第2章物理层技术

1、第2章 物理层通信技术2.1 物理层技术概述n网络的物理层主要关心数字化数据的调制与解调问题，这个任务是由收发机来完网络的物理层主要关心数字化数据的调制与解调问题，这个任务是由收发机来完成的。在传感器网络中，主要的挑战性工作是确定调制方式和收发机的体系结构，成的。在传感器网络中，主要的挑战性工作是确定调制方式和收发机的体系结构，使之具有简单、低成本、低能耗的特性，并且能够提供所需要的足够稳健的服务。使之具有简单、低成本、低能耗的特性，并且能够提供所需要的足够稳健的服务。n由于无线传感网节点采用电池供电，能量有限，且不易更换。因此，能量效率是由于无线传感网节点采用电池供电，能量有限，且不易更换。

2、因此，能量效率是无线传感网无法回避的话题。从最基础的物理层开始到应用层，几乎所有的通信无线传感网无法回避的话题。从最基础的物理层开始到应用层，几乎所有的通信协议层的设计都要考虑到能效因素，保持高能效以延长网络的使用寿命是无线传协议层的设计都要考虑到能效因素，保持高能效以延长网络的使用寿命是无线传感网设计的重要前提。无线传感网使用无线通信，链路极易受到干扰，链路通信感网设计的重要前提。无线传感网使用无线通信，链路极易受到干扰，链路通信质量往往随着时间推移而改变，因此研究如何保障稳定高效的通信链路是必要的。质量往往随着时间推移而改变，因此研究如何保障稳定高效的通信链路是必要的。n从无线传感网三层体

3、系结构模型来分析，其上层可采用常见的远距无线通信方式，从无线传感网三层体系结构模型来分析，其上层可采用常见的远距无线通信方式，包括包括GPRS、EDGE、WiMAX、3G、4G等。其下层大多采用短距通信方式，典等。其下层大多采用短距通信方式，典型的短距无线通信技术包括蓝牙、型的短距无线通信技术包括蓝牙、Wi-Fi、IrDA、UWB、ZigBee等。无线传感网等。无线传感网大多采用了低功耗的短距通信方式，目前大多采用了低功耗的短距通信方式，目前ZigBee被公认为是典型的无线传感网通被公认为是典型的无线传感网通信技术，其物理协议层基于信技术，其物理协议层基于IEEE802.15.4标准。标准。2

4、.2 链路特征n无线传感器网络的链路特性主要从频率分配、无线传感器网络的链路特性主要从频率分配、无线通信信道和调制解调技术三方面进行描述。无线通信信道和调制解调技术三方面进行描述。2.2.1 通信频率通信频率n对于一个无线通信系统来说，频率波段的选择对于一个无线通信系统来说，频率波段的选择非常重要。由于在非常重要。由于在6GHz以下频段的波形可以以下频段的波形可以进行很好的整形处理，能较容易地滤除不期望进行很好的整形处理，能较容易地滤除不期望的干扰信号，所以当前大多数射频系统都是采的干扰信号，所以当前大多数射频系统都是采用这个范围的频段。用这个范围的频段。n目前，无线传感网节点基本上都是采用无

5、需许目前，无线传感网节点基本上都是采用无需许可证的可证的ISM（工业、科学、医学）波段，发射（工业、科学、医学）波段，发射功率要求在功率要求在1W以下。以下。n表表2-1给出了一些常用的给出了一些常用的ISM波段频率分配。波段频率分配。频频 率率说说 明明13.55313.567MHz26.95727.283MHz40.6640.70MHz433464MHz欧 洲902928MHz美 国2.42.5GHzWLAN/WPAN技术使用5.7255.875GHzWLAN技术使用2424.25GHzn选择频段时主要考虑以下两点。选择频段时主要考虑以下两点。q（1）在公用的ISM频段，由于没有使用限制，

6、任何系统可能会对其它系统使用（在同一频段内使用相同或不同的技术，）产生噪声干扰。例如，许多系统共用的2.4GHz的ISM频段。因此，在这些频段中的所有系统有强大的防干扰能力。共存需要涉及物理层和MAC层。但要求分配一些特定的适合传感网的独家频谱是相当困难的事情。q（2）在传输系统中的一个重要参数是天线的效率，其定义为天线辐射功率与总输入功率之比。外形小巧的无线传感器节点期望的只允许采用小型天线。例如，在2.4GHz的无线电波波长为12.5cm，比大多数传感器节点期望的尺寸要长。在一般情况下，由于天线尺寸小于波长，因此效率会有所降低，必须采取一定措施才能实现固定的辐射功率。2.2.2 通信信道通

7、信信道n无线传感网采用无线通信方式，传感网的数据信息可无线传感网采用无线通信方式，传感网的数据信息可以通过各种各样复杂的无线方式传送到目的节点。以通过各种各样复杂的无线方式传送到目的节点。n无线信道是无线通信发送端和接收端之间的通信链路，无线信道是无线通信发送端和接收端之间的通信链路，它们是以电磁波的形式在空间传播，信道的电波传播它们是以电磁波的形式在空间传播，信道的电波传播特性与电波所处的实际传播环境有关。特性与电波所处的实际传播环境有关。n以下就从自由空间信道，多径信道和加性噪声信道来以下就从自由空间信道，多径信道和加性噪声信道来简要介绍通信信道。简要介绍通信信道。2.2.2 通信信道通信

8、信道自由空间信道自由空间信道n自由空间信道是自由空间信道是种理想的无线信道，它是无阻挡、无衰落、非时变的种理想的无线信道，它是无阻挡、无衰落、非时变的自由空间传播信道。如图自由空间传播信道。如图2-1所示，假定信号发射源是一个点（所示，假定信号发射源是一个点（a点），点），天线发射功率为，则与点天线发射功率为，则与点a相距相距d的任一点上（相当于面积为的球面上）的任一点上（相当于面积为的球面上）的功率密度为：的功率密度为：)/(4220mWdPPt图2-1 无线信道结构2.2.2 通信信道通信信道多径信道多径信道n在超短波、微波波段，电波在传播过程中会遇到障碍物，例如楼房、高层建筑物在超短波、

9、微波波段，电波在传播过程中会遇到障碍物，例如楼房、高层建筑物或山丘等，将会对电波产生反射、折射、散射或衍射等现象，如图或山丘等，将会对电波产生反射、折射、散射或衍射等现象，如图2-2所示。因此，所示。因此，到达接收天线的信号可能存在多种反射波（广义地说，地面反射波也包括在内），到达接收天线的信号可能存在多种反射波（广义地说，地面反射波也包括在内），这种现象称为多径传播。可以用图这种现象称为多径传播。可以用图2-2表示这一现象。表示这一现象。图2-2 造成多径传播的原因2.2.2 通信信道通信信道多径信道多径信道n对于无线传感网来说，其通信大多是节点间短距离、低功率传输，且一般离地面对于无线传感

10、网来说，其通信大多是节点间短距离、低功率传输，且一般离地面较近，所以对于一般的场景可以认为它主要存在三条路径：即障碍物反射、直射较近，所以对于一般的场景可以认为它主要存在三条路径：即障碍物反射、直射以及地面发射。以及地面发射。n（1）反射与折射：当一个电磁波信号在从一种介质）反射与折射：当一个电磁波信号在从一种介质A传播到另一种介质传播到另一种介质B表面时，表面时，如果两种介质之间的边界是平滑的，且介质如果两种介质之间的边界是平滑的，且介质B的边长大大地大于信号波长，则传的边长大大地大于信号波长，则传播信号的一部分会被反射回介质播信号的一部分会被反射回介质A的现象称为发射。另一部分则可能进入介

11、质的现象称为发射。另一部分则可能进入介质B，称为发射波。而其余的部分则被吸收掉。究竟信号的能量有多少被反射、传播或称为发射波。而其余的部分则被吸收掉。究竟信号的能量有多少被反射、传播或吸收，取决于介质体的材料和信号的频率。吸收，取决于介质体的材料和信号的频率。n（2）散射：当信号波传播碰撞到小于信号波长障碍物时，如传播波形碰到一个）散射：当信号波传播碰撞到小于信号波长障碍物时，如传播波形碰到一个圆的表面时，则其可能发生多次反射，并弥散到许多方向。圆的表面时，则其可能发生多次反射，并弥散到许多方向。n（3）衍射：依据惠更斯原理，信号波形上的任意一点可以被认为是一个新的波）衍射：依据惠更斯原理，信

12、号波形上的任意一点可以被认为是一个新的波源。如果一个传播的波形碰到一个尖锐的边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现源。如果一个传播的波形碰到一个尖锐的边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象。孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。象。孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。2.2.2 通信信道通信信道加性噪声信道加性噪声信道n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2-3所示。其中，传所示。其中，传输信号被一个附加的随机噪声所污染。加性噪声可能来自电子元件和系统接收端输信号被一个附加的随机噪声所污染。加性噪声可能来自电子元件和系统接收端

13、的放大器，或传输中受到的干扰，无线信道传输主要采用这种模型。的放大器，或传输中受到的干扰，无线信道传输主要采用这种模型。图2-3 加性信道模型n如果噪声主要是由电子元件和接收放大器引入的，则为热噪声，统计如果噪声主要是由电子元件和接收放大器引入的，则为热噪声，统计学上表征为高斯噪声。因此，该数学模型称为加性白高斯噪声信道模学上表征为高斯噪声。因此，该数学模型称为加性白高斯噪声信道模型。因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型。因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，所以这是各种通信系统分析和设计中主要应用的信道模型。信处理，所以这是各种通信系统分析和设计

14、中主要应用的信道模型。信道衰减很容易结合这个模型，当信号遇到衰减时，则收到的信号为：道衰减很容易结合这个模型，当信号遇到衰减时，则收到的信号为：n （2.8）)()()(tntastr2.2.3 调制解调技术调制解调技术n调制与解调是为了能够在容忍的天线长度内实现远距离的调制与解调是为了能够在容忍的天线长度内实现远距离的无线信息传输，在通信系统中有重要的地位。无线信息传输，在通信系统中有重要的地位。n从早期的模拟调制到数字调制，再到无需载波的从早期的模拟调制到数字调制，再到无需载波的UWB调调制技术，为了满足人们对信息交互的日益需求，调制技术制技术，为了满足人们对信息交互的日益需求，调制技术也

15、一直在不断发展。也一直在不断发展。n本节主要对基本的调制解调技术进行简单的回顾，并对它本节主要对基本的调制解调技术进行简单的回顾，并对它们进行简单对比。由于调制解调方式直接决定了收发机结们进行简单对比。由于调制解调方式直接决定了收发机结构、成本和功耗，所以对它们的选择也是一个折中的过程。构、成本和功耗，所以对它们的选择也是一个折中的过程。调制解调技术调制解调技术n1. 模拟调制模拟调制:n2.数字调制数字调制:数字调制是把基带信号以一定方式调制到载波上进行传输的技术。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。 n3 UWB调制技术

16、调制技术:超宽带（超宽带（Ultra wide Band，UWB）无线）无线通信技术是近年来备受青睐的短距离无线通信技术之一，由于其具有通信技术是近年来备受青睐的短距离无线通信技术之一，由于其具有高传输速率、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特点，被认为是未来短距离高速通信最具潜力的技术。本及易于集成等特点，被认为是未来短距离高速通信最具潜力的技术。 3 UWB调制技术调制技术UWB的收发机结构的收发机结构 UWB的收发机结构 UWB技术优点技术优点n（1）不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要本地振荡器、

17、功放和混频器等，因此体积）不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要本地振荡器、功放和混频器等，因此体积相对较小，系统结构也相对简单得多。相对较小，系统结构也相对简单得多。n而且，由于UWB对信号的处理只需使用很少的射频或微波器件，因而射频前端也比较简单，系统频率的自适应能力强。另外，只要能将脉冲发射机和接收机前端集成到一个芯片上，再加上时间基和控制器，就可以构成一部UWB通信设备，因此它的成本可以大大降低。n（2）由于）由于UWB信号采用了跳时扩频，其射频带宽可以达到信号采用了跳时扩频，其射频带宽可以达到1GHz以上，它的发射功率谱密以上，它的发射功率谱密度很低，信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中

18、，用传统的接收机无法接收和识别，必须采用度很低，信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中，用传统的接收机无法接收和识别，必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，因此增加了系统的安全性。与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，因此增加了系统的安全性。n（3）UWB信号的衰落比较低，有很强的抗多径衰落能力。信号的衰落比较低，有很强的抗多径衰落能力。n（4）UWB信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于UWB无线电信号发射的冲激脉冲占无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其他的无线技术都高。空比极低，系统有很高的增益

19、和很强的多径分辨力，所以系统容量比其他的无线技术都高。n（5）由于）由于UWB信号的扩频处理增益比较大，即使采用低增益的全向天线，也可使用小于信号的扩频处理增益比较大，即使采用低增益的全向天线，也可使用小于1mw的发射功率实现几千米的通信。的发射功率实现几千米的通信。n如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间，非常适合移动通信设备的应用。有研究表明，使用超宽带的手机待机时间可以达6个月，而且低辐射功率可以避免过量的电磁波辐射对人体的伤害。4扩频通信技术扩频通信技术n扩频调制是将待传送的信息数据被伪随机编码（扩频调制是将待传送的信息数据被伪随机编码（Pseudo Noise，PN），也称为噪声序

20、列或扩频序列（），也称为噪声序列或扩频序列（Spread Sequence）扩频处理后，再将频谱扩展了的宽带信号在）扩频处理后，再将频谱扩展了的宽带信号在信道上进行传输。接收端则采用相同的信道上进行传输。接收端则采用相同的PN序列进行解调序列进行解调及相关处理后，恢复出原始信息数据。一个典型的扩展频及相关处理后，恢复出原始信息数据。一个典型的扩展频谱通信系统如图谱通信系统如图2-9所示。所示。一个典型的扩展频谱通信系统一个典型的扩展频谱通信系统n按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：q直接序列扩频（Derrect Sequenc

21、e Spread Spectrum，DSSS）工作方式，简称直扩（DS）方式。q跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）工作方式，简称跳频（FH）方式；q跳时扩频（Time Hopping Spread Spectrum，THSS）工作方式，简称跳时（TH）方式；q宽带线性调频（Chirp Modulation）工作方式，简称Chirp方式；n以及混合方式，即在以上三种基本扩频方式中的两种或多种组合起来，以及混合方式，即在以上三种基本扩频方式中的两种或多种组合起来，便构成了一些混合扩频方式，如便构成了一些混合扩频方式，如FH/DS，DS/TH，F

22、H/TH等。直接序列等。直接序列扩频和跳频扩频是使用最广的两种方式，例如扩频和跳频扩频是使用最广的两种方式，例如IEEE 802.15.4定义的物理定义的物理层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，层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。下面主要介绍这两种扩频方式。直接序列扩频电路实现结构图直接序列扩频电路实现结构图 n直接序列扩频（直接序列扩频（DSSS），通常是直接用具有高码率的扩频码序列在发端），通常是直接用具有高码率的扩频码序列在发端与调制信号相乘（频域上的卷积）实现信号的频谱扩展。而在收端，用与调制信号相乘（频域

23、上的卷积）实现信号的频谱扩展。而在收端，用相同的扩频码序列去进行相关处理解扩，把展宽的扩频信号还原成原始相同的扩频码序列去进行相关处理解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。在图中示出了的信息。在图中示出了BPSK直扩系统的框图。二进制数据流的经过相位直扩系统的框图。二进制数据流的经过相位调制后与伪随机序列相乘，信号带宽由原来的信号带宽扩展为（扩频码调制后与伪随机序列相乘，信号带宽由原来的信号带宽扩展为（扩频码带宽）。扩频信号通过信道时将引入噪声，在接收端将与本地扩频码相带宽）。扩频信号通过信道时将引入噪声，在接收端将与本地扩频码相乘进行解扩，从而提取出与本地扩频码相关的窄带信息，由于噪声及干

24、乘进行解扩，从而提取出与本地扩频码相关的窄带信息，由于噪声及干扰仍为宽带信号，所以经过带通滤波器后大部分噪声、干扰将被滤掉，扰仍为宽带信号，所以经过带通滤波器后大部分噪声、干扰将被滤掉，得到信噪比很好的期望信号。得到信噪比很好的期望信号。跳频扩频方式跳频扩频方式 n跳频扩频方式是使伪随机序列控制被数据调制的载波中心跳频扩频方式是使伪随机序列控制被数据调制的载波中心频率在一组频率中随机地跳动。根据跳频速率的快慢，可频率在一组频率中随机地跳动。根据跳频速率的快慢，可把跳频系统分为快跳频和慢跳频。根据相位关系又把跳频把跳频系统分为快跳频和慢跳频。根据相位关系又把跳频分为相干跳频系统。分为相干跳频系统

25、。 跳频扩频通信电路结构图跳频扩频通信电路结构图 （a）FH发射原理图（b）FH接收机原理图2.3 物理层的设计n物理层涉及传输介质、通信频率、调制方式以及发射天线等，本节重点物理层涉及传输介质、通信频率、调制方式以及发射天线等，本节重点介绍传感网物理层设计需要考虑的功耗和成本的相关问题。介绍传感网物理层设计需要考虑的功耗和成本的相关问题。n无线传感网物理层的发展与当前的设计工艺水平紧密相连，随着最近几无线传感网物理层的发展与当前的设计工艺水平紧密相连，随着最近几年射频年射频CMOS工艺的发展，使得无线传感网物理层的成本和功耗显著下工艺的发展，使得无线传感网物理层的成本和功耗显著下降，表降，表

26、2-3给出了当前主要无线感网节点物理层的主要性能参数。给出了当前主要无线感网节点物理层的主要性能参数。表表2-3 目前主要无线传感网节点物理层参数目前主要无线传感网节点物理层参数节点名称节点名称uAMPsuAMPs-I-IWeCWeC Mote/MedusaMote/Medusa/MK-/MK-2/iBadge/2/iBadge/Mica Mica note/EyEsnote/EyEsMica2/GAINSMica2/GAINSMicaz/TmotMicaz/Tmote e/GAINZ/GAINZ射频前端芯片射频前端芯片LMAX3162TR1000CC1000CC2420调制方式调制方式GFS

27、KASK/OOKFSKO-QPSK(DS)工作频率工作频率/Hz/Hz2.4G916.5M300M1000M2.4G工作电压工作电压/V/V3.05532.13.61.83.6发射模式消耗电流发射模式消耗电流/mA/mA501216.5（在868MHz，0dBm）17.4（0dBm）接收模式消耗电流接收模式消耗电流/mA/mA273.8（115.2kb/s）1.8（2.4kb/s）9.6（868MHz）19.7传输速率传输速率/ /（b/sb/s）1M30k/OOKASK 115.2k最高可达76.8k250k发射功率发射功率/dBm/dBm-7.50-2010-250接收机灵敏度接收机灵敏度

28、/dBm/dBm-93-97（115.2kb/s）-110（2.4kBaud）-94（250kBaud）2.3.1 物理层帧结构物理层帧结构4字节1字节1字节可变长度前导码帧头帧长度（7bit）保留位PSDU同步头帧的长度，最大为128字节PHY负荷如表2-4所示为无线传感网节点普遍使用的一种物理层帧结构。出于目前还没有形成标准的物理层结构，所以在实际设计时都是在该物理层的帧结构的基础上进行改进的。物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取4，用于收发器进行码片或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为1个字节，表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头。帧长度字段通常由一个字节的

29、低7位表示，其值就是后续的物理层PHY负载的长度，因此它的后续PHY负载的长度不会超过127个字节。物理帧PHY的负载长度可变，被称为物理服务数据单元(PHY service Data unit，PSDU)，它携带PHY数据包的数据，PSDU域就是物理层的载荷。2.3.2 物理层设计要素物理层设计要素n无线通信技术为无线传感网节点间的信息传输和交互提供无线通信技术为无线传感网节点间的信息传输和交互提供了技术基础，是无线传感网中重要的基础技术之一。受到了技术基础，是无线传感网中重要的基础技术之一。受到传感器节点四大受限条件的影响，物理层设计主要集中在传感器节点四大受限条件的影响，物理层设计主要集

30、中在无线通信模块与功耗方面。无线通信模块与功耗方面。1.物理层设计需求物理层设计需求n（1）由于无线传感网一般运行在免许可低功耗频段，其发射功率受到法规的严格限制，通）由于无线传感网一般运行在免许可低功耗频段，其发射功率受到法规的严格限制，通常需要保持较小的发射。常需要保持较小的发射。例如，780MHz频点的最大发射功率为10dBm。同时许多应用都将大量的无线传感器节点布设于地表或低空物体上，传感器节点的天线距地面非常近，由此形成地表传输，降低了其通信性能。因而，无线传感器节点的通信能力相对较低。n（2）低成本需要无线通信模块能够适应低准确度的晶振，因而如何克服较大的载波频偏和）低成本需要无线

31、通信模块能够适应低准确度的晶振，因而如何克服较大的载波频偏和采样频偏，始终是无线传感网通信系统设计中难以解决的问题。采样频偏，始终是无线传感网通信系统设计中难以解决的问题。n（3）无线传感网的许多应用场景中，网络的拓扑结构变化频繁，会更多地应用到多播和广）无线传感网的许多应用场景中，网络的拓扑结构变化频繁，会更多地应用到多播和广播通信，无线通信技术必须能够与上层的协议栈进行配合工作，以降低信息传输的功耗。播通信，无线通信技术必须能够与上层的协议栈进行配合工作，以降低信息传输的功耗。n（4）典型意义上的底层无线传感网采取自组织网络，在网络中不存在主干设施，因而无法）典型意义上的底层无线传感网采取

32、自组织网络，在网络中不存在主干设施，因而无法严格区分上、下行通信链路，无法将主要的负荷转移到基站端进行处理。且每个节点都存在严格区分上、下行通信链路，无法将主要的负荷转移到基站端进行处理。且每个节点都存在着能量、计算能力和存储容量的限制。着能量、计算能力和存储容量的限制。n（5）基于低成本、低功耗、小体积等几个方面的考虑，网络中的无线传输模块设计上不能）基于低成本、低功耗、小体积等几个方面的考虑，网络中的无线传输模块设计上不能够过于复杂。因此在无线通信技术选择上，信息传输特性和实现的复杂度是两个需要着重考够过于复杂。因此在无线通信技术选择上，信息传输特性和实现的复杂度是两个需要着重考虑的因素，

33、信息传输的可靠性、传输距离、传输速率与实现的复杂度之间可以进行折中处理。虑的因素，信息传输的可靠性、传输距离、传输速率与实现的复杂度之间可以进行折中处理。n（6）免许可频段频带范围受限，存在多种不同无线通信标准之间的无线电干扰问题，无线）免许可频段频带范围受限，存在多种不同无线通信标准之间的无线电干扰问题，无线传感网应重点解决其网络的共存性问题。传感网应重点解决其网络的共存性问题。2.物理层设计面临的挑战物理层设计面临的挑战n（1）成本）成本q低成本是无线传感器节点的基本要求。只有低成本，才能将节点大量地布置到目标区域内，表现出无线传感网的各种优点。物理层的设计直接影响到整个网络的硬件成本。节

34、点最大限度的集成化设计，减少分离元件是降低成本的主要手段。天线和电源的集成化设计目的仍是非常有挑战性的研究工作。不过随着CMOS工艺技术的发展。数字单元基本已完全由CMOS工艺实现，并且体积也越来越小。但是模拟部分尤其射频单元的集成化设计仍需占用很大的芯片面积，所以尽量靠近天线的数字化射频收发机研究是降低通信前端电路成本的主要途径。q另外，由于无线传感网大规模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则要求非常高，般低于5p/m(pages per minite)，所以晶体振荡器是物理层设计中必须考虑的一个部件。尽管随着MEMS技术的发展，MEMS谐振器已经取得很大的进展，但是

35、仍然无法满足当前额定稳定度的要求。晶体振荡器仍是影响当前物理层成本的一个重要因素。n（2）功耗）功耗q低功耗是无线传感网物理层设计的另一重要指标。要使得无线传感器节点寿命达27年（电池供电），这就要求节点的平均能耗在几个uW，虽然可以采用周期休眠的工作机制来降低平均功耗，但当前商业化通信芯片功耗仍在几十mW，这对于能源受限的无线传感器节点来说仍是难以接受的。由于当前射频前端辐射出去的能量远远小于收发机电路自身的能量消耗，所以如何有效地降低收发机电路自身的功耗是当前无线传感网物理层设计需要解决的主要问题之一。q物理层调制解调方式的选择直接影响了收发机的结构，也就决定了通信前端电路的固定功耗。超宽

36、带（UWB）技术是一种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合短距离通信的无线传感网使用。但是UWB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，所以需要MAC层更好地协作。q目前，无线传感网物理层协议的研究还处于初级阶段，在硬件和软件方面都还需要做进一步的研究。首先，无线传感网节点在体积、成本和功耗上与其广泛应用的标准还存在一定的差距，缺乏小型化、低成本、低功耗的片上系统（system on chip，SOC）实现；其次，无线传感网物理层迫切需要符合其特点和要求的简单的协议、算法设计，特别是调制机制。已经有学者提出了一种协同发射的虚拟MIMO调制方式，这种方式

37、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，不过随着MIMO技术的发展，尤其空时编码技术的发展，这种调制技术将会发挥其巨大的应用潜力。2.4 典型的物理层通信技术n本节介绍无线传感网使用的典型物理层通信技术，包括近本节介绍无线传感网使用的典型物理层通信技术，包括近距离无线通信技术的距离无线通信技术的ZigBee技术、红外通信技术，蓝牙技术、红外通信技术，蓝牙技术、技术、WI-Fi、UWB通信技术，以及广域通信的通信技术，以及广域通信的GPRS和和EDGE、WiMax、3G与与LTE（4G）通信技术。）通信技术。n2.4.1 近距离无线通信技术近距离无线通信

38、技术n2.4.2 广域网无线通信技术广域网无线通信技术2.4.1 近距离无线通信技术近距离无线通信技术n近距离通信技术主要有：近距离通信技术主要有：qZigBee技术，q红外通信技术q蓝牙技术qWi-FiqUWB通信技术。1. ZigBeenZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数

39、据和低反应时间数据传输的应用。时间数据传输的应用。nZigBee协议是由协议是由ZigBee联盟制定，该联盟成立于联盟制定，该联盟成立于2001年年8月。月。2002年下半年，英国年下半年，英国Invensys公司、日本公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司共同宣布加入三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司共同宣布加入ZigBee联盟，研发名为联盟，研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该技术发展过程中的里程碑。的下一代无线通信标准，这一事件成为该技术发展过程中的里程碑。ZigBee联盟的目的是为了联盟的目的是为了在全球统一标准上实

40、现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制产品进行合作，并于在全球统一标准上实现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制产品进行合作，并于2004年年12月发布了第一个月发布了第一个ZigBee正式标准。正式标准。nZigBee标准以标准以IEEE802.15.4标准定义的物理层及标准定义的物理层及MAC层为基础，并对其进行了扩展，对网络层协议和层为基础，并对其进行了扩展，对网络层协议和API进行了标准化，定义了一个灵活、安全的网络层，支持多种拓扑结构，在动态的射频环境中提供高可进行了标准化，定义了一个灵活、安全的网络层，支持多种拓扑结构，在动态的射频环境中提供高可靠性的无线传

41、输。靠性的无线传输。nZigBee的通信速率要求低于蓝牙，由电他供电设备提供无线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的通信速率要求低于蓝牙，由电他供电设备提供无线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的情况下能正常工作几个月甚至几年。的情况下能正常工作几个月甚至几年。nZigBee支持支持mesh型网络拓扑结构。网络规模可以比蓝牙设备大得多，一个网络可支持型网络拓扑结构。网络规模可以比蓝牙设备大得多，一个网络可支持65000个节点，在个节点，在整个网络范围内，每一个整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信。网络数传模块之间可以相互通信。nZigBee无线设备工作在免许可

42、频段的无线设备工作在免许可频段的2.4GHz频段和频段和868/915MHz频段，传输距离为频段，传输距离为1075m，具体数值，具体数值取决于射频环境以及特定应用条件下的传输功耗。取决于射频环境以及特定应用条件下的传输功耗。nZigBee物理层规范均基于直接序列扩频技术，对于不同频段的物理层，其码片的调制方式各不相同。物理层规范均基于直接序列扩频技术，对于不同频段的物理层，其码片的调制方式各不相同。ZigBee的通信速率在的通信速率在2.4GHz时为时为250kbps，在，在915MHz时为时为40kbps，在，在868MH2时为时为20kbps。2 红外通信技术红外通信技术n红外通信技术是

43、一种无线通信方式，可以进行无线数据的传输。红外线通信技术适用于低成红外通信技术是一种无线通信方式，可以进行无线数据的传输。红外线通信技术适用于低成本、跨平台、点对点高速数据连接，尤其是嵌入式系统。红外通信技术主要应用于设备互连，本、跨平台、点对点高速数据连接，尤其是嵌入式系统。红外通信技术主要应用于设备互连，还可作为信息网关。设备互连后可完成不同设备内文件与信息的交换。信息网关负责连接信还可作为信息网关。设备互连后可完成不同设备内文件与信息的交换。信息网关负责连接信息终端和互联网。红外通信技术已被全球范围内的众多软息终端和互联网。红外通信技术已被全球范围内的众多软/硬件厂商所支持和采用，目前主

44、硬件厂商所支持和采用，目前主流的软件和硬件平台均提供对它的支持，红外通信技术已被广泛应用在移动计算设备和移动流的软件和硬件平台均提供对它的支持，红外通信技术已被广泛应用在移动计算设备和移动通信设备中。通信设备中。n红外线传输是一种点对点的无线传输方式，近距离传输，且需要对准方向，红外传输中间不红外线传输是一种点对点的无线传输方式，近距离传输，且需要对准方向，红外传输中间不能有障碍物，几乎无法控制信息传输的进度。能有障碍物，几乎无法控制信息传输的进度。n红外传输有一套标准红外传输有一套标准IrDA，IrDA收收/发组件已经是标准化产品。初始的发组件已经是标准化产品。初始的IrDA1.0标准制定了

45、一标准制定了一个串行半双工的同步系统，传输速率为个串行半双工的同步系统，传输速率为2400115200b/s，传输半径为，传输半径为1m，传输角度为，传输角度为150300。后来。后来IrDA扩展了其物理层规格，使数据传输率提升到扩展了其物理层规格，使数据传输率提升到4Mb/s。PXA27x就使用这就使用这各扩展了的物理层规格。各扩展了的物理层规格。IrPHY定义了定义了4Mbps以下速率的半双工连接标准。在以下速率的半双工连接标准。在IrDA物理层中，物理层中，将数据通信按发送速率分为将数据通信按发送速率分为SIR、MIR和和FIR三类。串行红外（三类。串行红外（SIR）的速率覆盖了）的速率

46、覆盖了RS-232端端口通常支持的速率（口通常支持的速率（9600b/s1152b/s）。）。MIR可支持可支持0.576Mb/s和和1.152Mb/s的速率；高的速率；高速红外（速红外（FIR）通常用于）通常用于4Mbps的速率，有时也用于高于的速率，有时也用于高于SIR的所有速率。的所有速率。4Mb/s连接使用连接使用4PPM编码，编码，1.152Mb/s连接使用归零连接使用归零OOK编码，编码脉冲的占空比为编码，编码脉冲的占空比为0.25。115.2kb/s及以及以下速率的连接使用占空比为下速率的连接使用占空比为0.1875的归零的归零OOK编码。编码。3. 蓝牙蓝牙n蓝牙（蓝牙（Blu

47、etooth）是一种支持设备短距离通信（一般）是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。加迅速高效，为无线通信拓宽道路。n蓝牙

48、采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，即在该装置周围组成一个蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，即在该装置周围组成一个“微网微网”，网内任何蓝牙收发器都可与该装置互通信号。蓝牙工作在全球通用的，网内任何蓝牙收发器都可与该装置互通信号。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。其基带协议是电路交。采用时分双工传输方案实现全双工传输。其基带协议是电路交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用

49、一个时隙，使用扩频技术也可扩展换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用一个时隙，使用扩频技术也可扩展到到5个时隙。同时，蓝牙技术支持个时隙。同时，蓝牙技术支持1个异步数据通道或个异步数据通道或3个并发的同步话音通道，或个并发的同步话音通道，或1个同时传送异步数据和个同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持同步话音的通道。每一个话音通道支持64kb/s的同步话音；异步通道支持最大速率为的同步话音；异步通道支持最大速率为721kb/s，反向应答，反向应答速率为速率为57.6kb/s的非对称连接，或者是的非对称连接，或者是432.6kb/s的对称连接。依据发射输出电

50、平功率不同，蓝牙传输有的对称连接。依据发射输出电平功率不同，蓝牙传输有3种距离等级：种距离等级：Class1为为100m左右；左右；Class2约为约为10m；Class3约为约为2-3m。一般情况下，其正常的工作范。一般情况下，其正常的工作范围是围是10m半径之内。在此范围内，可进行多台设备间的互联。半径之内。在此范围内，可进行多台设备间的互联。n蓝牙技术的特点包括：蓝牙技术的特点包括：采用跳频技术，数据包短，抗信号衰减能力强；采用跳频技术，数据包短，抗信号衰减能力强；采用快速跳频和前向纠错方案采用快速跳频和前向纠错方案以保证链路稳定，减少同频干扰和远距离传输时的随机噪声影响；以保证链路稳定

51、，减少同频干扰和远距离传输时的随机噪声影响；使用使用2.4GHzISM频段，无须申请许可频段，无须申请许可证；证；可同时支持数据、音频、视频信号；可同时支持数据、音频、视频信号；采用采用FM调制方式，降低设备的复杂性。调制方式，降低设备的复杂性。4. Wi-FinWi-Fi是无线保真（是无线保真（wireless fidelity）联盟的缩写。）联盟的缩写。Wi-Fi联盟是一个非营利的国际贸易组联盟是一个非营利的国际贸易组织，主要工作就是测试那些基于织，主要工作就是测试那些基于802.11(包括包括11a、11b、11g)等标准的无线设备，等标准的无线设备，Wi-Fi认证认证无线互联保证。无线

52、互联保证。nWi-Fi是是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准定义的一个无线网络通信的工业标准(IEEE802.11)。Wi-Fi的最初版本颁布于的最初版本颁布于1997年，其中定义了介质访问接人控制层年，其中定义了介质访问接人控制层(MAC层层)和物理层。物理层定义了工作在和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，数据传输速率设计为频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以自由直接两个设备之间的通信可以自由直接(Ad Hoc)的方式进行，也可以在基站或者访问点的方式进行，也可

53、以在基站或者访问点(AP，Access Point)的协调下进行。的协调下进行。nWi-Fi的主要特点是传输速率高、可靠性高、建网快速便捷、可移动性好、网络结构弹性化、的主要特点是传输速率高、可靠性高、建网快速便捷、可移动性好、网络结构弹性化、组网灵活、组网价格较低廉。组网灵活、组网价格较低廉。nWi-Fi是当今使用最广的一种无线网络传输技术，工作在是当今使用最广的一种无线网络传输技术，工作在2.4GHz的的ISM频段，一般频段，一般Wi-Fi信号信号接收半径约接收半径约95米，但会受墙壁等影响，实际距离会小一些。虽然由米，但会受墙壁等影响，实际距离会小一些。虽然由Wi-Fi技术传输的无线通技

54、术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到可以达到54Mbps，符合个人和社会信息化的需求。，符合个人和社会信息化的需求。Wi-Fi最主要的优势在于不需要布线，可最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，并且由于发射信号功率低于以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，并且由于发射信号功率低于100mW，低于手机发射功率，所以，低于手机发射功率，所以Wi-Fi上网相对也是最安全健康的。上网相对也是最安全

55、健康的。5. UWB Ultra Widebandn超宽带超宽带(UWB)技术的发展模式类似技术的发展模式类似Wi-Fi，有很长一段时间被归类为军事技术，超宽带技术最初主要应用，有很长一段时间被归类为军事技术，超宽带技术最初主要应用于高精度雷达和隐秘通信领域。于高精度雷达和隐秘通信领域。n商用化商用化UWB是一种短距离、高传输速率与低发射功率的无线通信技术，目标领域为无线个人网路是一种短距离、高传输速率与低发射功率的无线通信技术，目标领域为无线个人网路(WPAN)，潜在应用为取代个人网路潜在应用为取代个人网路(PAN)之有线网路，以无线高速方式传输资料。之有线网路，以无线高速方式传输资料。nU

56、WB技术适用于近距离无线个域网应用，大体上可分为高速和中低速两类应用领域。高速技术适用于近距离无线个域网应用，大体上可分为高速和中低速两类应用领域。高速UWB的传输速的传输速率目前可达率目前可达100Mbps1Gbps，传输距离可达，传输距离可达10-30m，属于高速短距离传输；中低速，属于高速短距离传输；中低速UWB传输速率一般传输速率一般在在2Mbit/s以下，最高不超过以下，最高不超过30Mbit/s，传输距离可达，传输距离可达100m以上，甚至几公里，属于中低速中短距离传输。以上，甚至几公里，属于中低速中短距离传输。nUWB技术还是第四代移动通信技术技术还是第四代移动通信技术(4G)的

57、关键技术；的关键技术；UWB技术源于在军事、国防中的应用，所以在该领技术源于在军事、国防中的应用，所以在该领域内的应用一直处于极为活跃的状态。域内的应用一直处于极为活跃的状态。UWB技术在消防、安全防范系统的通信中，在雷达技术、定位技技术在消防、安全防范系统的通信中，在雷达技术、定位技术、成像技术、跟踪、智能交道系统中都有越来越深入的应用。在短距离雷达术、成像技术、跟踪、智能交道系统中都有越来越深入的应用。在短距离雷达(如汽车传感器、防撞系统、如汽车传感器、防撞系统、智能型高速公路感侧系统、液态物体水位侦测系统智能型高速公路感侧系统、液态物体水位侦测系统)、穿地雷达技术中的应用也较为深入。、穿

58、地雷达技术中的应用也较为深入。nUWB技术应用主要分成影像系统、通信量测系统与车用雷达系统共三大应用领域。在通信量测系统中，技术应用主要分成影像系统、通信量测系统与车用雷达系统共三大应用领域。在通信量测系统中，工作频带为工作频带为3.1-10.6GHz，发射功率上限为，发射功率上限为-41dBm/MHz，传输距离约为，传输距离约为10m。n在此规范下，在此规范下，Motolola、Intel与与TI等各家厂商推出了等各家厂商推出了UWB芯片样品，传输速度最高可达芯片样品，传输速度最高可达480Mbit/s。NEC、Samsung则在其则在其HDTV系统产品整合系统产品整合UWB传输界面，提供无

59、线视信传输功能。传输界面，提供无线视信传输功能。UWB作为一种短距高速与作为一种短距高速与低发射功率的无线通信技术，目标领域为无线个人网络低发射功率的无线通信技术，目标领域为无线个人网络(WPAN)，潜在应用为取代有线个人网络，潜在应用为取代有线个人网络(FAN)，以，以无线高速方式传输数据。无线高速方式传输数据。nUWB具备高传输速率与低发射功率特性，适合作为短距高速数据传输，是未来多媒体无线传感网首选的具备高传输速率与低发射功率特性，适合作为短距高速数据传输，是未来多媒体无线传感网首选的通信技术。通信技术。2.4.2 广域网无线通信技术广域网无线通信技术1. GPRS和和EDGEn除典型的

60、短距无线通信手段外，常见的移动通信也可以应用于无线传感网中，特别是其中的数据传输功能，除典型的短距无线通信手段外，常见的移动通信也可以应用于无线传感网中，特别是其中的数据传输功能，实现传感数据的广域网互联。实现传感数据的广域网互联。nGPRS的全称是的全称是General Packet Radio Service，即通用分组无线业务，是，即通用分组无线业务，是GSM移动通信基础上的一种移移动通信基础上的一种移动数据业务。动数据业务。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，它以分组（和以往连续在频道传输的方式不同，它以分组（Packet）方式来传输信号，因此使用）方式来传输信号，因此使用者所负担