201無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)第三章物理層:在物理傳輸介質(zhì)之間為比特流傳輸所需物理連接的建立，維護(hù)和釋放提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的手段。機(jī)械特性:指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等。這很像平時(shí)常見的各種規(guī)格的電源插頭的尺寸都有嚴(yán)格的規(guī)定。電氣特性:指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍功能特性:指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。規(guī)程特性:指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。第三章主要功能有:為數(shù)據(jù)終端設(shè)備提供傳送數(shù)據(jù)的通路,數(shù)據(jù)通路可以是一個(gè)物理媒體,也可以是多個(gè)物理媒體連接而成。傳輸數(shù)據(jù)其他管理 如信道狀態(tài)的評(píng)估、能量檢測(cè)等.內(nèi)容提要概述無(wú)線通信的特點(diǎn)無(wú)線通信的能耗小結(jié)主要參考文獻(xiàn)概述本章節(jié)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線通信的特點(diǎn),研究?jī)?nèi)容主要包括無(wú)線通信基本特性及無(wú)線傳感通信能耗特性兩部分。利用無(wú)線通信傳輸信息是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本特征,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上層通信協(xié)議設(shè)計(jì)往往對(duì)底層無(wú)線通信（物理層）做了許多隱含的假設(shè),這些假設(shè)都是對(duì)實(shí)際環(huán)境的一種近似簡(jiǎn)化,本章節(jié)的目的在于提供面向上層協(xié)議研究的無(wú)線通信基本特點(diǎn)、相關(guān)假設(shè)及這些假設(shè)存在的問(wèn)題,僅希望為上層協(xié)議設(shè)計(jì)提供一定幫助。內(nèi)容提要概述無(wú)線通信的特點(diǎn)無(wú)線通信的能耗小結(jié)主要參考文獻(xiàn)無(wú)線通信的特點(diǎn)無(wú)線信道的特性接收信號(hào)功率與距離的關(guān)系分析接收信號(hào)強(qiáng)度分類幾點(diǎn)結(jié)論一些問(wèn)題的探討作為一種信息獲取為目的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能在很大程度上受到無(wú)線信道特性的制約。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有常廣闊的應(yīng)用前景，其信號(hào)傳播路徑也非常復(fù)雜，從簡(jiǎn)單的視線播，到包括建筑、山脈等各種各樣障礙物阻擋傳播等。因此，其道特性比較復(fù)雜且具有一定的隨機(jī)性。主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):信道環(huán)境的復(fù)雜性信道環(huán)境的隨機(jī)性信道環(huán)境的時(shí)變性無(wú)線信道的特性1無(wú)線傳輸媒體傳輸媒體指的是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理路徑?？梢苑譃閷?dǎo)向的（guided）和非導(dǎo)向性（unguided）。對(duì)導(dǎo)向媒體而言,電磁波被引導(dǎo)沿某一固定媒體前進(jìn),例如雙絞線、同軸電纜和光纖。非導(dǎo)向的媒體如大氣層和外層空間,他們提供了傳輸電磁波信號(hào)的手段,但不引導(dǎo)他們傳播,這種傳播形式通常稱為無(wú)線傳播。無(wú)線通信介質(zhì)為電磁波,傳播速度等于光速?？砂搭l率或波長(zhǎng)來(lái)分類和命名并具有不同的傳輸特性。2電磁波1.電磁波頻譜根據(jù)波長(zhǎng)不同形成無(wú)線通信的多種類型頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系:波長(zhǎng)=光速/頻率中波:沿地面?zhèn)鞑?，繞射能力強(qiáng)，廣播和海上通信。短波:較強(qiáng)的電離層反射能力，環(huán)球通信。超短波和微波（頻率高于300MHz）:繞射能力差，視距或超視距中繼通信頻段分配表無(wú)線通信系統(tǒng)使用的頻段一般都必須要獲得相應(yīng)的無(wú)線電管理委員會(huì)授權(quán),但是,只有ISM波段—工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)頻段例外。目前已報(bào)道的單信道無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本都采用ISM波段。主要是因?yàn)镮SM波段屬自由頻段,無(wú)須注冊(cè),但是也存在功率的限制、相互干擾嚴(yán)重等。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)的硬件限制以及無(wú)線效率和功率消耗之間的權(quán)衡,使得無(wú)線傳感器網(wǎng)載波頻率難以選擇超高頻率段。歐洲人使用的433（433~436）MHzISM中心頻率,在美國(guó)使用915（902~928）MHzISM中心頻段。ISM波段說(shuō)明3傳播方式表面波、天波、自由空間波、散射波和外層空間波等5種傳播方式。（1）表面波（地波）:電波沿著地球表面到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式，波長(zhǎng)與障礙物高度相當(dāng)時(shí)，產(chǎn)生繞射。①地波②空間波③散射波④電離層波⑤外層空間波5種電磁波傳播方式2）空間波直接波—電磁波從發(fā)射天線直接傳播到接收天線反射波—經(jīng)地面反射而到達(dá)接收天線傳播的距離受到地球曲率的影響,最大距離被限制在視線范圍內(nèi),增加天線高度。移動(dòng)通信中,電波主要以空間波的形式傳播。（3）天波—電離層波發(fā)射天線發(fā)出的電磁波,在高空被電離層反射回來(lái)到達(dá)接收點(diǎn)的傳播方式。電離層是指分布在地球周圍的大氣層中,60km以上的電離區(qū)域。（4）散射波利用大氣層中對(duì)流層和電離層的不均勻性來(lái)散射傳播的電波,使電波到達(dá)視線以外的地方。對(duì)流層在地球上方約16公里處,反射指數(shù)隨著高度的增加而減小。通信距離可達(dá)300km~800km,適用于無(wú)法建立微波中繼站的地區(qū)。（5）外層空間波—自由空間波電磁波在對(duì)流層和電離層以外的外層空間中的傳播方式。又稱為直達(dá)波,沿直線傳播,用于衛(wèi)星和外部空間的通信,以及陸地上的視距傳播。宇宙空間近似于真空狀態(tài),因此傳輸特性比較穩(wěn)定。4天線天線是實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)淖罨镜脑O(shè)備。天線可以看做一條電子導(dǎo)線或?qū)Ь€系統(tǒng)，該導(dǎo)線系統(tǒng)或用于將電磁能輻射到太空或用于將電磁能輻射到太空中的電磁能收集起來(lái)。要傳輸一個(gè)信號(hào)，來(lái)自轉(zhuǎn)發(fā)器的無(wú)線電頻率電能通過(guò)天線轉(zhuǎn)換成電磁能輻射到周圍的環(huán)境。要接受一個(gè)信號(hào)撞擊到天線上的電磁能轉(zhuǎn)化為無(wú)線電頻率的電能并合并成到接收器。在雙向通信中同一天線既可以用于發(fā)射也可以用于接收。天線類型主要包括:偶級(jí)天線拋物反射天線（a）半波偶級(jí)（b）?波偶級(jí)1.偶級(jí)天線2.拋物線反射天線接收信號(hào)功率與距離的關(guān)系分析接收信號(hào)功率與發(fā)送功率有關(guān)、與傳輸距離有關(guān)、同時(shí)又與復(fù)雜的傳播途徑有關(guān)，下面討論時(shí)假定發(fā)送功率固定。無(wú)線通信的傳播模型可以分為路徑損耗模型、陰影衰落模型和多路徑衰落模型。路徑損耗模型:收/發(fā)信機(jī)之間距離上的信號(hào)強(qiáng)度變化。陰影衰落模型:阻擋物后面陰影區(qū)域電波的強(qiáng)度。多路徑衰落模型:短距離或短時(shí)間內(nèi)接收信號(hào)強(qiáng)度快速的變化這三種模型并不是相互獨(dú)立的，在同一個(gè)無(wú)線信道中，即存在路徑損耗衰落，也存在陰影衰落和多路徑衰落。1路徑損耗在自由空間中,接收信號(hào)的功率隨路徑長(zhǎng)度的平方衰減,即接收信號(hào)的功率為;式中:Pt為發(fā)射功率；GT和GR分別為發(fā)送和接收天線增益；d為無(wú)線電波路徑長(zhǎng)度； 波長(zhǎng)，由于陸地?zé)o線系統(tǒng)的信號(hào)不存在自由空間傳播，傳播路徑損耗也不僅僅取決于距離和波長(zhǎng)，而且與收/發(fā)信機(jī)天線高度有關(guān)，同時(shí)和本地地理特征有關(guān)，無(wú)線電波傳播特性使得對(duì)路徑損耗理論預(yù)測(cè)變的很困難。在不考慮其他衰落因素的影響下，路徑損耗可以用收/發(fā)功率之差來(lái)表示，即理論的傳播模型和基于測(cè)量的傳播模型都表明，無(wú)論室內(nèi)無(wú)線信道還是室外無(wú)線信道，平均的接收信號(hào)功率取對(duì)數(shù)后隨距離的增加而按對(duì)數(shù)規(guī)律減小，所以無(wú)線信道對(duì)信號(hào)功率損耗元素之一是與通信距離相關(guān)的路徑損耗，通常情況下，任意發(fā)射－接收距離為ｄ平均路徑損耗 表示成距離函數(shù)為:為距離d0的參考信號(hào)強(qiáng)度，滿足 其中df為Fraunhofer距離，n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速率，n值為依賴特定的傳輸環(huán)境。2衰落損耗接收信號(hào)功率衰減量主要包含通信距離相關(guān)損耗和無(wú)關(guān)損耗兩部分，與通信距離無(wú)關(guān)的衰落損耗主要包括多路徑衰落損耗和陰影損耗1）多路徑損耗多路徑產(chǎn)生的效應(yīng)主要包括兩個(gè)方面:多路徑傳播使得發(fā)射信號(hào)多個(gè)樣本經(jīng)不同路線到達(dá)接收天線，引起時(shí)間彌散和信號(hào)衰落。無(wú)線信道中許多因素影響最終的多徑效應(yīng)，例如，收/發(fā)信機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、環(huán)境物體的運(yùn)動(dòng)速度和信號(hào)的傳輸帶寬等。當(dāng)信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道時(shí)，其衰落類型取決于發(fā)送信號(hào)特性及信道特性。2）陰影衰落除了路徑損耗、多路徑衰落之外，對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于電磁波在傳播路徑中遇到起伏地形、建筑物等障礙的阻擋時(shí)，在這些障礙物的后面會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)陰影，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在通過(guò)不同節(jié)障礙物的陰影區(qū)時(shí)，會(huì)引起接收信號(hào)強(qiáng)度的衰落，這種衰落目前只能采用隨機(jī)的方式來(lái)刻畫，通常采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布的隨機(jī)變量來(lái)刻畫，即令則X服從正態(tài)分布:式中:UX為均值，有時(shí)稱為長(zhǎng)區(qū)間中值接收信號(hào)強(qiáng)度分類1.檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度分類衡量通信系統(tǒng)傳輸信息可靠程度的重要性能指標(biāo)之一就是誤比特率和傳輸速率。當(dāng)前接收機(jī)和發(fā)送機(jī)恢復(fù)發(fā)送信息的通常做法就是首先建立同步，然后才能解調(diào)。同步包括載波同步和時(shí)間同步，載波同步需要接收端提供一個(gè)與發(fā)射段調(diào)制載波同頻或同頻、同相的載波；時(shí)間同步則需要獲取每個(gè)碼元的起始時(shí)刻和有碼元組成的幀結(jié)構(gòu)的起始時(shí)刻，只有達(dá)到一定的信干噪比（信號(hào)功率與噪聲和干擾功率比），才能建立同步達(dá)到需要的誤比特率。根據(jù)接收信號(hào)的功率與噪聲干擾功率的相對(duì)關(guān)系，可以將接受信號(hào)分為以下四種情況:接收機(jī)無(wú)法檢測(cè)通常接收機(jī)距發(fā)射機(jī)太遠(yuǎn),僅僅是路徑損耗的原因就使的信號(hào)功率損耗殆盡。接收機(jī)能夠檢測(cè)但是同步無(wú)法建立當(dāng)接收機(jī)信號(hào)大到一定程度時(shí),往往略高于噪聲電平,此時(shí)接收機(jī)能夠檢測(cè)到信號(hào)來(lái),但接受端信干噪比小于某一閥值,接收端的信號(hào)無(wú)法建立同步。接收端同步完全建立而誤比特率不滿足當(dāng)接收端信號(hào)進(jìn)一步增大,接收端信干燥比高于某一閥時(shí),接收端可以建立同步傳輸,但是誤比特率較高,不能滿足業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需要。接收端信號(hào)同步完全建立且誤比特率滿足業(yè)務(wù)傳輸要求功率、信干燥比、誤比特率同時(shí)滿足。2.接收機(jī)誤比特率性能無(wú)線傳播環(huán)境是比較惡劣的,在空中傳播的信號(hào)通常會(huì)受到路徑損耗、多徑衰落以及陰影衰落的影響,這些影響屬于乘性干擾的范圍,另外,信號(hào)還受到加性噪聲和其他非期望信號(hào)干擾,這種干擾比較普遍,如熱噪聲、宇宙噪聲以及其他通信信號(hào)干擾等。這兩類干擾都會(huì)影響信號(hào)可靠性傳輸。幾點(diǎn)結(jié)論從前面幾個(gè)部分的研究分析,可以總結(jié)和歸納出一下幾點(diǎn)結(jié)論供上層研究時(shí)借鑒參考無(wú)線通信系統(tǒng)性能受到無(wú)線信道的制約。一方面受收/發(fā)距離d有關(guān)的路徑損耗；另一方面受收/發(fā)距離無(wú)關(guān)的多徑衰落和陰影衰落影響。因此,接收功率不僅與距離有關(guān),還受隨機(jī)因素而隨機(jī)波動(dòng)。接收機(jī)的誤比特率性能不僅與接收信號(hào)功率有關(guān),還受到接收機(jī)的噪聲和其他信號(hào)干擾,接收機(jī)的信號(hào)與干擾、噪聲之比決定了接收機(jī)的誤比特性能。一些問(wèn)題的探討1.可通與不可通問(wèn)題兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是否可通，是路由協(xié)議設(shè)計(jì)經(jīng)常遇到的問(wèn)題。傳統(tǒng)的路由協(xié)議用是否可通來(lái)描述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路，這是對(duì)物理層實(shí)際通信情況的簡(jiǎn)單抽象:節(jié)點(diǎn)的通信范圍是以該節(jié)點(diǎn)為中心、半徑為R的圓盤；如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的歐幾里得距離小于R，則它們之間存在通信鏈路。地理路由大多是在該模型假設(shè)下工作的。但是，有本章前面的分析可知，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是否存在通信鏈路、該鏈路的質(zhì)量都具有一定的隨機(jī)性。因此，在地理路由中根據(jù)距離遠(yuǎn)近的判斷是否能夠通信，在實(shí)際中存在節(jié)點(diǎn)之間無(wú)法連通的風(fēng)險(xiǎn)。2

載波偵聽范圍、發(fā)送范圍和干擾范圍傳統(tǒng)的無(wú)線覆蓋模型中，距離是影響接收功率的唯一因素；當(dāng)接收功率的要求給定時(shí)，載波偵聽范圍、發(fā)送范圍以及干擾范圍都可以等效為固定規(guī)則的地理區(qū)域進(jìn)行描述，即圓盤模型。如圖所示:Rc表示為節(jié)點(diǎn)A的載波偵聽范圍半徑，Rt表示節(jié)點(diǎn)A的發(fā)送范圍半徑，Ri表示為節(jié)點(diǎn)B的干擾范圍半徑，則下面的情況成立:節(jié)點(diǎn)A的載波偵聽范圍內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，都會(huì)被節(jié)點(diǎn)A感知到，從而判斷信道忙，進(jìn)行退避；節(jié)點(diǎn)A發(fā)送范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)都能夠以可接收誤比特率接受節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的分組，而此范圍外的則不能；A·

·B·H·C·F·D·G當(dāng)節(jié)點(diǎn)B在接受節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的分組時(shí),其干擾范圍內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)的發(fā)送都會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)B無(wú)法以可接受的誤比特率接收到節(jié)點(diǎn)A的發(fā)送的分組·ERtRiRc載波偵聽范圍、發(fā)送范圍和干擾范圍實(shí)際上這并不符合無(wú)線信道傳播的真實(shí)情況。接收機(jī)的性能唯一取決于接收節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)功率與噪聲及干擾功率之比，即接收信干比不能低于滿足可接受誤碼率的信干比閥值:為距離發(fā)送節(jié)點(diǎn)d

的接收節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)功率；

為加性高斯白噪聲；

為接收節(jié)點(diǎn)受到的干擾功率之和；為以可以接受所需要滿足的信干比閥值但是,干擾功率與當(dāng)前接受節(jié)點(diǎn)周圍其他節(jié)點(diǎn)的發(fā)送情況以及這些節(jié)點(diǎn)的分布相關(guān),并不是能唯一確定的,需要建立隨機(jī)模型來(lái)描述。例如,假設(shè)接收功率唯一與距離d相關(guān),并且各處噪聲功率固定的假設(shè)下,當(dāng)節(jié)點(diǎn)B接收時(shí),若只有其干擾范圍外的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送,可能根本不會(huì)影響節(jié)點(diǎn)B的接受；但是,若節(jié)點(diǎn)D和節(jié)點(diǎn)C,或更多的干擾范圍外的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送,也許就會(huì)干擾到節(jié)點(diǎn)B的接受。同理,發(fā)送范圍也不是簡(jiǎn)單確定的。信號(hào)在無(wú)線信道上的傳播衰減具有一定的隨機(jī)性,即網(wǎng)絡(luò)各處或同一地方、不同時(shí)刻的衰減模型都是不同的,這使接收功率不僅與距離有關(guān)還受隨機(jī)因素影響而隨機(jī)波動(dòng)。分布區(qū)域是一個(gè)隨機(jī)變化的不規(guī)則區(qū)域,其變化規(guī)律所涉及的影響因素較為復(fù)雜,很難準(zhǔn)確刻畫。圓盤模型通過(guò)假設(shè)所有的節(jié)點(diǎn)以相同的功率發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)各處噪聲和衰減模型都相同且固定，從而是接收功率成為唯一和發(fā)送距離有關(guān)的函數(shù)；從而避免了難以刻畫的周圍其他節(jié)點(diǎn)的分布和發(fā)送情況等復(fù)雜因素的影響。優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)化了無(wú)線覆蓋模型，便于協(xié)議的設(shè)計(jì)和研究。缺點(diǎn):犧牲了一定的性能為代價(jià)的。綜上所述，若要進(jìn)一步改善協(xié)議性能，首要問(wèn)題則是結(jié)合信道衰減的統(tǒng)計(jì)分布，建立一種更為精細(xì)的無(wú)線覆蓋模型。3.鏈路的質(zhì)量為了獲得鏈路質(zhì)量，目前有兩種方法常用:基于無(wú)線通信模型分析和基于結(jié)果估計(jì)?；跓o(wú)線通信模型分析:主要是對(duì)通信距離、發(fā)送功率、調(diào)制方式、信息傳輸速率噪聲功率等進(jìn)行計(jì)算,得出鏈路上分組遞交率?；诮Y(jié)果估計(jì):是利用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間成功傳輸?shù)姆纸M數(shù)量，對(duì)鏈路質(zhì)量進(jìn)行估計(jì)。4.單向鏈路單向鏈路是路由設(shè)計(jì)經(jīng)常提到的一個(gè)概念，其簡(jiǎn)略含義是單向可通，即通信雙方，一方可以將信息發(fā)送給另一方，而另一方不能將信息發(fā)送給對(duì)方。造成單向鏈路的主要因素:節(jié)點(diǎn)無(wú)線收/發(fā)信機(jī)的差異，和雙方節(jié)點(diǎn)周圍不同導(dǎo)致噪聲功率的差異。單向鏈路對(duì)于路由協(xié)議設(shè)計(jì)影響很大，當(dāng)前主要采用探測(cè)某一鏈路是否為單向，如為單向，則用回避鏈路的方式解決內(nèi)容提要概述無(wú)線通信的特點(diǎn)無(wú)線通信的能耗小結(jié)主要參考文獻(xiàn)無(wú)線通信的能耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電,同時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求工作的時(shí)間較長(zhǎng),通常是幾年甚至幾十年,因此,受到電池容量的限制,提高能量的效率以延長(zhǎng)工作時(shí)間成為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一需要對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的能耗模型進(jìn)行研究。該部分內(nèi)容主要研究無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)單節(jié)點(diǎn)的能耗,重點(diǎn)討論無(wú)線通信能耗兼顧其他能耗,并討論提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)單節(jié)點(diǎn)能耗效率的相關(guān)技術(shù)。還要簡(jiǎn)要分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗分析無(wú)線傳感網(wǎng)單節(jié)點(diǎn)能耗分析下面主要對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、及無(wú)線通信模塊的能耗特性分別進(jìn)行分析。無(wú)線通信模塊數(shù)據(jù)采集模塊傳感器A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)處理模塊微處理器存儲(chǔ)器無(wú)線收/發(fā)器電源模塊無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)各部分的能量消耗圖1.數(shù)據(jù)采集模塊能耗特性數(shù)據(jù)采集模塊能耗主要由其傳感器的特性決定，傳感器種類很多，可以檢測(cè)溫/濕度、光照、噪聲、振動(dòng)等物理量。不同種類的傳感器及其不同的性能要求會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)采集模塊能耗特性的較大差異。比如圖形傳感器和溫度傳感器。2.數(shù)據(jù)處理模塊能耗特性數(shù)據(jù)處理模塊能耗主要包括微處理器能耗與存儲(chǔ)器能耗兩部分。從處理器的角度看無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)基本上可以分為兩類:一類是以采用低端微控制器為代表的節(jié)點(diǎn)。該類節(jié)點(diǎn)的處理能力較弱，所以能量消耗也很小。另外一類是采用ARM處理器為代表的高端處理器。該類節(jié)點(diǎn)的能量消耗比采用微控制器大得多，同時(shí)其處理能力也強(qiáng)的多，適合大數(shù)據(jù)量、高處理速度的應(yīng)用。3.無(wú)線通信模塊能耗特性無(wú)線通信模塊能耗包括功率放大器能耗與電路能耗兩部分。嚴(yán)格的上說(shuō)功率放大器能耗也屬于電路能耗,由于功率放大器能耗與通信距離及信道特性等有較大關(guān)系,為區(qū)別起見,稱為功率放大器能耗。無(wú)線通信模塊其他部分為電路能耗。這里以單位比特的能耗為指標(biāo)進(jìn)行研究。一般來(lái)說(shuō)功率放大器的能耗占無(wú)線通信模塊能耗的比重較高。對(duì)于傳統(tǒng)通信來(lái)說(shuō),只需要考慮無(wú)線通信模塊功耗放大器能耗,這是因?yàn)楣β史糯笃髂芎恼伎偟耐ㄐ拍芎慕^大部分,相對(duì)而言通信中其他的能耗可以忽略不計(jì)。但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信距離通常較近,功率放大器能耗占總能耗的比重有所下降,因此也需要考慮電路能耗。1）功率放大器的能耗為了達(dá)到通信可靠性的要求，接收信號(hào)誤比特率需要滿足一定指標(biāo)，這對(duì)接收信號(hào)能量提出了相應(yīng)的要求。而功率放大器能耗正是用于克服衰落信道等因素影響，使接收信號(hào)能量得到有效的保證，下面簡(jiǎn)單的對(duì)該能耗進(jìn)行簡(jiǎn)單分析?？紤]無(wú)線信道衰落因素的影響，發(fā)射信號(hào)單位比特能量可以表示為:為接收端為了滿足誤比特為通信距離d處的天線單位比特的發(fā)射信號(hào)能量；率所需要的的單位比特能量；信道衰落,關(guān)系可以表進(jìn)一步，單位比特功耗放大器能耗與示成為:式中:其中:為能量轉(zhuǎn)化效率；為信號(hào)功率峰平比,與調(diào)制方式等有關(guān)。2）無(wú)線通信模塊電路能耗無(wú)線通信模塊電路損耗包括發(fā)射端電路能耗與接收端電路能耗兩部分。發(fā)射端電路結(jié)構(gòu)如圖所示:除去功耗放大器PA的能耗對(duì)應(yīng)發(fā)射端單位比特電路能耗表示為:其中 、 、 、 分別為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、混頻器、發(fā)射端濾波器、發(fā)射端基帶處理功率； 為比特信息速率。接收端電路結(jié)構(gòu)如圖所示,對(duì)應(yīng)接收端單位比特電路能耗表示為無(wú)線信道BaseDACFilterMixerFilterPA基帶處理器FilterLNAFilter

MixerFilterIFAADC無(wú)線信道圖--發(fā)射端電路結(jié)構(gòu)示意圖圖–接收端電路結(jié)構(gòu)示意圖接收端單位比特電路能耗表示為:式中: 、 、 、 、 、 分別為低噪聲放大器、混頻器、中間頻率放大器、接受濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及接收端基帶處理功率。接收端的基帶處理過(guò)程與發(fā)射端基帶處理過(guò)程相反。降低單節(jié)點(diǎn)能耗相關(guān)技術(shù)對(duì)降低單節(jié)點(diǎn)的能耗的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，主要包括兩部分內(nèi)容：一設(shè)計(jì)階段，主要指采用提高能量的效率的通信技術(shù)；二是應(yīng)用階段，主要指休眠技術(shù)。1.設(shè)計(jì)階段在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)階段采用的先進(jìn)制造工藝、設(shè)計(jì)低功耗芯片是提高節(jié)點(diǎn)能量效率的重要方法，對(duì)于這些技術(shù)這里不做具體討論。本文主要從通信的角度出發(fā)，研究提高節(jié)點(diǎn)能量效率的相關(guān)技術(shù)，主要包括調(diào)制技術(shù)與協(xié)作通信技術(shù)。調(diào)制技術(shù)1.模擬調(diào)制一個(gè)簡(jiǎn)單的正弦波可表示為:基于正弦波的調(diào)制技術(shù)無(wú)外乎對(duì)其參數(shù)幅度 、頻率 、相位 的調(diào)整。分別對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式為幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM）、相位調(diào)制（PM）。由于模擬調(diào)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)字調(diào)制技術(shù)替代。2.數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制是把基帶信號(hào)以一定方式調(diào)制到載波上進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。從對(duì)載波參數(shù)的改變上可以把調(diào)制方式分為三種類型:ASK、FSK和PSK。每種類型又有多種不同的具體形式。ASK即“幅移鍵控”是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的調(diào)制方式。幅移鍵控（ASK）相當(dāng)于模擬信號(hào)中的調(diào)幅，只不過(guò)與載頻信號(hào)相乘的是二進(jìn)制數(shù)碼而已。幅移就是把頻率、相位作為常量，而把振幅作為變量，信息比特是通過(guò)載波的幅度來(lái)傳遞的。例如二進(jìn)制中，把二進(jìn)制符號(hào)0和1分別用不同的幅度來(lái)表示，就是ASK了FSK稱為移頻調(diào)制,它是載波頻率隨數(shù)字信號(hào)而變化的一種調(diào)制方式。利用基帶數(shù)字信號(hào)離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。即用不同的頻率來(lái)表示不同的符號(hào)。例如2KHz表示符號(hào)0,3KHz表示符號(hào)1。PSK載波的相位隨調(diào)制信號(hào)狀態(tài)不同而改變?cè)谶@種調(diào)制技術(shù)中,載波相位只有0和π兩種取值,分別對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào)的“0”和“1”。傳“1“信號(hào)時(shí),發(fā)起始相位為π的載波；當(dāng)傳“0”信號(hào)時(shí),發(fā)起始相位為0的載波。另外,還有各種能改進(jìn)的數(shù)字調(diào)制方式,如ＭSK調(diào)制、時(shí)頻調(diào)制、2PSK、2FSK等,（1）不同的調(diào)制技術(shù)的功率放大器能耗特性不同的調(diào)制技術(shù)對(duì)功率放大器能耗特性有較大的影響,二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),考慮相同的誤碼率,接收端均采用相干檢測(cè),2PSK比2FSK需要的信噪比小3dB,2FSK比ASK小3dB;就能耗來(lái)說(shuō),2PSK是2FSK的一半,2FSK是ASK的一半。為了提高頻譜效率實(shí)際系統(tǒng)中常采用多進(jìn)制調(diào)制,不同多進(jìn)制調(diào)制單位比特能耗也有較大的差異。（2）調(diào)制技術(shù)優(yōu)化對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)需要選擇實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、能量效率比較高的調(diào)制技術(shù),如PSK調(diào)制及QAM調(diào)制等。3.UWB通信技術(shù)超寬帶指具有很高帶寬比（射頻帶寬與其中心頻率之比）的無(wú)線電技術(shù)。依據(jù)FCC對(duì)UWB的定義，UWB信號(hào)帶寬應(yīng)大于500MHz或相對(duì)帶寬大于0.2。相對(duì)帶寬的定義為:fc=2×（fh-fl／fh+fl)其中fh和fl為系統(tǒng)最高頻率和最低頻率。信號(hào)帶寬與中心頻率比在0.01-0.2時(shí)稱為寬帶，小于0.01時(shí)稱為窄帶。FCC還規(guī)定，利用UWB進(jìn)行無(wú)線通信的頻率范圍是3.1-10.6GHz.優(yōu)點(diǎn):傳輸速率高、、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、易于集成等UWB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展2006年1月中旬，在美國(guó)夏威夷召開的IEEE802標(biāo)準(zhǔn)組會(huì)議上，802.15.3a工作組被宣布解散，使得UWB出現(xiàn)了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)象，即MB-OFDM和DS-CDMA兩個(gè)技術(shù)主導(dǎo)方案一直無(wú)法彼此妥協(xié)。德州儀器（TI）與Intel支持的多頻帶OFDM聯(lián)盟（MBOA）的OFDM方案。優(yōu)點(diǎn):硬件簡(jiǎn)單、頻譜利用率高以摩托羅拉為代表的DS-CDMA方案。優(yōu)點(diǎn):抗符號(hào)間干擾能力強(qiáng)UWB技術(shù)在WSN的應(yīng)用隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和超寬帶技術(shù)的逐漸成熟,研究人員開始考慮將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于WSN中。首先,采用UWB技術(shù)將很大程度上簡(jiǎn)化無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其次,人們正嘗試將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層,以提高物理層的性能。再次,基于超寬帶技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)建立和路由查找過(guò)程中,利用超寬帶技術(shù)具備的精確測(cè)距能力,能準(zhǔn)確測(cè)量出節(jié)點(diǎn)之間的距離,再通過(guò)節(jié)點(diǎn)的信息交換,可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位,并可以逐漸計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的地理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。4

擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼擴(kuò)頻處理后,再將頻譜擴(kuò)展了的寬帶信號(hào)在信道上進(jìn)行傳輸；接收端則采用相同的編碼序列進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理后,恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。圖--

擴(kuò)頻收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)圖與常規(guī)的窄帶通信方式相比，這種通信方式主要特點(diǎn)在于:一.信息的頻譜擴(kuò)展后形成寬帶傳輸。二.經(jīng)過(guò)相關(guān)的處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)正是這兩大特點(diǎn)，使得擴(kuò)頻通信具有如下的優(yōu)點(diǎn):抗干擾強(qiáng)、抗噪聲、抗多徑干擾，具有保密性，功率頻譜密度低，具有隱蔽性和低的載獲概率、可多址復(fù)用和任意選址以及易于高精度測(cè)量等。應(yīng)用階段根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),可以采用休眠技術(shù)來(lái)進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)能耗,目的是使節(jié)點(diǎn)各個(gè)部分盡量運(yùn)行在節(jié)能模式下,以最大限度地降低節(jié)點(diǎn)能耗,最常用的電源管理策略是關(guān)閉節(jié)點(diǎn)上空閑模塊,在這種狀態(tài)下,整個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)或其一部分將關(guān)閉或出于低功耗狀態(tài)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模、密集布設(shè)的特點(diǎn),一方面提高了信息檢測(cè)的可靠性；另一方面為休眠技術(shù)的應(yīng)用提供了條件。節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行有效檢測(cè),那么勢(shì)必會(huì)帶來(lái)能量的浪費(fèi),降低工作效率。未來(lái)這種情況采用值班的方法,在保證檢測(cè)質(zhì)量及通信性能的前提下,采用休眠機(jī)制,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命的目的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗特性前面主要講了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗特性及降低節(jié)點(diǎn)能耗的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，其目的是提高節(jié)點(diǎn)能量效率、增加網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的整體性能來(lái)說(shuō)必須先研究無(wú)線傳感網(wǎng)的壽命的定義。當(dāng)前沒(méi)有一個(gè)令人信服的定義，概念上講可以理解為:隨著工作時(shí)間的增加，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗達(dá)到一定程度之后導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)正常功能喪失所需要的時(shí)間，這里正常功能喪失主要包括數(shù)據(jù)檢測(cè)不全、數(shù)據(jù)不能及時(shí)回傳甚至不能回傳等。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的定義是網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)或某個(gè)百分比節(jié)點(diǎn)失效（如3%、10%等）的時(shí)間。上述定義對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究來(lái)說(shuō)具有一定指導(dǎo)意義,但其合理性有待進(jìn)一步討論。例如,節(jié)點(diǎn)重要度的問(wèn)題,有些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),一個(gè)節(jié)點(diǎn)的不正?？梢詫?dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常功能的喪失,對(duì)于非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),多個(gè)節(jié)點(diǎn)不能正常工作也不可能影響網(wǎng)絡(luò)的正常功能。目前研究除了集中在降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗以外,主要研究了不同節(jié)點(diǎn)之間的能量均衡問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)的分布不均衡、節(jié)點(diǎn)與sink的相對(duì)位置、業(yè)務(wù)特性等均會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)能耗特性,造成無(wú)線傳感網(wǎng)的能量不均衡性,從而影響了上述定義的網(wǎng)絡(luò)壽命。采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、路由、?shù)據(jù)聚合處理等技術(shù),可以使網(wǎng)絡(luò)整體能耗最小化時(shí)達(dá)到均衡,從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。總而言之,對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)的能耗分析的研究是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。參考文獻(xiàn):【1】李曉偉,徐勇軍等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù).北京:北京理工大學(xué)出版社, 2007.【2】于宏毅,李歐,張效義等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論、技術(shù)、與實(shí)現(xiàn).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.【3】王殊等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.【4】于海斌,曾鵬等.智能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).北京:科學(xué)出版社,2006.【5】劉四清等.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)教程.北京:清華大學(xué)出版社,2006.【6】孫利民,李建中,陳渝,等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò).北京:清華大學(xué)出版社,2005【7】李善倉(cāng)，張克旺，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,2007【8】F.Akyildiz,W.Su,Y.Sankarasubramaniam,E.Cayirci,.“Wirelesssensornetworks:asurvey”.ComputeNetworks,Vol.38,2002,pp.393.422.【9】E.Deborah.WirelessSensorNetworksTutorialPartIV:SensorNetworkProtocols[C