物联网通信技术

无线通信基础
- 信号传输
- 编码和调制
无线网络基础
- 多址接入（MAC）
802.15.4/Zigbee
- 概述
- 物理层
- MAC层
- 网络层
- TinyOS
无线局域网
- MAC层
- 功耗管理
无线广域网
物联网通信架构
- 基于IP的物联网通信架构
- 6LowPAN
各种技术对比！

无线通信基础

信号传输

信号

时域概念
- 模拟信号
- 数字信号
- 周期信号
- 非周期信号
频域概念
- 一个电磁信号由多种频率成分组成
- 基频：当一个信号的所有频率成分都是某个频率的整数倍时，后者称为基频
- 频谱：一个信号包涵的频率范围
- 绝对带宽：一个信号的频谱宽度
- 有效带宽：一个信号的绝大部分能量集中在相当窄的频带内
数据与信号
- 数据：传达某种意义或信息的实体
- 信号：数据的电气或电磁表示
- 传输：通过信号的传播和处理进行数据通信的过程
数据率与带宽
- 数据率：数据能够进行通信的速率，单位b/s
  - 数据率 = 2*基频
- 带宽：传输信号的带宽，受发送器和传输媒体限制
  - 信道无噪声：尼奎斯特带宽
    - B：带宽
  - 信道有噪声
    - 信噪比，SNR, S/N：信号功率／噪声功率
    - 分贝：用来表示信号强度的增益、损耗以及相对值
    - dB & dBm
信道容量：给定条件下，在某一通信线路（信道）上，数据可以被传输的最大速率
- 香农容量公式
- 举例
传输媒体：数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径
- 导向：双绞线、光纤
- 非导向：大气
复用
- FDM
- TDM
- OFDM：正交频分复用

天线

各向同性天线
偶极天线
抛物反射天线

天线增益

天线定向性度量
天线增益定义为在一特定方向的功率输出：

传播

直线传播
- 自由空间损耗公式
  - 未考虑天线增益
  - 考虑天线增益
- 实质就是空间的损耗减去发送端和接收端的增益
信噪比SNR
衰减原因
- 大气吸收
- 多普勒效应
- 多径
  - 反射
  - 衍射
  - 散射

衰落

由于信道的变化导致接收信号的功率随时间、地理位置、频率等变化
慢衰落
快衰落
- 描述信号幅值的瞬时变化，与多径传播有关

接收

接收基噪声基底
- RNF = kTW + NF
- kTW：理论热噪声基底
- NF：噪声系数
接收机灵敏度

编码和调制

数字信号-模拟信号

幅移键控（ASK）
- 用振幅恒定的载波表示一个二进制数
- 在光纤中传播数字数据时使用
- 优点
  - 简单
- 缺点
  - 最易受噪声影响
  - 效率低
频移键控（FSK）
- 用不同频率表示不同的二进制值
- 用于高频率无线（或同轴电缆）的传输
- 多进制：带宽效率高，但易出错
- 优点
  - 比ASK抗干扰强
  - 电压噪声可以忽略
- 缺点
  - 需要频谱最大
相移键控（PSK）
- 二相相移键控（BPSK）
- 差分相移键控（DPSK）
  - 通过与前面的信号比较决定相移
- 四相相移键控（QPSK）
- 多相位相移键控
- 用途：广泛使用
- 优点
  - 比ASK抗干扰强，和ASK用相同带宽
  - 比FSK带宽利用率高
- 缺点
  - 检测、恢复信号比ASK、FSK更复杂
计算带宽

无线网络基础

多址接入（MAC）

MAC层定义用户需要时如何访问无线信道

随机访问
- ALOHA, CSMA
有序访问
- 令牌总线（环）
确定性访问
- FDMA, TDMA, CDMA
组合

CSMA：载波监听

发前先听
1-持续CSMA
- 一有空就发
p-持续CSMA
- 有空闲随机概率p发送

CSMA/CD

发前先听，边发边听
无线中难于检测冲突

隐藏节点问题

在无线环境中，当两个节点相距较远时，无发进行载波监听

CSMA/CA

冲突避免CA = Collision Avoidance
监听到信道空闲，维持一段时间后，再随机等待一段时间仍然空闲，才提交数据
RTS-CTS握手
- 设备发送数据之前，先发送RTS帧给目标端，等待目标端回应CTS帧后才开始发送
暴露节点问题

总结对比

随机访问：CSMA
- 轻载：快速响应
- 重载：吞吐量下降
- 实现简单
确定性协议：TDMA，FDMA
- 带宽保证
- 平均延迟较高
- 延迟变化小
- 同步、协调等机制
混合：CSMA/TDMA
- 自适应、开销大

802.15.4/Zigbee

概述

ZigBee技术优点

低功耗
低成本
低速率
近距离
短时延
高容量
高安全
免执照频段

物理层

Symbol

Symbol的具体内容和采用的调制方式有关
- 2.4GHz, 4bit数据用一个Symbol表示，16种
- 其他，1bit数据用一个Symbol表示，2种

功能

打开和关闭收发器
信道能量检测
链路质量指示
空闲信道评估
信道频率选择
在物理介质上发送和接收数据包

MAC层

数据传输

数据由装置发送给协调者
数据由协调者发送给装置
数据由网路装置中对等传输（星状拓扑不支持）

信标使能网络（Beacon mode）

超帧：实现协调器和设备的时间同步、识别PAN及设备之间的通信（不支持网状拓扑结构）
- CAP（Contention Access Period）采用时隙CSMA/CA
- CFP（Contention Free Period）采用时隙GTS机制通信
通信时间划分
- 活跃期（划分为16个等长的slot）
  - 信标帧发送阶段
  - CAP
  - CFP
- 睡眠期
BO：信标级数，取值范围0到14，等于15时表示不使用超帧结构
SO：超帧级数，取值范围0到14，但必须保证SO不大于BO，当二者相等时，表示该超帧中不包含非活跃期
Duty Cycle
- 活跃时间2^(-(BO-SO))
- 睡眠时间1-2^(-(BO-SO))
- （N总-N非活跃）/N总
CAP
- CAP开始于beacon帧之后，结束于CFP开始之前的时隙边界上。如果CFP长度为0，CAP结束于超帧活动区末端
- 长度至少为MinCAPLength个符号长度，可以通过调节CFP长度动态的增减
- 除了确认帧和紧跟因数据请求而发送的确认帧之后的数据帧以外，所有CAP内的帧都是用CSMA/CA
- 必须保证该传输事务结束时距CAP结束至少还有一个帧间间隔（IFS），以保证接收方有时间处理该帧；否则延迟到下一个CAP发送
- 帧间隔时间IFS
  - ACK延时t_ACK发送
  - SIFS：当前一个DATA帧长度小于等于MaxSIFSFrameSize(18)时，后一个帧至少延时SIFS发送
    - SIFS的典型值是12 Symbols
  - LIFS：前一个帧长大于18，后一帧延迟LIFS发送
    - LIFS的典型值是40 Symbols
CFP
- CFP是为了保证某个设备的QoS而设置的。它开始于CAP结束后的时隙边界上，结束于超帧活动区域尾部
- CFP扩大或减小取决于所有GTS的总长度
- 在GTS内传输不用CSMA/CA
- 保证传输结束时距它的GTS结束至少有一个帧间间隔
- GTS: Guaranteed Time Slot
  - 用于低延迟或对数据传输带宽有特殊要求的应用
  - 协调者通过超帧负责分配，最多分配7个，每个可以占用1个或多个时间片
CSMA/CA时隙 UnitBackoffPeriod：20 Symbols
CSMA/CA退避算法
- NB：后退次数，已执行的back off的次数
- CW：碰撞窗口长度，单位为backoff period, 20 Symbols，含义是必须执行几次帧测频道皆为闲置时才可将数据送出，初始值为2
- BE：后退指数，Backoff Time = 2^BE - 1，取值0-5
- 2CCA：为了保护ACK，因为ACK需要延迟t_ACK时间才能发送，只检测一个CCA可能会导致碰撞
数据由装置发送给协调器（直接传输）
数据由协调者发送给装置（间接传输）

信标不使能网络（Non-beacon mode）

无超帧，通过无时隙的CSMA/CA机制发送数据
某一节点的退避周期和PAN中任何其他的节点的退避周期无关
无时隙CSMA/CA
数据由装置发送给协调器（直接传输）
数据由协调者发送给装置（间接传输）

性能分析

实例：2.4GHz频段上使用非时隙CSMA/CA能够达到的数据传输率250kbps? 有退避、CCA、必要的间隔
1. 信道访问时间
  - {0, 2^BE-1}周期，1CCA
  - 假设信道空闲，退避1次即可，BE=macMinBE=3
  - 最长访问时间=InitialblockoffPeriod + CCA = (2^3 - 1) x UnitBackoffPeriod + CCA = 7 x 320 + 128 (微秒)= 2.368 ms
  - 其中 InitialblockoffPeriod = 8 symbols UnitBackoffPeriod = 20 symbols 1 symbol = 16 (微秒)
2. 数据帧传输时间
  - 最大有效载荷：MaxPHYPacketSize = 127
3. 确认传输时间
  - 不使用CSMA/CA.....................

网络层

路由

树形路由
- 有信标
- 地址分配
  - 基于树的深度新加入的路由节点被赋予一个连续的地址范围
  - 该范围中的第一个整数为该节点的地址，余下的数用于分配子节点
  - Cm：最大孩子个数
  - Rm：最大子路由节点个数
  - Lm：网络最大深度，[0 ~ Lm]
  - 分配方案
    - 具有深度d < Lm的路由节点的地址范围为A(d)
      - if d = Lm - 1, then A(d) = 1 + Cm
      - else A(d) = 1 + Cm - Rm + Rm * A(d+1)
    - 深度为Lm的路由节点和终端设备的地址范围为1
  - 地址分配实例
    - 给定Rm = 2, Cm = 4, Lm = 3
    - 分配：
      - A(3) = 1
      - A(2) = 1 + 4 - 2 + 2 * A(3) = 5
      - A(1) = 1 + 4 - 2 + 2 * A(2) = 13
      - A(0) = 1 + 4 - 2 + 2 * A(1) = 29
      - Range: [0 ~ 28]
      - 根节点地址：0
      - 第一层节点的地址范围：[1 ~ 13], [14, 26], 27, 28
      - 第二层节点的地址范围：{[2 ~ 6], [7 ~ 11], 12, 13}, {[15 ~ 19], [20 ~ 24], 25, 26}
网状路由
- 无信标，对等传输
- 有路由能力：AODV

AODV

路由发现过程
- 要向某一目的节点发送数据的节点广播一个RREQ消息
- 收到RREQ消息的节点继续广播
- 当节点广播RREQ时，同时设置一个指向源节点的反向路径（丢弃收到的重复路由请求分组）
- AODV假定连接是对称的
- 当目的节点收到RREQ时，发送路由回复消息
- 路由回复RREP消息沿路由请求转发时设置的反向路径传回源节点
- 如果中间节点知道目的节点的路径，且该路径较新，也可以发送RREP
- 使用序列号定义路径的新旧，被发现的时间的远近

TinyOS

启动／停止

发送数据

接收数据

选信道 在makefile里加入：PFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=13

AM Type 代码中的id enum { AM_BLINKTORADIO = 6, };

包格式

00：表示AM数据包
目标地址（2B）
源地址（2B）
消息长度（1B）
组号（1B）
AM Type (1B)
Payload (最大28B)
- nodeid (2B)
- counter (2B)

无线局域网

MAC层

帧定义

控制帧
数据帧
管理帧
MAC首部：30字节
帧主体：数据部分，不超过2312字节（如果数据长度大于2312则要分片！）；通常小于1500字节
帧检验序列FCS：4字节

分布式协调功能（DCF）子层使用CSMA/CA机制，向上提供争用服务。 点协调功能（PCF）子层使用集中控制的接入算法，把数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生。

帧间间隔IFS

SIFS：短
- ACK帧、CTS帧、MAC帧分片的数据帧、回答AP探寻的帧、PCF中AP发送的任何帧
PIFS：点协调PCF功能帧间间隔，比SIFS长；在PCF方式下使用，没有争用
DIFS：分布协调DCF功能帧间间隔，在DCF方式中用来发送数据帧和管理帧。

分布式协调DCF

CSMA/CA
- 发前先听，空闲等待DIFS，发送
- 为什么空闲后还要等待？
  - 可能有其他的站有高优先级的帧要发送
- 源站发送了数据帧；目的站正确接收此帧，隔SIFS后，向源站发送确认帧ACK
- 若源站没有在规定时间内收到ACK，则需重传此帧，直到收到或放弃
- 虚拟载波监听（Virtual Carrier Sense）
  - 让源站将它要占用信道的时间通知给其他站，以便使其他站在此时间内停止发送数据
  - 表示其他站并没有监听信道，而是由于收到了源站的通知，才不发送数据
- 网络分配向量
  - 当检测到MAC帧首部的持续时间字段时，就调整自己的网络分配向量NAV
  - NAV指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输，才能使信道转入空闲状态
- 争用窗口
  - 不仅要等待一个DIFS，还要进入争用窗口，并计算随机退避时间以便再次试图接入到信道
- 二进制指数退避算法
  - 第i次退避在2^{2+i}个时隙中随机选择一个
    - 第1次退避在8个（0-7）时隙中随机选择一个
    - 第3次退避在32个时隙中随机选择一个
  - 仅在要发送第一个数据帧时检测到信道空闲时才不使用退避算法！
  - 除此之外所有情况都要用！即
    - 发送第一帧时检测到信道忙
    - 每次重传后
    - 每次成功发送后
- 退避计时器（backoff timer）
  - 若信道空闲，则退避计时器就继续倒计时
  - 若信道忙，就冻结退避计时器的剩余时间，重新等待变为空闲，再经过DIFS后，从剩余时间继续
  - 如果计时器减小到0，则开始发送整个数据帧
- RTS/CTS
与802.15.14 MAC层CSMA/CA区别
- 空闲信道检测只需一个CCA，802.15.14需要2个
- 无限制回退
- 回退算法：802.15.14无冻结
- 虚拟载波监听！！

点协调 PCF

每个超帧周期分为CFP和CP
- CFP阶段传输实时业务，使用PCF
- CP使用DCF
轮询列表
- 一个CF-Poll授权发送一个帧
调度算法
- PC到Station
- Round-Robin Scheme (R-Poll)：地址从小到大轮询
- Cyclic Shift Polling Scheme (CS-Poll)：循环移动列表顺序
- FIFO：缓存队列里的数据帧顺序

功耗管理

TIM：Traffic Indiction Map，标志哪个STA有缓存的帧 DTIM：发送TIM广播包

Power-Save mode (PS)

每个Listen_Interval周期内激活接收器
STA进入PS模式应通知AP，所有到它那的帧都会被缓存
通信
- 关闭射频，定期睡眠
- AP缓存发往该终端的数据包
- 缓存信息在TIM里说明
- 醒来的终端需要用PS-Poll帧来接收数据包
AP响应PS-Poll
- 立即响应
- 有分片的立即响应
- 推迟响应

无线广域网

大容量的小区制：利用有限频段覆盖无限大面积

思想是用许多小功率的发射机代替单个的大功率发射机，每一个小的功率覆盖区只提供服务范围内的一小部分覆盖。相邻小区使用不同信道组，从而防止相互干扰。通过限制小区的覆盖面积，使得同信道组可以在不同地方重复使用。

为整个系统中的所有基站选择和分配信道组的设计过程叫做频率复用。 * 多个不同频率的小区cell构成簇cluster；不同簇使用对应的相同频率

越区切换 Handoff 在不中断通讯的情况下从一个小区穿越到另一个小区时：

识别一个新的BS
把语音信道和控制信道同时切换到新的BS
切换请求的优先级高于呼叫请求
切换步骤
- 测量控制
- 测量报告
- 切换判决
- 切换执行分类
硬切换
- 在频率不同的小区切换，先断旧连接，再建立新连接（GSM）
软切换
- 在频率相同的小区切换，新建连接成功后，再拆旧连接（CDMA）

切换规则

相对信号强度准则
- 切换点A，原基站信号强度满足通话要求时，仍可能切换
具有门限规定的相对信号强度准则
- 门限Th2时，切换点B，当前基站信号低于门限，新基站信号更强
- 门限高时，接近于 相对信号强度准则；
- 门限太低，增大越区时延
具有滞后余量的相对信号强度准则
- 新基站信号强（滞后余量h）很多时，切换点C，避免乒乓效应
具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则
- 切换点D