第6章 无线传感器网络协议规范与通信技术知识 《物联网技术知识与应用（第2版）》课件.pptVIP

物联网;第六章 无线传感器网络协议规范与通信技术;6.1 IEEE 802.15.4标准;6.2 IEEE 802.15.4网络结构;PAN网络协调器(PAN coordinator)，是LR-WPAN网络中的主控制器。PAN网络协调器除了直接参与应用外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。 IEEE 802.15.4网络设备的数量以及它们之间关系是动态变化的。;6.2.1 物理层;;IEEE802.15.4标准规定物理层主要有以下功能： (1)激活或休眠无线收发器； (2) 对当前信道进行能量检测； (3) 发送链路质量指示； (4) CSMA/CA媒质访问控制方式的空闲信道评估； (5) 信道频率的选择； (6) 数据接收与发送。 ;信道能量检测：为上层提供信道选择的依据，主要是测量目标信道中接收信号的功率强度。该检测本身不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声信号功率之和。 链路质量指示：为上层服务提供接收数据时无线信号的强度和质量信息，它要对检测信??进行解码，生成一个信噪比指标。 空闲信道评估：判断信道是否空闲。IEEE802.15.4标准定义了三种空闲信道评估模式： （1）简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为信道空闲； （2）判断无线信号特征，该特征包含两个方面，即扩频信号特征和载波频率； （3）前两种方法的综合，同时检测信号强度和特征，判断信道是否空闲。 ;IEEE802.15.4 工作频段 （1）2400～2483.5MHz （2）902～928MHz （3）868～868.6MHz ;IEEE802.15.4标准定义了27个物理信道，信道编号从0到26，每个具体的信道对应一个中心频率，这27个物理信道覆盖了表1中的三个不同频段。 中心频率定义如下： 式中： 为信道编号， 为信道对应的中心频率。;在PHY层的有关参数中，有以下四个重要参数需要注意： 传输能量（Power）：约1 ； 传输中心频率的兼容性即频率稳定度（标识了无线解码器工作频率的稳定程度）：约 （part per million，百万分比）； 接收器感度： ， ， 分组差错率（ ）； 接收信号强度指示的测量（RSSI）。;物理层载波调制及扩频 物理层三个不同的频段上数据传输速率、信号处理过程和调制方式等指标都是不同的。 ;2.4GHz频段物理层将协议数据单元（PHY Protocol Data Unit, PPDU）每字节的高四位和低四位分别映射组成数据符号（Symbol），不同数据符号又被映射成32位伪随机噪声数码片（Chip），具体内容见表2。数码片序列采用半正弦波形的偏移四相移相键控技术（Q-QPSK）调制。对偶数序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制。 ;数据符号（Symbol） （十进制）;868MHz、915MHz频段上信号处理过程相同，只是数据速率不同。868/915频段物理层先将PPDU二进制数据进行差分编码，差分编码是将当前数据位与前一编码位以模为2异或而成。 发送： 接收： 式中： 为进行编码的原始数据； 为对应的编码位； 为前一编码位。 经编码的数据位又被映射成15位伪随机噪声数码片（Chip），如表3所示。数据码片序列采用二相的移相键控技术（BPSK）调制。 ; 图6-5 868/915MHz物理层调制及扩频模块;PPDU结构 PPDU数据由数据流同步的头文件（SHR）、含有帧长度信息的物理层报头（PHR）和承载有MAC帧数据的净荷组成。 ;6.2.2 MAC层;;MAC层的主要具备以下7个功能： 1.网络协调器产生并发送信标帧； 2.网络中普通设备与信标同步； 3.支持PAN网络的关联（Association）和取消关联（Disassociation）操作； 4.为设备的安全性提供支持； 5.信道接入方式采用CSMA-CA机制； 6.处理和维护时槽保障（Guaranteed Time Slot, GTS）机制； 7.在两个对等的MAC实体间提供一个可靠的通信链路。 ;关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认证的过程。 时槽保障机制GTS和时分复用机制（Time Division Multiple Access，TDMA） IEEE 802.15.4网络可以分为有信标网络（Beacon-Enable Network）和无信标网络（Non Beacon-Enable Network）。 超帧结构:超帧格式是由网