第2章无线传感器网络物理层设计

1、 第二章 无线传感器网络物理层设计 l无线传感器网络物理层概述 l无线传感器网络物理层调制解调技术 l无线传感器网络物理层信道特性 l无线传感器网络物理层设计要点 第二章 无线传感器网络物理层设计 物理层物理层：位于最低层，向下直接与物理传输介质相连接，主要 负责数据的调制、发送与接收，是决定WSN的节点体积、成本 以及能耗的关键环节。 主要功能主要功能：为数据终端设备提供传送数据的通路；传输数据； 其他管理工作，如信道状态评估、能量检测等。 节点各单元的功能对比如图所示：大部分能量消耗在收发上大部分能量消耗在收发上 无线传感器网络物理层概述 第二章 无线传感器网络物理层设计 物理层的传输介质

2、传输介质主要包括无线电波、红外线和光波等。 目前WSN的主流传输方式主流传输方式是无线电波。易于产生，传播距离远， 且容易穿透建筑物，在通信方面没有特殊的限制。例如红外线。 红外线：红外线：不受无线电波干扰，且红外线的使用不受国家无线电管 理委员会的限制；但是红外线的缺点是对非透明物体的透过性极 差，只能在一些特殊的WSN应用中使用。 光波传输光波传输：不需要复杂的调制/解调机制，接收器的电路简单， 单位数据传输功耗较小。光波与红外线相似，通信双方可能被非 透明物体阻挡，因此只能在一些特殊的WSN应用中使用。 无线传感器网络物理层概述传输介质 第二章 无线传感器网络物理层设计 第二章 无线传感

3、器网络物理层设计 无线传感器网络物理层概述频谱分配 在频率选择方面，目前一般选用工业、科学和医疗（ISM） 频段。选用ISM频段的主要优点是ISM频段是无须注册的公用 频段、具有大范围的可选频段、没有特定的标准，可以灵活使 用。面对传感器节点小型化、低成本、低功耗的特点，在欧洲 使用433 MHz的ISM频段，在美国使用915 MHz的ISM频段。 无线传感器网络物理层概述频率选择 第二章 无线传感器网络物理层设计 传统的无线通信系统：频谱效率、误码率、环境适应性，以及 实现的难度和成本。而无线传感器网络要解决：节能节能和成本成本。 常用调制方式： 模拟调制 数字调制 扩频通信 UWB通信技术

4、 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 模拟调制 基于正弦波的调制技术主要是对其参数幅度A(t)、频率f(t), 相位(t)的调整。分别对应的调制方式为幅度调制（AM）、 频率调制(FM)、相位调制(PM)。 由于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及灵活性差，所 以正逐步被数字式调制技术替代。但当前，模拟调制技术仍在 上（下）变频处理中起着无可替代的作用。 )()(2sin()()(ttftAts 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 模拟调制 01002003004005006007008009001000 -1.5 -1 -0.5

5、 0 0.5 1 1.5 （a）AM调制波形图（双边带） (b)上为调频信号，下为调相信号 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 数字调制 数字调制技术是把基带信号以一定方式调制到载波上进行 传输。从对载波参数的改变方式上可把调制方式分成三种类型 ：ASK、FSK和PSK。 每种类型又有多种不同的具体形式。如正交载波调制技术 、单边带技术、残留边带技术和部分响应技术等都是基于ASK 的变型。FSK中又分连续相位（CPFSK）与不连续相位调制， 以及多相PSK调制等，或混合调制如M-QAM，在这些调制技术 中常用的是多相相移键控技术、正交幅度键控技术和连续相位 的频

6、率键控技术。 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 B-ary数字调制 lASK （Amplitude Shift Keying） ，结构简单易于实现，对带宽的 要求小，缺点是抗干扰能力差 lFSK （Frequency Shift Keying ) 相比于ASK需要更大的带宽 lPSK (Phase Shift Keying) 更 复杂，但是具有较好的抗干扰能 力 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 M-ary调制调制：即多进制调制，与二进制数字调制不同的是：多 进制调制利用多进制数字基带信号调制载波信号的振幅、频率 或相位，由此

7、相应地有多进制振幅调制、多进制频率调制和多 进制相位调制三种基本方式。 多进制振幅调制多进制振幅调制：在相同码元传输速率的条件下，多进制振幅 调制与二进制调制具有相同的带宽，并且有更高的信息传输速 率。 多进制频率调制多进制频率调制的原理基本上可以看成二进制频率键控方式的 推广。 多进制相位调制多进制相位调制利用载波的多种不同相位（或相位差）来表示 数字信息。可以分成绝对移相和相对（差分）移相两种方式。 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 与二进制相比，多进制调制在性能上有以下特点。 （1）在相同的码元传输速率条件下，M-ary调制系统的信息传输速率是二 进制调

8、制系统的log2M倍，即与二进制调制相比，M-ary调制能够通过单个 符号发送多位数据来减少发射时间。 （2）M-ary调制需要在输入端增加2-M转换器，相应地，在接收端需要增 加M-2转换器，因此与二进制调制相比，M-ary调制的电路更为复杂。 （3）M-ary调制需要更高的发射功率来发送多元信号。 （4）在启动能量消耗较大的系统中，二进制调制机制更加有效，多进制 调制机制仅仅对启动能量消耗较低的系统适用。 （5）M-ary调制的误码率通常大于二进制的误码率。 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 M-ary调制机制调制机制：满足WSN最小化符号率和最大化数 据

9、传输率的指标，但简单的多相位M-ary信号将降低 检测的敏感度，需要增加发射功率，导致能量浪费。 偏移四相移键控（偏移四相移键控（O-QPSK）：采用四位二进制符号， 有效解决上述问题，并且仿真实验表明该方案的节能 性比较好。 正交振幅调制（正交振幅调制（QAM）：同时以载波信号的幅度和相 位来代表不同的数字比特编码，把多进制与正交载波 技术结合起来，进一步提高频带利用率 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 扩频通信（扩频通信（Spread Spectrum Communication， 扩展频谱通信）扩展频谱通信） ：将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：

10、 Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的 编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。用来传输信息的射频带 宽远大于信息本身带宽。扩频通信有如下的优点： l 抗干扰 l 抗噪音 l 抗多径衰落 l 具有保密性 l 功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率 l 可多址复用和任意选址 l 高精度测量 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为： 直接序列扩频直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum：DSSS) 工作方式，简称直扩(DS)方式； 跳变频率

11、跳变频率(Frequency Hopping)工作方式，简称跳频(FH)方式； 跳变时间跳变时间(Time Hopping)工作方式，简称跳时(TH)方式； 宽带线性调频宽带线性调频(Chirp Modulation)工作方式，简称Chirp方式； 混合方式混合方式，即在几种基本的扩频方式的基础上组合起来，构成各 种混合方式，如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。 直接序列扩频和跳频扩频是当前使用最广的两种方式，例如 IEEE802.15.4定义的物理层中采用的就是直接序列扩频，蓝牙物 理层协议中使用的则是跳频扩频，下面主要介绍这两种扩频方式。 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线

12、传感器网络物理层设计 n直接序列扩频DSSS 如图所示为如图所示为PSK直接序列扩频器的结构。直接序列扩频器的结构。 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 nFHSS 如图所示为跳频扩频及解扩电路结构图。如图所示为跳频扩频及解扩电路结构图。 数 据 调 制 NRZ ) t (d ) tcos(P2 0 ) t (sd 频综 码产 生 码钟 ) t (hT ) t (st (a) FH发送端框图 频率合成器 伪随机码产生 (a) FH发送原理框图 (d) FH 接收端框 图 数 据 调 制 ) t (d 频 综 码产 生 码 钟 ) t (hR ) t ( r )

13、t ( y 宽带窄带 频 率 合 成 器 伪随机码产 生 (b) FH接收机原理框图 数据 解调 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 Edgar H. Callaway提出了一种差分脉冲位置调制机制，它采用两个32-chip PN码， I、Q通道各一个，并采用OQPSK调制，每个32-chip采用半正弦脉冲波形。调制结果波 形具有恒定包络，从而适合低廉的非线性功率放大器。PN码使用最大长度序列（m-序 列），I通道采用的PN码的特征多项式为45（八进制），Q通道采用的PN码的特征多 项式为75（八进制），符号速率为31.25 kSymbols/s。如图2.2所示

14、 ，通过周期性移 动PN码（共16个移位值），将信息以差分方式放置在每个通道的符号内，即信息是当 前符号与前一个符号的移位值的差。在一个符号传输时间内，M为16个移位值之一 （每位包含4位信息），放置在I和Q通道中，每个符号传输1 B。因为PN码采用的是 32-chip，理论上可以设置M=32，每个符号发送5位，但是实现较为复杂。更为简单的 做法是，将8位分为4位而不是5位，这样较小数目的移位值也能简化接收器的实现。 由于分组的长度较短（小于100 B），因此符号的同步可以通过PHY分组的包头实现。 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 每个节点访问两个信道，一

15、个传输数据，另一个传输信令。 发送方的数据经过CPM调制后， 由AWGN信道传输给接收方；在 接收方，数据按相反的顺序处理。 接收方计算数据的误码率，将其 通过信令信道回送给发送方，并 根据BER估计噪声功率密度以及 调整发射功率。分组调度层和物 理层通过协作来保证针对动态的 端到端的发送QoS需求和时变的 本地环境的自适应性。 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 UWB通信技术通信技术 （Ultra Wide Band：UWB超宽 带）是近年来发展较快的短距离无线通信技 术之一 具有高传输速率、非常高的时间和空间分辨 率、低功耗、保密性好、低成本及易于集成 等

16、特点，被认为是未来短距离高数据通信最 具潜力的技术。 依据FCC对UWB的定义，UWB信号带宽大于 500MHz或相对带宽大于 0.2。相对带宽定义 为： fH和fL为系统最高频率和最低频率。 L f H f L f- H f c f 2 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 UWB通信技术通信技术 与传统的无线收发机结构相比，UWB 的收发机 结构相对简单。UWB 系统直接通过脉冲调制发送信 号而无传统的中频处理单元，可采用软件无线电的 全数字硬件接收结构 UWB收发机结构图 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 窄带调制技术、扩频

17、调制技术和UWB的比较： 分类窄带UWB扩频 成本343 功耗254 低传输范围和低速率354 抗干扰能力154 抗背景噪声能力252 同步难易度322 频谱利用率245 多播能力134 无线传感器网络物理层调制解调技术 第二章 无线传感器网络物理层设计 无线传感器网络物理层信道特性 无线通信信道的传播特性无线通信信道的传播特性 自由空间信道自由空间信道 多径信道多径信道 加性噪声信道加性噪声信道 第二章 无线传感器网络物理层设计 无线传播环境是影响无线通信系统的基本因素。发射机与接收机之间的无线 传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的物体（如建筑物、山 脉和树叶等）所引起的反射

18、、绕射和散射传播等。无线信道不像有线信道那样固 定并可预见，它具有极大的随机性。而且，无线台相对于发射台无线的方向和速 度，甚至收发双方附近的无线物体也对接收信号有很大的影响。因此，可以认为 无线的传播环境是一种随时间、环境和其他外部因素而变化的传播环境。 无线传感器网络物理层信道特性传播 第二章 无线传感器网络物理层设计 根据弗利斯（Friis）传输公式，它表明了接收天线的接收功率和发 射天线的发射功率之间的关系。其中，Lfs称为自由空间传播损耗。考 虑到电磁波在空间传播时，空间并不是理想的（如气候因素），假设 由气候影响带来的损耗为Ls，则接收天线接收功率可表示为： fss t r LL

19、GGP P 21 接收天线接收功率：损耗： tsfs r12 PL L L= PG G 无线传感器网络物理层信道特性自由空间 第二章 无线传感器网络物理层设计 在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物，如楼 房、高大建筑物或山丘等，它们会使电波产生反射、折射或衍射等。因 此，到达接收天线的信号可能存在多种反射波（广义地说，地面反射波 也应包括在内），这种现象称为多径传播。 无线传感器网络物理层信道特性多径传输 第二章 无线传感器网络物理层设计 对于噪声通信信道，最简单的数学模型是加性噪声信道，如图所 示。图中，传输信号s(t)被一个附加的随机噪声n(t)所污染。加性 噪声可能来自电子

20、元件和系统接收端的放大器，或传输中受到的 干扰，无线传输主要采用这种模型。 无线传感器网络物理层信道特性噪声 第二章 无线传感器网络物理层设计 如果噪声主要是由电子元件和接收放大器引入的，则称为热噪声， 在统计学上表征为高斯噪声。因此，该数学模型称为加性高斯白噪 声信道（Additive White Gaussian Noise Channel，AWGN）模型。由 于该模型可以广泛地应用于许多通信信道，又由于它在数学上易处 理，所以这是目前通信系统分析和设计中的主要应用信道模型。信 道衰减很容易结合进这个模型，当信号遇到衰减吋，则接收到的信 号为 ( )( ) + ( )r tas tn t

21、无线传感器网络物理层信道特性噪声 第二章 无线传感器网络物理层设计 无线传感器网络物理层设计要点 物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大 的链路容量。为了确保网络的平滑性能，该层一般需 与介质访问控制（MAC）子层进行密切地交互。 物理层设计所需要考虑的要点有： 节点的成本要求 节点的功耗要求 通信速率的要求 通信频段的选择 编码调制方式的选择 物理帧结构 第二章 无线传感器网络物理层设计 无线传感器网络物理层设计要点成本 低成本是无线传感器网络节点的基本要求，只有低成本， 才能将节点大量地布置在目标区域内，表现出无线传感 器网络的各种优点。 节点最大限度的集成化设计，减少分立元件是降

22、低成本 的主要手段。 由于无线传感器网络中大规模的节点布置以及时间同步 的要求，使得整个网络对物理层频率稳定度的要求非常 高，所以晶体振荡器是物理层设计中必须考虑的一个部 件。 第二章 无线传感器网络物理层设计 无线传感器网络物理层设计要点功耗 无线传感器网络节点一般都需要几个月的使 用寿命，在有的应用中寿命需要达到27年， 这就要求节点的平均功耗在几个W。 降低收发机电路自身的功耗。 物理层调制解调方式的选择。 第二章 无线传感器网络物理层设计 无线传感器网络物理层设计要点频率选择 频段的选择是由很多的因素决定的，但是对于无线传感器网络来说，则必须根 据实际的应用场合来选择。频率的选择直接决

23、定了无线传感器网络节点的 天线尺寸、电感的集成度以及节点的功耗等。 （1）从节点功耗的角度考虑自身能耗、传播损耗与工作频率的关系。 （2）从节点物理层集成化程度、成本的角度来考虑。 当前频段的选择大都集中在433-464MHz 、902-928MHz以及2.4-2.5GHz ISM波段。 第二章 无线传感器网络物理层设计 无线传感器网络物理层设计要点调制方式 M-ary调制方式：调制方式：相同的码元速率的情况下，M-ary调制方式传输的信息量 是二进制调制方式的log2M倍，因此更节省了传输时间，但是其同时指出M- ary调制相对于二进制调制方式实现上更复杂而且抗干扰能力较差，尤其对 于功率受

24、限的无线传感器网络节点，M越大误码性能就会越严重。 扩频通信调制方式扩频通信调制方式：可以提供较高的速率，提高信道容量，但是每个节点 需要存储通信的PN码，会对有限的存储资源带来一定压力。 超宽带（超宽带（UWB）技术）技术：是无需载波的调制技术，其超低的功耗和易于集成 的特点非常适于WSN短距离通信。但是UWB信号接收需要较长的捕获时间， 即需要较长的前导码，这将降低信号的隐蔽性，需要MAC层更好的协作。 协同发射的虚拟协同发射的虚拟MIMO调制方式调制方式：节点之间可以协同传输以达到远距离基 站，可以减少或避免多跳损耗，但是这种方式需要精确的同步。 第二章 无线传感器网络物理层设计 无线传感器网络物理层设计要点帧结构 典型物理层帧结构（典型物理层帧结构（802.15.4）：物理帧的第一个字段是前导码，其 字节数一般取4，收发器在接收前导码期间会根据前导码序列的特征完 成片同步和符号同步，当然字节数越多同步可靠性越好，但需要更多的 能量消耗。接下来的是帧头（start-of-frame delimiter, SFD字段，标示 一个物理帧的开始。帧长度（frame length）一般由一个字节的低7位 表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过 127个字节。物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元（PHY service data