第2章無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計

1、 第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計l無線傳感器網(wǎng)絡物理層概述l無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術l無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性l無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計物理層物理層：位于最低層，向下直接與物理傳輸介質相連接，主要負責數(shù)據(jù)的調制、發(fā)送與接收，是決定WSN的節(jié)點體積、成本以及能耗的關鍵環(huán)節(jié)。主要功能主要功能：為數(shù)據(jù)終端設備提供傳送數(shù)據(jù)的通路；傳輸數(shù)據(jù)；其他管理工作，如信道狀態(tài)評估、能量檢測等。節(jié)點各單元的功能對比如圖所示：大部分能量消耗在收發(fā)上大部分能量消耗在收發(fā)上無線傳感器網(wǎng)絡物理層概述第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計物理層的傳輸介質傳輸介質主要包括無線電波、紅

2、外線和光波等。目前WSN的主流傳輸方式主流傳輸方式是無線電波。易于產(chǎn)生，傳播距離遠，且容易穿透建筑物，在通信方面沒有特殊的限制。例如紅外線。紅外線：紅外線：不受無線電波干擾，且紅外線的使用不受國家無線電管理委員會的限制；但是紅外線的缺點是對非透明物體的透過性極差，只能在一些特殊的WSN應用中使用。光波傳輸光波傳輸：不需要復雜的調制/解調機制，接收器的電路簡單，單位數(shù)據(jù)傳輸功耗較小。光波與紅外線相似，通信雙方可能被非透明物體阻擋，因此只能在一些特殊的WSN應用中使用。無線傳感器網(wǎng)絡物理層概述傳輸介質第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計無線傳感器網(wǎng)絡物理層概述頻譜分配

3、在頻率選擇方面，目前一般選用工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）頻段。選用ISM頻段的主要優(yōu)點是ISM頻段是無須注冊的公用頻段、具有大范圍的可選頻段、沒有特定的標準，可以靈活使用。面對傳感器節(jié)點小型化、低成本、低功耗的特點，在歐洲使用433 MHz的ISM頻段，在美國使用915 MHz的ISM頻段。無線傳感器網(wǎng)絡物理層概述頻率選擇第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)：頻譜效率、誤碼率、環(huán)境適應性，以及實現(xiàn)的難度和成本。而無線傳感器網(wǎng)絡要解決：節(jié)能節(jié)能和成本成本。常用調制方式：模擬調制數(shù)字調制擴頻通信UWB通信技術無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計模擬調制 基于

4、正弦波的調制技術主要是對其參數(shù)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)。 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(shù)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。 )()(2sin()()(ttftAts無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計模擬調制01002003004005006007008009001000-1.5-1-0.500.511.5（a）AM調制波形圖（雙邊帶）(b)上為調頻信號，下為調相信號無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解

5、調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計數(shù)字調制 數(shù)字調制技術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(shù)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。無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計B-ary數(shù)字調制lASK （Amplitude Shift

6、 Keying），結構簡單易于實現(xiàn)，對帶寬的要求小，缺點是抗干擾能力差lFSK （Frequency Shift Keying )相比于ASK需要更大的帶寬lPSK (Phase Shift Keying) 更復雜，但是具有較好的抗干擾能力無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計M-ary調制調制：即多進制調制，與二進制數(shù)字調制不同的是：多進制調制利用多進制數(shù)字基帶信號調制載波信號的振幅、頻率或相位，由此相應地有多進制振幅調制、多進制頻率調制和多進制相位調制三種基本方式。多進制振幅調制多進制振幅調制：在相同碼元傳輸速率的條件下，多進制振幅調制與二進制調制具有相同的帶寬，

7、并且有更高的信息傳輸速率。多進制頻率調制多進制頻率調制的原理基本上可以看成二進制頻率鍵控方式的推廣。多進制相位調制多進制相位調制利用載波的多種不同相位（或相位差）來表示數(shù)字信息?？梢苑殖山^對移相和相對（差分）移相兩種方式。無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計與二進制相比，多進制調制在性能上有以下特點。（1）在相同的碼元傳輸速率條件下，M-ary調制系統(tǒng)的信息傳輸速率是二進制調制系統(tǒng)的log2M倍，即與二進制調制相比，M-ary調制能夠通過單個符號發(fā)送多位數(shù)據(jù)來減少發(fā)射時間。（2）M-ary調制需要在輸入端增加2-M轉換器，相應地，在接收端需要增加M-2轉換器，因此與

8、二進制調制相比，M-ary調制的電路更為復雜。（3）M-ary調制需要更高的發(fā)射功率來發(fā)送多元信號。（4）在啟動能量消耗較大的系統(tǒng)中，二進制調制機制更加有效，多進制調制機制僅僅對啟動能量消耗較低的系統(tǒng)適用。（5）M-ary調制的誤碼率通常大于二進制的誤碼率。無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計M-ary調制機制調制機制：滿足WSN最小化符號率和最大化數(shù)據(jù)傳輸率的指標，但簡單的多相位M-ary信號將降低檢測的敏感度，需要增加發(fā)射功率，導致能量浪費。偏移四相移鍵控（偏移四相移鍵控（O-QPSK）：采用四位二進制符號，有效解決上述問題，并且仿真實驗表明該方案的節(jié)能性比較好

9、。正交振幅調制（正交振幅調制（QAM）：同時以載波信號的幅度和相位來代表不同的數(shù)字比特編碼，把多進制與正交載波技術結合起來，進一步提高頻帶利用率 無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計擴頻通信（擴頻通信（Spread Spectrum Communication，擴展頻譜通信）擴展頻譜通信） ：將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機編碼(擴頻序列：Spread Sequence)調制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進行解調及相關處理，恢復原始信息數(shù)據(jù)。用來傳輸信息的射頻帶寬遠大于信息本身帶寬。擴頻通信有如下的優(yōu)點： l 抗干擾 l 抗噪音 l 抗多徑衰落 l 具有保

10、密性 l 功率譜密度低，具有隱蔽性和低的截獲概率 l 可多址復用和任意選址 l 高精度測量無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計按照擴展頻譜的方式不同，現(xiàn)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

11、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IEEE802.15.4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，下面主要介紹這兩種擴頻方式。無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計n直接序列擴頻DSSS 如圖所示為如圖所示為PSK直接序列擴頻器的結構。直接序列擴頻器的結構。無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計nFHSS 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(shù) 據(jù)調

12、 制NRZ) t (d) tcos(P20) t (sd頻綜碼產(chǎn) 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(chǎn)生(a) FH發(fā)送原理框圖(d) FH 接收端框 圖數(shù) 據(jù)調 制) t (d頻 綜碼產(chǎn) 生碼 鐘) t (hR) t ( r) t ( y寬帶窄帶頻 率 合 成器 偽隨機碼產(chǎn)生(b) FH接收機原理框圖數(shù)據(jù)解調無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計 Edgar H. Callaway提出了一種差分脈沖位置調制機制，它采用兩個32-chip PN碼，I、Q通道各一個，并采用OQPSK調制，每個32-chip采用半正弦脈沖波形。調制

13、結果波形具有恒定包絡，從而適合低廉的非線性功率放大器。PN碼使用最大長度序列（m-序列），I通道采用的PN碼的特征多項式為45（八進制），Q通道采用的PN碼的特征多項式為75（八進制），符號速率為31.25 kSymbols/s。如圖2.2所示 ，通過周期性移動PN碼（共16個移位值），將信息以差分方式放置在每個通道的符號內，即信息是當前符號與前一個符號的移位值的差。在一個符號傳輸時間內，M為16個移位值之一（每位包含4位信息），放置在I和Q通道中，每個符號傳輸1 B。因為PN碼采用的是32-chip，理論上可以設置M=32，每個符號發(fā)送5位，但是實現(xiàn)較為復雜。更為簡單的做法是，將8位分為4位

14、而不是5位，這樣較小數(shù)目的移位值也能簡化接收器的實現(xiàn)。由于分組的長度較短（小于100 B），因此符號的同步可以通過PHY分組的包頭實現(xiàn)。 無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計 每個節(jié)點訪問兩個信道，一個傳輸數(shù)據(jù)，另一個傳輸信令。發(fā)送方的數(shù)據(jù)經(jīng)過CPM調制后，由AWGN信道傳輸給接收方；在接收方，數(shù)據(jù)按相反的順序處理。接收方計算數(shù)據(jù)的誤碼率，將其通過信令信道回送給發(fā)送方，并根據(jù)BER估計噪聲功率密度以及調整發(fā)射功率。分組調度層和物理層通過協(xié)作來保證針對動態(tài)的端到端的發(fā)送QoS需求和時變的本地環(huán)境的自適應性。無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設

15、計UWB通信技術通信技術 （Ultra Wide Band：UWB超寬帶）是近年來發(fā)展較快的短距離無線通信技術之一具有高傳輸速率、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數(shù)據(jù)通信最具潛力的技術。依據(jù)FCC對UWB的定義，UWB信號帶寬大于500MHz或相對帶寬大于 0.2。相對帶寬定義為： fH和fL為系統(tǒng)最高頻率和最低頻率。 LfHfLf-Hfcf 2無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計UWB通信技術通信技術與傳統(tǒng)的無線收發(fā)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

16、理單元，可采用軟件無線電的全數(shù)字硬件接收結構UWB收發(fā)機結構圖無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計窄帶調制技術、擴頻調制技術和UWB的比較：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無線傳感器網(wǎng)絡物理層調制解調技術第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性無線通信信道的傳播特性無線通信信道的傳播特性自由空間信道自由空間信道多徑信道多徑信道加性噪聲信道加性噪聲信道第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計 無線傳播環(huán)境是影響無線通信系統(tǒng)的基本因素。發(fā)射機與接收

17、機之間的無線傳播路徑非常復雜，從簡單的視距傳播，到遭遇各種復雜的物體（如建筑物、山脈和樹葉等）所引起的反射、繞射和散射傳播等。無線信道不像有線信道那樣固定并可預見，它具有極大的隨機性。而且，無線臺相對于發(fā)射臺無線的方向和速度，甚至收發(fā)雙方附近的無線物體也對接收信號有很大的影響。因此，可以認為無線的傳播環(huán)境是一種隨時間、環(huán)境和其他外部因素而變化的傳播環(huán)境。無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性傳播第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計 根據(jù)弗利斯（Friis）傳輸公式，它表明了接收天線的接收功率和發(fā)射天線的發(fā)射功率之間的關系。其中，Lfs稱為自由空間傳播損耗?？紤]到電磁波在空間傳播時，空間并不是理想的（如氣候因

18、素），假設由氣候影響帶來的損耗為Ls，則接收天線接收功率可表示為：fsstrLLGGPP21接收天線接收功率：損耗：tsfsr12PL LL=PG G無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性自由空間第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計 在超短波、微波波段，電波在傳播過程中還會遇到障礙物，如樓房、高大建筑物或山丘等，它們會使電波產(chǎn)生反射、折射或衍射等。因此，到達接收天線的信號可能存在多種反射波（廣義地說，地面反射波也應包括在內），這種現(xiàn)象稱為多徑傳播。無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性多徑傳輸?shù)诙?無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計對于噪聲通信信道，最簡單的數(shù)學模型是加性噪聲信道，如圖所示。圖中，傳輸信號s(t)被一個附加的

19、隨機噪聲n(t)所污染。加性噪聲可能來自電子元件和系統(tǒng)接收端的放大器，或傳輸中受到的干擾，無線傳輸主要采用這種模型。無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性噪聲第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計 如果噪聲主要是由電子元件和接收放大器引入的，則稱為熱噪聲，在統(tǒng)計學上表征為高斯噪聲。因此，該數(shù)學模型稱為加性高斯白噪聲信道（Additive White Gaussian Noise Channel，AWGN）模型。由于該模型可以廣泛地應用于許多通信信道，又由于它在數(shù)學上易處理，所以這是目前通信系統(tǒng)分析和設計中的主要應用信道模型。信道衰減很容易結合進這個模型，當信號遇到衰減吋，則接收到的信號為( )( ) + (

20、)r tas tn t無線傳感器網(wǎng)絡物理層信道特性噪聲第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點 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(wǎng)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。 物理層設計所需要考慮的要點有：節(jié)點的成本要求節(jié)點的功耗要求通信速率的要求通信頻段的選擇編碼調制方式的選擇物理幀結構第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點成本低成本是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的基本要求，只有低成本，才能將節(jié)點大量地布置在目標區(qū)域內，表現(xiàn)出無線傳感器網(wǎng)絡的各種優(yōu)點。節(jié)點最大限度的集成化設計，減少分立元件是降低成本的主

21、要手段。由于無線傳感器網(wǎng)絡中大規(guī)模的節(jié)點布置以及時間同步的要求，使得整個網(wǎng)絡對物理層頻率穩(wěn)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。第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點功耗無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般都需要幾個月的使用壽命，在有的應用中壽命需要達到27年，這就要求節(jié)點的平均功耗在幾個W。降低收發(fā)機電路自身的功耗。物理層調制解調方式的選擇。第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點頻率選擇 頻段的選擇是由很多的因素決定的，但是對于無線傳感器網(wǎng)絡來說，則必須根據(jù)實際的應用場合來選擇。頻率的選擇直接決定了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的天線尺寸、電感的

22、集成度以及節(jié)點的功耗等。（1）從節(jié)點功耗的角度考慮自身能耗、傳播損耗與工作頻率的關系。（2）從節(jié)點物理層集成化程度、成本的角度來考慮。 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。第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點調制方式M-ary調制方式：調制方式：相同的碼元速率的情況下，M-ary調制方式傳輸?shù)男畔⒘渴嵌M制調制方式的log2M倍，因此更節(jié)省了傳輸時間，但是其同時指出M-ary調制相對于二進制調制方式實現(xiàn)上更復雜而且抗干擾能力較差，尤其對于功率受限的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，M越大誤碼性能就會越嚴重。擴頻通信

23、調制方式擴頻通信調制方式：可以提供較高的速率，提高信道容量，但是每個節(jié)點需要存儲通信的PN碼，會對有限的存儲資源帶來一定壓力。 超寬帶（超寬帶（UWB）技術）技術：是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。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，需要MAC層更好的協(xié)作。協(xié)同發(fā)射的虛擬協(xié)同發(fā)射的虛擬MIMO調制方式調制方式：節(jié)點之間可以協(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。第二章 無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計無線傳感器網(wǎng)絡物理層設計要點幀結構 典型物理層幀結構（典型物理層幀結構（802.15.4）：物理幀的第一個字段是前導碼，其字節(jié)數(shù)一般取4，收發(fā)器在接收前導碼期間會根據(jù)前導碼序列的特征完成片同步和符號同步，當然字節(jié)數(shù)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(shù)據(jù)單元（PHY service data unite,PS