种 反 射 波 （ 广 义 地 说 ， 地 面 反 射 波 也 应 包括 在 内 ） ， 这 种 现 象 称 为 多 径 传 播 。 3、 通 信 信 道3.4、 实 际 物 理 信 道实 际 环 境 中 的 无 线 信 道 往 往 比 较 复 杂 ， 除 了 自 由 空 间 损 耗 还 伴 有 多 径、 阴 影 以 及 多 普 勒 频 移

9、引 起 的 衰 落 。p 考 虑 到 比 自 由 空 间 下 更 强 的 衰 落 ， 采 用 改 进 的 Friss方 程 ： n是 信 道 损 失 指 数 ， 一 般 取 26之 间 。 衰 落 分 贝 表 达 式 为 ：p 考 虑 到 障 碍 物 的 情 况 下 ： 在 dB表 达 式 中 模 型 中 加 入 一 均 值 为 0， 方 差 为 2的 高 斯 随 机 变 量 , 等 价 于 与 一 对 数 正 态 分 布 相 乘 ， 故 其 对 数 正 态 衰 落 表 达 式 为 ：21020 )()4( GGdddPP ntr )(log10)()( 0100 dddBdPLdBdPL )

10、(log10)()( 0100 dBXdddBdPLdBdPL 4、 调 制 与 解 调 4、 调 制 与 解 调 4.1 模 拟 调 制 基 于 正 弦 波 的 调 制 技 术 无 外 乎 对 其 参 数 幅 度 A(t)、 频 率 f(t), 相 位 (t)的 调 整 。 分 别 对 应 的 调 制 方 式 为 幅 度 调 制 （ AM） 、 频率 调 制 (FM)、 相 位 调 制 (PM)。 下 图 给 出 了 这 几 种 调 制 方 式 的 一般 波 形 图 。 由 于 模 拟 调 制 自 身 的 功 耗 较 大 且 抗 干 扰 能 力 及 灵 活性 差 ， 所 以 正 逐 步 被

11、数 字 式 调 制 技 术 替 代 。 但 当 前 ， 模 拟 调 制技 术 仍 在 上 （ 下 ） 变 频 处 理 中 起 着 无 可 替 代 的 作 用 。 )()(2sin()()( ttftAts （ a） AM双 边 带 调 制 波 （ b） 调 频 信 号 （ c） 调 相 信 号 4、 调 制 与 解 调 4.2 数 字 调 制 4、 调 制 与 解 调 4.2 数 字 调 制 4、 调 制 与 解 调 4.3 UWB通 信 技 术 超 宽 带 （ Ultra Wide Band： UWB） 无 线 通 信 技 术 是 近 年 来备 受 青 睐 的 短 距 离 无 线 通 信 技

12、 术 之 一 ， 由 于 其 具 有 高 传 输 速 率 、非 常 高 的 时 间 和 空 间 分 辨 率 、 低 功 耗 、 保 密 性 好 、 低 成 本 及 易于 集 成 等 特 点 ， 被 认 为 是 未 来 短 距 离 高 数 据 通 信 最 具 潜 力 的 技术 。 依 据 FCC对 UWB的 定 义 ， UWB信 号 带 宽 应 大 于 500MHz或 相 对 带宽 大 于 0.2。 相 对 带 宽 定 义 为 ： 式 中 , f H 和 fL 为 系 统 最 高 频 率 和 最 低 频 率 。 LfHf Lf-Hfcf 2 4、 调 制 与 解 调 UWB收 发 机 结 构 图

13、 4.3 UWB通 信 技 术与 传 统 的 无 线 收 发 机 结 构 相 比 ， UWB 的 收 发 机 结 构 相 对 简 单 。UWB系 统 直 接 通 过 脉 冲 调 制 发 送 信 号 而 无 传 统 的 中 频 处 理 单 元 ， 所 以该 系 统 可 采 用 软 件 无 线 电 的 全 数 字 硬 件 接 收 结 构 ， 如 下 图 所 示 。 4、 调 制 与 解 调UWB两 个 标 准 共 存 ： 以 摩 托 罗 拉 （ Motorola） 为 代 表 的 DS-CDMA方 案 DS-CDMA方 案 建 议 采 用 双 频 带 (3.1一 5.15GHz和 5.825-13

14、.6GHz)， 即 在 每 超 过 1 GHz的 频 带 内 用 极 短 的 时 间 脉 冲 发送 数 据 ， 其 优 势 是 硬 件 简 单 ， 频 谱 利 用 率 高 。 德 州 仪 器 （ TI） 与 Intel支 持 的 多 频 带 OFDM 联 盟 (MBOA)的OFDM方 案 多 波 段 OFDM方 案 则 需 建 立 一 个 子 信 道 化 UWB系 统 ， 将 分 配 的频 谱 划 分 成 QPSK-OFDM调 制 子 频 带 ， 每 个 子 频 带 为 528MHz，优 势 是 抗 符 号 间 干 扰 (Inter-symbol Interference:ISI)能 力 强

15、， 但 硬 件 相 对 复 杂 。 4.3 UWB通 信 技 术 4、 调 制 与 解 调 4.4 扩 频 通 信 4、 调 制 与 解 调 按 照 扩 展 频 谱 的 方 式 不 同 ， 现 有 的 扩 频 通 信 系 统 可 以 分 为 ： 直 接 序 列扩 频 (Direct Sequence Spread Spectrum： DSSS)工 作 方 式 ， 简 称 直 扩(DS)方 式 ； 跳 变 频 率 (Frequency Hopping)工 作 方 式 ， 简 称 跳 频 (FH)方式 ； 跳 变 时 间 (Time Hopping)工 作 方 式 ， 简 称 跳 时 (TH)方

16、式 ； 宽 带 线性 调 频 (Chirp Modulation)工 作 方 式 ， 简 称 Chirp方 式 ； 混 合 方 式 ， 即在 几 种 基 本 的 扩 频 方 式 的 基 础 上 组 合 起 来 ， 构 成 各 种 混 合 方 式 ， 如 DS FH、 DS TH、 DS FH TH等 等 。 直 接 序 列 扩 频 和 跳 频 扩 频 是 当 前 使用 最 广 的 两 种 方 式 ， 例 如 IEEE802.15.4定 义 的 物 理 层 中 采 用 的 就 是 直接 序 列 扩 频 ， 蓝 牙 物 理 层 协 议 中 使 用 的 则 是 跳 频 扩 频 ， 下 面 主 要 介

17、 绍 这 两 种 扩 频 方 式 。 4.4 扩 频 通 信 DSSS 如 图 所 示 为 PSK直 接 序 列 扩 频 器 的 结 构 。扩 频 技 术 是 一 种 信 息 处 理 传 输 技 术 。 扩 频 技 术 是 利 用 同 域 传 输数 据 (信 息 )无 关 的 码 对 被 传 输 信 号 扩 展 频 谱 ， 使 之 占 有 远 远 超过 被 传 送 信 息 所 必 需 的 最 小 带 宽 。 4、 调 制 与 解 调 4.4 扩 频 通 信 FHSS 如 图 所 示 为 跳 频 扩 频 及 解 扩 电 路 结 构 图 。 数据调制NRZ)t(d )tcos(P2 0 )t(sd

18、 频综 码产生码钟 )t(hT )t(st (a) FH发送端框图频 率 合 成 器伪 随 机 码 产 生(a) FH发 送 原 理 框 图 (d) FH接收端框图 数据调制 )t(d频综 码产生码钟 )t(hR )t(r )t(y宽带 窄带频 率 合 成 器 伪 随 机 码 产 生(b) FH接 收 机 原 理 框 图 数 据解 调 跳 频 是 最 常 用 的 扩 频 方 式 之 一 ， 其 工 作 原 理 是 指 收 发 双 方 传 输 信 号的 载 波 频 率 按 照 预 定 规 律 进 行 离 散 变 化 的 通 信 方 式 ， 也 就 是 说 ， 通信 中 使 用 的 载 波 频 率

19、 受 伪 随 机 变 化 码 的 控 制 而 随 机 跳 变 。 4、 调 制 与 解 调 4.4 扩 频 通 信 以上分别对窄带调制技术、扩频调制技术以及UWB技术进行了分析，可以看出各种调制技术各有特点，如果将各自性能的优劣等级划分为5（最好）至1（最差）。则三种分类的调制解调方式性能比较结果如下表4-1所示。分类窄带 UWB 扩频成本3 4 3功耗2 5 4低传输范围和低速率3 5 4抗干扰能力1 5 4抗背景噪声能力2 5 2 同步难易度3 2 2频谱利用率2 4 5多播能力1 3 4表 4-1 调 制 性 能 比 较 4、 调 制 与 解 调 5、 无 线 传 感 器 网 络 物 理

20、 层 设 计 要 点 5.1 当 前 节 点 物 理 层 无 线 传 感 器 网 络 物 理 层 的 发 展 是 与 当 前 的 设 计 工 艺 水 平 紧 密 相连 的 ， 随 着 最 近 几 年 射 频 CMOS工 艺 的 发 展 ， 使 得 无 线 传 感 器 网 络物 理 层 的 成 本 和 功 耗 能 够 显 著 地 降 下 来 ， 表 5-1给 出 了 当 前 主 要 无线 感 器 网 络 节 点 物 理 层 的 主 要 性 能 参 数 。 节点名称 AMPs - WeC Mote/ Medusa MK-2/ iBadge/ Mica Mote /EyEs Mica 2/GAINS

21、 Micaz/Tmote/GAINZ射频前端芯片LMAX3162 TR1000 CC1000 CC2420调制方式GFSK ASK/OOK FSK O-QPSK(DS)工作频率(Hz) 2.4G 916.5M 300 to 1000M 2.4G工作电压(V) 3.0-5.5 3 2.1-3.6 1.8-3.6发射模式消耗电流50 mA 12 mA 16.5mA868MHz,0dBm 17.4mA0dBm接收模式消耗电流27 mA 3.8 mA115.2 kbps 1.8 mA 2.4kbps 9.6 mA 868MHz 19.7 mA 传输速率(bps) 1M OOK 30k / ASK 11

22、5.2k 最高可达76.8k 250K 发射功率-7.5 dBm 0dBm -20 to 10dBm -25 to 0dBm接收机灵敏度-93 dBm -97dBm115.2 kbps -110 dBm2.4 kBaud -94 dBm250 kBaud 表 5-1 当 前 主 要 无 线 传 感 器 网 络 节 点 物 理 层 参 数 5、 无 线 传 感 器 网 络 物 理 层 设 计 要 点 5.2 物 理 层 帧 结 构 表 5-2描 述 了 无 线 传 感 器 网 络 节 点 普 遍 使 用 的 一 种 物 理 层 帧 结 构（ 802.15.4定 义 的 物 理 层 帧 结 构 ）

23、 ， 由 于 还 没 有 标 准 化 的 物 理 层 结 构 出 现 ，当 前 设 计 基 本 都 是 以 该 物 理 层 帧 结 构 为 基 础 。 如 表 中 所 述 ， 物 理 帧 的 第 一个 字 段 是 前 导 码 ， 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 可 靠 性 越 好 ，但 需 要 更 多 的 能 量 消 耗 。 接 下 来 的 是 帧 头 （ start-of-frame delimiter, SFD字 段 ， 标

24、 示 一 个 物 理 帧 的 开 始 。 帧 长 度 （ frame length） 一 般 由 一 个字 节 的 低 7位 表 示 ， 其 值 就 是 物 理 帧 负 载 的 长 度 ， 因 此 物 理 帧 负 载 的 长 度不 会 超 过 127个 字 节 。 物 理 帧 的 负 载 长 度 可 变 ， 称 之 为 物 理 服 务 数 据 单 元（ PHY service data unite,PSDU） ， 一 般 承 载 MAC帧 。 4字节 1字节 1字节 可变长度前导码 SFD 帧长度（7位） 保留位 PSDU同步头（ SHR） 帧的长度，最大为128字节（ PHR） PHY负载表

25、 5-2 物 理 层 帧 结 构 5、 无 线 传 感 器 网 络 物 理 层 设 计 要 点 5.3 设 计 要 点 物 理 层 的 设 计 目 标 是 以 尽 可 能 少 的 能 量 损 耗 获 得 较 大 的 链 路 容 量 。 为 了 确 保 网 络的 平 滑 性 能 ， 该 层 一 般 需 与 介 质 访 问 控 制 （ MAC） 子 层 进 行 密 切 地 交 互 。 物 理 层 需 要考 虑 编 码 调 制 方 式 、 通 信 速 率 和 通 信 频 段 等 问 题 。 5.3.1 编 码 调 制 方 式 的 选 择 E.Shih等 人 对 二 进 制 和 M-ary调 制 方

26、式 进 行 了 研 究 比 较 ， 其 分 析 指 出 ， 在 相 同 的 码 元速 率 的 情 况 下 ， M-ary调 制 方 式 传 输 的 信 息 量 是 二 进 制 调 制 方 式 的 log2M倍 ， 因 此 更 节省 了 传 输 时 间 ， 但 是 其 同 时 指 出 M-ary调 制 相 对 于 二 进 制 调 制 方 式 实 现 上 更 复 杂 而 且抗 干 扰 能 力 较 差 ， 尤 其 对 于 功 率 受 限 的 无 线 传 感 器 网 络 节 点 ， M越 大 误 码 性 能 就 会 越严 重 。 CDMA调 制 方 式 虽 然 可 以 提 高 系 统 容 量 ， 但

27、是 每 个 节 点 要 存 储 所 有 通 信 节 点 的 PN码 显 然 是 不 现 实 的 。 5.3.2 频 率 的 选 择 频 率 的 选 择 是 影 响 无 线 传 感 器 网 络 性 能 、 体 积 、 成 本 的 一 个 重 要 参 数 。 （ 1） 从 节 点 的 功 耗 的 角 度 节 点 自 身 能 耗 与 传 播 损 耗 与 工 作 频 率 的 关 系 。 （ 2） 从 节 点 物 理 层 集 成 化 程 度 、 成 本 的 角 度 天 线 的 大 小 要 求 以 及 电 感 的 集 成 化 水 平 与 频 率 的 关 系 。 当 前 频 段 的 选 择 大 都 集 中

28、在 433-464MHz 、 902-928MHz以 及 2.4-2.5GHz ISM波 段 。 5、 无 线 传 感 器 网 络 物 理 层 设 计 要 点 5.4 当 前 的 主 要 技 术 难 点 (1)成 本 天 线 和 电 源 的 集 成 化 设 计 目 前 仍 是 非 常 有 挑 战 性 的 研 究 工 作 。晶 体 振 荡 器 仍 是 影 响 当 前 物 理 层 成 本 的 一 个 重 要 因 素 。 (2)功 耗 要 使 得 无 线 传 感 器 网 络 节 点 寿 命 达 2 7年 （ 电 池 供 电 ） ， 这 就要 求 节 点 的 平 均 能 耗 在 几 个 W， 虽 然

29、可 以 采 用 duty-cycle的 工 作机 制 来 降 低 平 均 功 耗 ， 但 当 前 商 业 化 通 信 芯 片 功 耗 仍 在 几 十 mW， 这对 于 能 源 受 限 的 无 线 传 感 器 网 络 节 点 仍 是 难 以 接 受 的 。 5、 无 线 传 感 器 网 络 物 理 层 设 计 要 点 5.5 最 新 的 实 现 方 法 T. Melly等 人 基 于 CMOS工 艺 实 现 了 433MHz直 接 下 变 频 FSK接 收 机 ， 该 接 收 机 节 省 了中 频 处 理 模 块 ， 从 而 降 低 了 物 理 层 成 本 和 功 耗 。 Y.Chee等 人 设

30、 计 实 现 了 一 种 基 于 注 入锁 定 （ injection locking） 技 术 的 OOK射 频 前 端 ， 发 射 机 仅 消 耗 1.9mW0dBm。 超 宽 带 （ UWB） 技 术 是 一 种 无 需 载 波 的 调 制 技 术 ， 其 超 低 的 功 耗 和 易 于 集 成 的 特 点非 常 适 于 WSN短 距 离 通 信 。 鉴 于 此 ， PicoRadio课 题 组 的 Rabaey等 人 开 展 了 以 UWB为 物 理层 的 研 究 。 但 是 UWB信 号 接 收 需 要 较 长 的 捕 获 时 间 ， 即 需 要 较 长 的 前 导 码 ， 这 将

31、降 低 信号 的 隐 蔽 性 ， 所 以 需 要 MAC层 更 好 的 协 作 。 目 前 ， WSN物 理 层 协 议 的 研 究 还 处 于 初 级 阶 段 ， 在 硬 件 和 软 件 方 面 都 还 需 要 做 进 一步 的 研 究 。 硬 件 方 面 ： 目 前 的 WSN节 点 在 体 积 、 成 本 和 功 耗 上 与 其 广 泛 应 用 的 标 准 还 存在 一 定 的 差 距 ， 缺 乏 小 型 化 、 低 成 本 、 低 功 耗 的 片 上 系 统 （ system on chip： SOC） 实 现 ； 软 件 方 面 ： WSN物 理 层 迫 切 需 要 符 合 其 特

32、点 和 要 求 的 简 单 的 协 议 、 算 法 设 计 ， 特 别是 调 制 机 制 。 已 有 学 者 提 出 一 种 协 同 发 射 的 虚 拟 MIMO调 制 方 式 ， 这 种 方 式 可 以 协 同 传输 以 达 到 远 距 离 基 站 ， 可 以 减 少 或 避 免 多 跳 损 耗 ， 但 是 这 种 方 式 需 要 精 确 的 同 步 ， 不过 随 着 MIMO技 术 的 发 展 ， 尤 其 空 时 编 码 技 术 的 发 展 ， 这 种 调 制 技 术 将 有 非 常 大 的 应 用潜 力 。 6、 物 理 层 非 理 想 特 性 研 究 6.1 非 理 想 特 性 的 来

33、 源 对 于 实 际 的 节 点 平 台 ， 物 理 层 非 理 想 特性 可 具 体 表 现 为 无 线 信 号 传 输 的 不 规 则 性（ Radio Irregularity） ， 较 长 的 电 路 转 换时 间 以 及 较 低 的 效 能 。 图 6-1描 述 了 由 于 非匹 配 以 及 连 接 线 损 耗 带 来 额 外 能 量 损 失 。 图6-2描 述 了 收 发 天 线 的 极 化 方 向 性 偏 差 引 起的 低 效 率 接 收 。 图 6-3给 出 了 电 池 对 传 输 性能 的 影 响 。 图 6-1 非 匹 配 及 线 路 引 起 的 能 量 损 耗 图 6-2

34、 极 化 引 起 的 接 收 效 率 的 变 化图 6-3 电 池 引 起 的 不 规 则 性 传 输 6、 物 理 层 非 理 想 特 性 研 究 6.2 无 线 传 输 不 规 则 性 建 模 T. He等 人 ， 提 出 了 DOI（ Degree of Irregularity） 模 型 。图 6-4 DOI模 型 Zhou等 人 在 DOI模 型 的 基 础 上 ， 通 过 基 于 MICA2节 点 的 实 际 测 量 研 究 ， 提 出了 一 种 更 为 精 确 的 RIM（ Radio Irregularity Model） 模 型 。 即 在 无 线 传 输 损 耗 与衰 落

35、方 程 中 ， 引 入 了 方 向 性 损 耗 系 数 Ki， 使 得 接 收 信 号 强 度 变 为 ： Pr（ Received Signal Strength） = Ptx（ Sending Power） DOI Adjusted PathLoss + Fading NiiDOIRK iK i 3600 , and 0 , 1 1i其 中 ， DOI Adjusted Path Loss = Path Loss Ki ， 这 里 Ki是 不 同 方 向 上 的 损 耗 系 数 。 6、 物 理 层 非 理 想 特 性 研 究 6.3 不 规 则 性 对 上 层 的 影 响 及 应 对 策

36、 略6.3.1 对 MAC层 的 影 响 以 图 4-22（ b） 为 例 ， 节 点 B正 给 节 点 C发 送 数 据 ， 由 于 无 线 传 输 的 不 规则 性 节 点 A侦 听 不 到 B发 送 的 数 据 ， 如 果 A有 包 待 发 便 会 认 为 信 道 空 闲 而 选 择发 射 ， 这 样 就 会 在 节 点 C处 产 生 冲 突 。 （ a） 载 波 侦 听 （ carrier sensing） (b)握 手 方 式 （ handshaking） 图 6-5 对MAC层的影响 6、 物 理 层 非 理 想 特 性 研 究6.3.2 对 路 由 层 的 影 响 反 向 路 径

37、 (path-reversal )、 多 轮 发 现 (multi-round discovery)、 邻 居 发现 (neighbor discovery)等 技 术 广 泛 地 在 路 由 协 议 中 使 用 。 由 于 无 线 传 输 的 非 对 称性 ， 基 于 反 向 路 径 技 术 的 路 由 协 议 在 反 向 链 路 中 可 能 会 出 现 断 链 的 问 题 ， 如 图 4-23(a)所 示 。 而 基 于 多 轮 发 现 技 术 的 路 由 协 议 ， 对 于 非 对 称 性 传 输 性 能 要 更 好 一 些 ，这 主 要 是 因 为 多 轮 尝 试 增 加 了 保 证

38、链 路 对 称 传 输 的 概 率 ， 如 图 4-23(b)。 邻 居 发 现技 术 是 基 于 定 位 路 由 协 议 的 关 键 技 术 ， 但 是 如 果 链 路 出 现 非 对 称 现 象 ， 将 会 使 得 路由 表 出 现 死 区 ， 如 图 4-23(c)所 示 ， 节 点 A首 先 根 据 邻 居 节 点 的 广 播 的 建 立 自 己 的 邻居 表 ， 并 且 邻 居 节 点 B能 够 发 送 数 据 到 A， 但 是 A发 送 的 数 据 不 能 到 达 B， 如 果 A不 尝试 别 的 邻 居 节 点 将 会 陷 入 死 区 。 （ a） 对 基 于 反 向 路 径 路

39、 由 协 议 的 影 响 (b)多 轮 发 现 的 路 由 识 别 技 术 (c) 对 路 由 邻 居 表 的 影 响图 6-6 对 路 由 层 的 影 响 6、 物 理 层 非 理 想 特 性 研 究 6.4 应 对 策 略 要 解 决 无 线 传 输 不 规 则 性 对 链 路 层 、 路 由 层 的 影 响 ， 就 应 该 保证 链 路 传 输 的 对 称 性 。 一 种 基 本 的 方 法 就 是 采 用 几 何 对 称 传 输 机 制（ Symmetric Geographic Forwarding : SGF） ， 其 基 本 原 理 为 ： 在Beacon中 加 入 该 节 点

40、所 有 的 邻 居 信 息 ， 当 邻 居 节 点 接 收 到 Beacon后 ，将 源 节 点 写 入 自 己 的 邻 居 表 中 ， 并 考 察 自 己 的 ID号 是 否 在 Beacon中 。如 果 在 Beacon中 ， 有 该 节 点 的 ID号 ， 表 示 源 节 点 和 该 节 点 的 通 信 链 路是 对 称 的 。 否 则 ， 这 条 链 路 就 被 认 为 是 非 对 称 的 。 另 外 一 种 方 法 就 是 采 用 传 输 距 离 受 限 的 方 式 （ Bounded Distance Forwarding： BDF） ， 即 使 得 源 节 点 在 进 行 数 据 传 输 时 ， 只与 根 据 DOI模 型 确 定 的 内 环 内 的 节 点 进 行 信 息 的 交 互 ， 这 样 就 从 硬 性 上 保 证 了 链 路 的 对 称 性 。