物理層協(xié)議復習課程

1、物理層協(xié)議4.1 概述 4.1 概述 Lan F. AkyildizD 提出了WSN協(xié)議棧的五層模型，分別對應OSI參考模型的物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。 物理層物理層為設備之間的數據通信提供傳輸媒體及互連設備，為數據傳輸提供可靠的環(huán)境。物理層物理層的媒體包括同軸電纜、光纖、無線信道等。通信用的互連設備指DTE和DCE間的互連設備。DTE既數據終端設備，又稱物理設備，如計算機、終端等都包括在內。而DCE則是是數據通信設備或電路連接設備，如調制解調器等。數據傳輸通常是是經過DTEDCE，再經過DCEDTE的路徑。 無線傳感器網絡物理層無線傳感器網絡物理層主要負責數據的調制、發(fā)送與

2、接收，是決定WSN的節(jié)點體積、成本以及能耗的關鍵環(huán)節(jié)，也是WSN的研究重點之一 。4.1 概述 無線傳感器網絡物理層對節(jié)點能耗的影響： Deborah Estrin 在Mobicom 2002 會議的特邀報告（Wireless Sensor Networks，Part IV：Sensor Networks Protocols ）中所述傳感器節(jié)點各部分能量消耗的情況，從圖 可知，傳感器節(jié)點的大部分能量消耗在無線通信模塊 。4.2 頻段分配4.2 頻段分配名稱甚低頻低頻中頻高頻甚高頻超高頻特高頻極高頻符號VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF頻率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz

3、3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超長波長波中波短波米波分米波厘米波毫米波波長1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm傳播特性空間波為主地波為主地波與天波天波與地波空間波空間波空間波空間波主要用途海岸潛艇通信;遠距離通信;超遠距離導航越洋通信;中距離通信;地下巖層通信;遠距離導航船用通信; 業(yè)余無線電通信;移動通信;中距離導航遠距離短波通信;國際定點通信電離層散射(30-60MHz);流星余跡通信; 人造電離層通信(30-144MHz); 對空間飛行體通信;

4、移動通信小容量微波中繼通 信;(352-420MHz);對流層散射通信(700-10000MHz);中容量微波通信(1700-2400MHz)大容量微波中繼通信(3600-4200MHz);大容量微波中繼通信(5850-8500MHz);數字通信; 衛(wèi)星通信;國際海事衛(wèi)星通信(1500-1600MHz)再入大氣層時的通信;波導通信（中國無線電管理機構的設置）4.2 頻段分頻 ISM波段 ISM波段的特點是無須申請，利于降低成本。內容提要4.3 通信信道 4.3 通信信道 4.3.1 自由空間信道 4.3.2 多徑信道 4.3.3 加性噪聲信道 4.3.4 實際物理信道 4.3.1 自由空間信道

5、Friis傳輸公式： 其中， Pt為天線輻射功率； 稱為自由空間傳播損耗（path loss），只與 、d有關。發(fā)射源接收機d)()()4(44212212221wLGGPwdGGPdGGPPfstttr圖 4-2 無線信道傳輸fsL自由空間信道是一種理想的無線信道，它無阻擋、無衰落、非時變的自由空間傳播信道。4.3.2 多徑信道多徑信道 在超短波、微波波段，電波在傳播過程中還會遇到障礙物 ，例如樓房、高大建筑物或山丘等，對電波產生反射、折射或衍射等，如圖 4- 3。圖 4- 3 造成多徑傳播的原因 4.3.2 多徑信道多徑信道 到達接收天線的信號可能存在多種反射波（廣義地說，地面反射波也應包

6、括在內），這種現象稱為多徑傳播。2212)2()4(4dhhGGdPP rttr地面反射路徑總距離r2視距r1hrht水平距離 d源節(jié)點目標點圖 4- 3 two-ray modelrthhd 時4.3.3 加性噪聲信道加性噪聲信道 如果噪聲主要是由電子元件和接收放大器引入的，則為熱噪聲，統(tǒng)計學上表征為高斯噪聲。因此，該數學模型稱為加性白高斯噪聲信道(AWGN,Additive White Gaussian Noise Channel)模型。因該模型可以廣泛地應用于許多通信信道，又由于它數學上易處理，所以這是目前通信系統(tǒng)分析和設計中主要應用的信道模型。信道衰減很容易結合進這個模型，當信號遇到衰

7、減時，則收到的信號為 r(t)=as(t)+n(t) 式中，a表示衰減因子。 s(t)n(t) ) t (n ) t ( s ) t ( r a 4.3.4 實際無線信道 實際環(huán)境中的無線信道往往比較復雜，除了自由空間損耗還伴有多徑、陰影以及多普勒頻移引起的衰落。p 考慮到比自由空間下更強的衰落，采用改進的Friss方程： n一般大于2. 衰落分貝表達式為：p 考慮到障礙物的情況下： 在dB表達式中模型中加入一均值為0，方差為2的高斯隨機變量, 等價于與一個對數正態(tài)分布相乘，故其對數正態(tài)衰落表達式為：21020)()4(GGdddPPntrdB)(log10)dB()dB(0100XdddPL

8、dPL4.4 調制與解調 4.4.1 模擬調制 4.4.2 數字調制 4.4.3 UWB通信技術 4.4.4 擴頻通信4 調制與解調 4.1 模擬調制 基于正弦波的調制技術無外乎對其參數幅度A(t)、頻率f(t), 相位(t)的調整。分別對應的調制方式為幅度調制（AM）、頻率調制(FM)、相位調制(PM)。 )()(2sin()()(ttftAts4 調制與解調圖 4- 7給出了這幾種調制方式的一般波形圖。 由于模擬調制自身的功耗較大且抗干擾能力及靈活性差，所以正逐步被數字式調制技術替代。但當前，模擬調制技術仍在上（下）變頻處理中起著無可替代的作用。4 調制與解調4.2 數字調制 數字調制技術

9、是把基帶信號以一定方式調制到載波上進行傳輸。從對載波參數的改變方式上可把調制方式分成三種類型：ASK、FSK和PSK。 每種類型又有多種不同的具體形式。如正交載波調制技術、單邊帶技術、殘留邊帶技術和部分響應技術等都是基于ASK的變型。FSK中又分連續(xù)相位（CPFSK）與不連續(xù)相位調制，以及多相PSK調制等，或混合調制如M-QAM，在這些調制技術中常用的是多相相移鍵控技術、正交幅度鍵控技術和連續(xù)相位的頻率鍵控技術。 4 調制與解調 ASK （Amplitude Shift Keying） 結構簡單易于實現 對帶寬的要求小 缺點是抗干擾能力差 FSK （Frequency Shift Keying

10、 ): 相比于ASK需要更大的帶寬 PSK (Phase Shift Keying): 更復雜，但是具有較好的抗干擾能力 4 調制與解調4.2 ASK 4 調制與解調4.2 FSKFSK調制是使用兩個頻點攜帶信息的技術，其表達式如下所示。根據調制波形的相位連續(xù)性又分為CPFSK(相位連續(xù)性FsK)和NCPFSK(相位非連續(xù)性FsK)。根據頻譜再生理論知，連續(xù)性FSK調制技術更易于降低碼間干擾(ISI)。在實現上多用直接調制VCO的方法，以獲得連續(xù)性FSK信號。圖4-10給出了連續(xù)性FSK調制的波形圖。4 調制與解調 4 調制與解調 4 調制與解調各種調制方式性能比較如表4-4所示4 調制與解調

11、各種調制方式性能比較如表4-4所示4 調制與解調各種調制方式的復雜度比較如表4-5所示4 4 調制與解調調制與解調 4.3 UWB通信技術通信技術 超寬帶（Ultra Wide Band：UWB）無線通信技術是近年來備受青睞的短距離無線通信技術之一，由于其具有高傳輸速率、非常高的時間和空間分辨率、低功耗、保密性好、低成本及易于集成等特點，被認為是未來短距離高速數據通信最具潛力的技術。依據FCC對UWB的定義，UWB信號帶寬應大于500MHz或相對帶寬大于 0.2。相對帶寬定義為： 式中, fH和fL為系統(tǒng)最高頻率和最低頻率。 LfHfLf-Hfcf 24 調制與解調調制與解調 與傳統(tǒng)的無線收發(fā)

12、機結構相比，UWB 的收發(fā)機結構相對簡單。UWB 系統(tǒng)直接通過脈沖調制發(fā)送信號而無傳統(tǒng)的中頻處理單元，所以該系統(tǒng)可采用軟件無線電的全數字硬件收發(fā)結構，如圖 4- 13 26 所示。圖 4- 13 UWB收發(fā)機結構圖4 調制與解調UWB技術的優(yōu)點： (1) 不需要止弦波調制和上、下變頻,也不需要本地振蕩器、功放和混頻器等，因此體積相對較小，系統(tǒng)結構也相對簡單得多。而且，由于UWB對信號的處理只需使用很少的射頻或微波器件，因而射頻前端也比較簡單，系統(tǒng)頻率的自適應能力強。另外，只要能將脈沖發(fā)射機和接收機前端集成到一個芯片上，再加上時間基和控制器，就可以構成一部UWB通信設備，因此它的成本可以大大降低

13、。 (2)由于UWB信號采用了跳時擴頻，其射頻帶寬可以達到1GHz以上，它的發(fā)射功率譜密度很低，信號隱蔽在環(huán)境噪聲和其他信號之中，用傳統(tǒng)的接收機無法接收和識別，必須采用與發(fā)端一致的擴頻碼脈沖序列才能進行解調，因此增加了系統(tǒng)的安全性。4 調制與解調UWB技術的優(yōu)點： (3)UWB信號的衰落比較低，很強的抗多徑衰落能力； (4)UWB信號的高帶寬帶來了極大的系統(tǒng)容量，由于UWB無線電信號發(fā)射的沖激脈沖占空比極低，系統(tǒng)具有很高的增益和很強的多徑分辨力，所以系統(tǒng)容量比其他的無線技術都高； (5)由于UWB信號的擴頻處理增益比較大，即使采用低增益的全向天線，也可使用小于1mW的發(fā)射功率實現幾千米的通信。

14、如此低的發(fā)射功率延長了系統(tǒng)電源的使用時間，非常適合移動通信設備的應用。研究表明使用超寬帶的手機待機時間可以達6個月，而且低輻射功率可以避免過量的電磁波輻射對人體的傷害。4 調制與解調UWB兩個標準共存： 以摩托羅拉（以摩托羅拉（Motorola）為代表的）為代表的DS-CDMA 方案方案 DS-CDMA方案建議采用雙頻帶(3.1-5.15GHz和5.825-13.6GHz )，即在每超過1 GHz的頻帶內用極短的時間脈沖發(fā)送數據，其優(yōu)勢是硬件簡單，頻譜利用率高 德州儀器（德州儀器（TI）與）與Intel支持的多頻帶支持的多頻帶OFDM 聯盟聯盟(MBOA)的的OFDM方案方案 多波段OFDM方

15、案則需建立一個子信道化UWB系統(tǒng)，將分配的頻譜劃分成QPSK-OFDM調制子頻帶，每個子頻帶為528MHz，優(yōu)勢是抗符號間干擾(Inter-symbol Interference :ISI)能力強，但硬件相對復雜。 4 調制與解調調制與解調4.4 擴頻通信擴頻通信是將待傳送的信息數據被偽隨機編碼（擴頻序列）擴頻處理后，再將頻譜擴展了的寬帶信號在信道上進行傳輸；接收端則采用相同的編碼序列進行解調及相關處理后，恢復出原始信息數據。4 調制與解調 擴頻通信的優(yōu)點:抗干擾抗噪聲抗多徑干擾具有保密性功率譜密度低具有隱蔽性低的截獲概率可多址復用和任意選址易于高精度測量4 調制與解調 按照擴展頻譜的方式不同

16、，現有的擴頻通信系統(tǒng)可以分為： 直接序列擴頻直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum：DSSS)工作方式，簡稱直擴(DS)方式； 跳變頻率跳變頻率(Frequency Hopping)工作方式，簡稱跳頻(FH)方式； 跳變時間跳變時間(Time Hopping)工作方式，簡稱跳時(TH)方式； 寬帶線性調頻寬帶線性調頻(Chirp Modulation)工作方式，簡稱Chirp方式； 混合方式混合方式，即在幾種基本的擴頻方式的基礎上組合起來，構成各種混合方式，如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。 直接序列擴頻和跳頻擴頻是當前使用最廣的兩種方式，例如IEE

17、E802.15.4定義的物理層中采用的就是直接序列擴頻，藍牙物理層協(xié)議中使用的則是跳頻擴頻。4 調制與解調調制與解調 直接序列擴頻直接序列擴頻(DSSS) 如圖所示為如圖所示為BPSK直接序列擴頻器的結構。直接序列擴頻器的結構。4 調制與解調調制與解調 FHSS 如圖所示為跳頻擴頻及解擴電路結構圖。如圖所示為跳頻擴頻及解擴電路結構圖。數 據調 制NRZ) t ( d) tcos(P20) t (sd頻 綜碼產 生碼 鐘) t (hT) t (st(a) FH發(fā) 送端框 圖頻率合成器偽隨機碼產生(a) FH發(fā)送原理框圖(d ) F H 接收 端 框 圖數 據調 制) t ( d頻 綜碼 產 生碼

18、 鐘) t (hR) t ( r) t ( y寬 帶窄 帶頻 率 合成器偽隨機碼產生(b) FH接收機原理框圖數據解調4 調制與解調調制與解調 以上分別對窄帶調制技術、擴頻調制技術以及UWB技術進行了分析，可以看出各種調制技術各有特點，如果將各自性能的優(yōu)劣等級劃分為5（最好）至1（最差）。則三種分類的調制解調方式性能比較結果如表4.5 37。分類窄帶UWB擴頻成本343功耗254低傳輸范圍和低速率354抗干擾能力154抗背景噪聲能力252同步難易度322頻譜利用率245多播能力134表 4- 5 調制性能比較內容提要5. 無線傳感器網絡物理層設計要點無線傳感器網絡物理層無線傳感器網絡物理層設計

19、要點設計要點當前節(jié)點物理層當前節(jié)點物理層 無線傳感器網絡物理層的發(fā)展是與當前的設計工藝水平緊密相連的，隨著最近幾年射頻CMOS工藝的發(fā)展，使得無線傳感器網絡物理層的成本和功耗能夠顯著地降下來， 表 4-6給出了當前主要無線感器網絡節(jié)點物理層的主要性能參數。無線傳感器網絡物理層無線傳感器網絡物理層設計要點設計要點無線傳感器網絡物理層設計要點 物理層幀結構物理層幀結構 表 4-7描述了無線傳感器網絡節(jié)點普遍使用的一種物理層幀結構（802.15.4定義的物理層幀結構），由于還沒有標準化的物理層結構出現，當前設計基本都是以該物理層幀結構為基礎。如表中所述，物理幀的第一個字段是前導碼，其字節(jié)數一般取4，

20、收發(fā)器在接收前導碼期間會根據前導碼序列的特征完成片同步和符號同步，當然字節(jié)數越多同步可靠性越好，但需要更多的能量消耗。接下來的是幀頭（start-of-frame delimiter, SFD字段，標示一個物理幀的開始。幀長度（frame length）一般由一個字節(jié)的低7位表示，其值就是物理幀負載的長度，因此物理幀負載的長度不會超過127個字節(jié)。物理幀的負載長度可變，稱之為物理服務數據單元（PHY service data unite,PSDU），一般承載MAC幀。 4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)可變長度前導碼SFD幀長度（7位）保留位PSDU同步頭幀的長度，最大為128字節(jié)PHY負載表 4- 7 物理

21、層幀結構無線傳感器網絡物理層設計要點 設計要點設計要點 物理層的設計目標是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。 為了確保網絡的平滑性能，該層一般需與介質訪問控制（MAC）子層進行密切地交互。 物理層需要考慮編碼調制方式、通信速率和通信頻段等問題 。無線傳感器網絡物理層設計要點 編碼調制技術影響一系列技術參數：占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機結構及功率等。 提高數據傳輸速率可以減少數據收發(fā)的時間，有利于節(jié)能，但需要同時考慮提高網絡速度對誤碼的影響。無線傳感器網絡物理層設計要點 頻率的選擇 頻率的選擇是影響無線傳感器網絡性能、體積、成本的一個重要參數。 （1） 從節(jié)點的功耗的角度節(jié)點自身能耗與傳

22、播損耗與工作頻率的關系： 傳輸相同的有效距離時，越高頻載波將消耗越多能量； 根據自由空間無線傳輸損耗理論也可知，波長越短其傳播損耗越大； （2）從節(jié)點物理層集成化程度、成本的角度 考慮到低成本的要求，ISM波段無疑是首要的選擇。 當前頻段的選擇大都集中在433-464MHz 、902-928MHz以及2.4-2.5GHz ISM波段。 隨著深亞微米工藝的進展，更高的頻率更易于電感的集成化設計。 無線傳感器網絡物理層設計要點 當前的主要技術難點當前的主要技術難點 (1)成本 物理層的設計直接影響到整個網絡的硬件成本： 天線和電源的集成化設計目前仍是非常有挑戰(zhàn)性的研究工作。 整個網絡對物理層頻率穩(wěn)

23、定度的要求非常高，所以晶體振蕩器是物理層設計中必須考慮的一個部件。晶體振蕩器仍是影響當前物理層成本的一個重要因素。 (2)功耗 要使得無線傳感器網絡節(jié)點壽命達27年（電池供電），這就要求節(jié)點的平均能耗在幾個W，雖然可以采用duty-cycle的工作機制來降低平均功耗，但當前商業(yè)化通信芯片功耗仍在幾十mW，這對于能源受限的無線傳感器網絡節(jié)點仍是難以接受的。 無線傳感器網絡物理層設計要點 最新的實現方法最新的實現方法 T. Melly等人基于CMOS工藝實現了433MHz直接下變頻FSK接收機，該接收機節(jié)省了中頻處理模塊，從而降低了物理層成本和功耗。Y. Chee等人設計實現了一種基于注入鎖定（i

24、njection locking）技術的OOK射頻前端，發(fā)射機僅消耗1.9mW（在0dBm）31。 超寬帶（UWB）技術是一種無需載波的調制技術，其超低的功耗和易于集成的特點非常適于WSN短距離通信。鑒于此，PicoRadio課題組的Rabaey 等人開展了以UWB為物理層的研究 7 。但是UWB信號接收需要較長的捕獲時間，即需要較長的前導碼，這將降低信號的隱蔽性，所以需要MAC層更好的協(xié)作。無線傳感器網絡物理層設計要點 目前，WSN 物理層協(xié)議的研究還處于初級階段， 在硬件和軟件方面都還需要做進一步的研究14。 硬件方面：目前的WSN節(jié)點在體積、成本和功耗上與其廣泛應用的標準還存在一定的差距

25、，缺乏小型化、低成本、低功耗的片上系統(tǒng)（system on chip：SOC）實現； 軟件方面：WSN 物理層迫切需要符合其特點和要求的簡單的協(xié)議、算法設計，特別是調制機制。已有學者提出一種協(xié)同發(fā)射的虛擬MIMO調制方式，這種方式可以協(xié)同傳輸以達到遠距離基站，可以減少或避免多跳損耗，但是這種方式需要精確的同步，不過隨著MIMO技術的發(fā)展，尤其空時編碼技術的發(fā)展，這種調制技術將有非常大的應用潛力。內容提要6. 物理層非理想特性研究 物理層的實體主要包括基帶處理電路、射頻前端電路、傳輸媒質。由于實際電子器件的非線性特性和媒質隨周圍環(huán)境的時變性，使得物理層存在非理想現象。6.1 物理層非理想特性現象

26、及來源物理層非理想特性現象及來源 對于實際的節(jié)點平臺，物理層非理想特性可具體表現為：無線信號傳輸的不規(guī)則性（Radio Irregularity），較長的電路轉換時間以及較低的效能。 圖 4- 17描述了由于非匹配以及連接線損耗帶來額外能量損失。圖 4- 18描述了收發(fā)天線的極化方向性偏差引起的低效率接收。圖 4- 17非匹配及線路引起的能量損耗 圖 4- 18 極化引起的接收效率的變化圖4-19給出了無線不規(guī)則性傳輸結果；圖4-20給出了電池對傳輸性能的影響。 6.2 無線傳輸不規(guī)則性建模無線傳輸不規(guī)則性建模 最早對無線傳輸的不規(guī)則性進行建模研究的是T. He 等人 ，提出了DOI（Degr

27、ee of Irregularity）模型 其基本思想：將傳輸的范圍分為兩個邊界即上邊界和下邊界（圖中虛線所示）， 當接收點與發(fā)送者的距離低于下邊界時，接收方將會可靠地接收到數據，且傳輸鏈路可認為是對稱的； 當距離大于上邊界時，接收方就超出了兩點的可能通信范圍； 當接收點到發(fā)射方的距離介于上下邊界時，接收性能將取決于不同方向實際的信號強度，有可能是對稱鏈路也有可能是非對稱鏈路。 6.2 無線傳輸不規(guī)則性建模 Zhou等人在DOI模型的基礎上 ，通過基于MICA2節(jié)點的實際測量研究，提出了一種更為精確的RIM（Radio Irregularity Model）模型。 即在無線傳輸損耗與衰落方程中

28、，引入了方向性損耗系數Ki，使得接收信號強度變?yōu)椋?Pr（Received Signal Strength） = Ptx（Sending Power） DOI （Adjusted PathLoss） + Fading其中，DOI （Adjusted Path Loss） = Path Loss Ki ，這里 Ki是不同方向上的損耗系數。 Ni 360i0 DOIandR1iK0 i ,1iK,6.3 不規(guī)則性對上層的影響及應對策略 對對MAC層的影響層的影響以圖4-22（a）為例，節(jié)點B正給節(jié)點C發(fā)送數據，由于無線傳輸的不規(guī)則性，節(jié)點A偵聽不到B發(fā)送的數據，如果A有包待發(fā)便會認為信道空閑而選擇

29、發(fā)射，這樣就會在節(jié)點C處產生沖突。圖4-22（b），B點處產生沖突 （a）載波偵聽（carrier sensing） (b)握手方式（handshaking） 圖 4- 22 對MAC層的影響物理層非理想特性研究對路由層的影響對路由層的影響 反向路徑(path-reversal )、多輪發(fā)現(multi-round discovery)、鄰居發(fā)現(neighbor discovery)等技術廣泛地在路由協(xié)議中使用。由于無線傳輸的非對稱性，基于反向路徑技術的路由協(xié)議在反向鏈路中可能會出現斷鏈的問題，如圖4-23(a)所示。而基于多輪發(fā)現技術的路由協(xié)議，對于非對稱性傳輸性能要更好一些，這主要是因為

30、多輪嘗試增加了保證鏈路對稱傳輸的概率，如圖4-23(b)。鄰居發(fā)現技術是基于定位路由協(xié)議的關鍵技術，但是如果鏈路出現非對稱現象，將會使得路由表出現死區(qū)，如圖4-23(c)所示，節(jié)點A首先根據鄰居節(jié)點的廣播的建立自己的鄰居表，并且鄰居節(jié)點B能夠發(fā)送數據到A，但是A發(fā)送的數據不能到達B，如果A不嘗試別的鄰居節(jié)點將會陷入死區(qū)。 （a） 對基于反向路徑路由協(xié)議的影響 (b)多輪發(fā)現的路由識別技術 (c) 對路由鄰居表的影響圖 4- 23 對路由層的影響物理層非理想特性研究應對策略應對策略 要解決無線傳輸不規(guī)則性對鏈路層、路由層的影響，就應該保證鏈路傳輸的對稱性。一種基本的方法就是采用幾何對稱傳輸機制（

31、Symmetric Geographic Forwarding : SGF），其基本原理為：在Beacon中加入該節(jié)點所有的鄰居信息，當鄰居節(jié)點接收到Beacon后，將源節(jié)點寫入自己的鄰居表中，并考察自己的ID號是否在Beacon中。如果在Beacon中，有該節(jié)點的ID號，表示源節(jié)點和該節(jié)點的通信鏈路是對稱的。否則，這條鏈路就被認為是非對稱的。 另外一種方法就是采用傳輸距離受限的方式（Bounded Distance Forwarding：BDF），即使得源節(jié)點在進行數據傳輸時，只與根據DOI模型確定的內環(huán)內的節(jié)點進行信息的交互，這樣就從硬性上保證了鏈路的對稱性。內容提要7. 射頻前端功耗分析

32、與低功耗設計考慮射頻前端功耗分析與低功耗設計考慮 射頻前端是無線傳感器網絡節(jié)點物理層最重要的單元之一，同時也是影響整個無線傳感器網絡能耗的主要模塊。深入理解射頻前端電路功耗來源對于高效地設計無線傳感器網絡系統(tǒng)無疑是非常重要的。本小節(jié)在分析了射頻前端的功耗模型的基礎上，對無線傳感器網絡的低功耗優(yōu)化設計進行了探討。 射頻前端收發(fā)機由發(fā)射機和接收機組成。接收機方案有超外差式接收機、二次變頻接收機、零中頻（Zero-IF）接收機和低中頻（Low-IF）接收機，其結構分別示于圖4-24。發(fā)射機主要是完成調制、上變頻、功率放大和濾波，根據調制和上變頻是否合二為一，分為直接變換法和兩步法，其結構分別示于圖4

33、-2513 。圖 4- 24接收機結構圖( a.超外差式接收機 b.超再生接收機 c. 低中頻接收機d. 零中頻或直接下變頻接收機)（a） (b) (c)(d)射頻前端功耗分析與低功耗設計考慮射頻前端功耗分析與低功耗設計考慮 考慮圖4-24（a）與圖4-25（b）中的實際物理結構，則節(jié)點完成一次收發(fā)過程（發(fā)送和接收一個包）消耗的能量可表示為： Etotal=Prx*(Lrx/R+Tsw) +Ptx*(Ltx/R+Tsw)+Ppa*(Ltx/R)=(Ppll+Pfilt+Pmixer+Pdemod+Plna)(Lrx/R+Tsw) + (Ppll+Pfilt+Pmixer+Pmod) (Ltx/

34、R+Tsw)+ Ppa*(Ltx/R) 圖 4-25 發(fā)射機結構圖 ( a.兩步法發(fā)射機 b.直接上變頻發(fā)射機 )(b)(a)不失一般性，對于無線傳感網絡節(jié)點通信單元，其工作平均功耗可表示為： )()(swrxrxrxtxoutswtxtxtxcommuTTPMTPTTPME射頻前端功耗分析與低功耗設計考慮基于PLL結構的頻率合成器主要包括鑒頻鑒相器 (phase-frequency detector: PFD)、電荷泵 (charge pump: CP )、低通濾波器(low-pass filter: LF)、壓控振蕩器 (voltage controlled oscillator: VCO

35、)以及分頻器 (frequency divider: FDIV)，忽略濾波器的功耗，以整數N型頻率合成器為例，采用CMOS動態(tài)功耗估計理論，則Ppll可以表示為：小信號放大器的功耗為：混頻器的功耗為：功放的功耗為：基于以上分析則總能耗可表示為： 222220)(pkclcprefddpfdbiaspfdvcofdivvcofdivcppfdpllVLRP *fVCP*fV CCC PPPPPdd)/(*lnalnalnalnaFGkP)/(*mixermixermixemixerFGkPr/outpaPP Etotal =Prx*(Lrx/R+Tsw) +Ptx*(Ltx/R+Tsw)+Ppa

36、*(Ltx/R) =(Ppll+Pfilt+Pmixer+Pdemod+Plna)(Lrx/R+Tsw)+ (Ppll+Pfilt+Pmixer+Pmod) (Ltx/R+Tsw)+ Ppa*(Ltx/R) =(Cfdiv+Cvco)V2dd*fo+Pbias+Pcp+kmixer(Gmixer/Fmixer)+ (kmixer*Gmixer/Fmixer)+ Pdemod)(Lrx/R+Tsw) + (Cfdiv+Cvco)V2dd*fo+ 2CpfdV2dd*fref +Pbias+Pcp +Pfilt+Pmod) )(Ltx/R+Tsw)+ (Pout/)*(Ltx/R) 射頻前端功耗分析與低功耗設計考慮射頻前端功耗分析與低功耗設計考慮將各單元的功耗參數列為下表所示將各單元的