第2章-无线传感器网络物理层设计

其次章无线传感器网络物理层设计无线传感器网络物理层概述无线传感器网络物理层调制解调技术无线传感器网络物理层信道特性无线传感器网络物理层设计要点其次章无线传感器网络物理层设计物理层：位于最低层，向下干脆与物理传输介质相连接，主要负责数据的调制、发送与接收，是确定WSN的节点体积、成本以及能耗的关键环节。主要功能：为数据终端设备供应传送数据的通路；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无线传感器网络物理层概述其次章无线传感器网络物理层设计物理层的传输介质主要包括无线电波、红外线和光波等。目前WSN的主流传输方式是无线电波。易于产生，传播距离远，且简洁穿透建筑物，在通信方面没有特殊的限制。例如红外线。红外线：不受无线电波干扰，且红外线的运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亮物体的透过性极差，只能在一些特殊的WSN应用中运用。光波传输：不须要困难的调制/解调机制，接收器的电路简洁，单位数据传输功耗较小。光波与红外线相像，通信双方可能被非透亮物体阻挡，因此只能在一些特殊的WSN应用中运用。无线传感器网络物理层概述——传输介质其次章无线传感器网络物理层设计其次章无线传感器网络物理层设计无线传感器网络物理层概述——频谱安排在频率选择方面，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，可以敏捷运用。面对传感器节点小型化、低成本、低功耗的特点，在欧洲运用433MHz的ISM频段，在美国运用915MHz的ISM频段。无线传感器网络物理层概述——频率选择其次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：节能和成本。常用调制方式：模拟调制数字调制扩频通信UWB通信技术无线传感器网络物理层调制解调技术其次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φ(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实力及敏捷性差，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。无线传感器网络物理层调制解调技术其次章无线传感器网络物理层设计模拟调制（a）AM调制波形图（双边带）(b)上为调频信号，下为调信任号无线传感器网络物理层调制解调技术其次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确定方式调制到载波上进行传输。从对载波参数的变更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率键控技术。无线传感器网络物理层调制解调技术其次章无线传感器网络物理层设计B-ary数字调制ASK（AmplitudeShiftKeying），结构简洁易于实现，对带宽的要求小，缺点是抗干扰实力差FSK（FrequencyShiftKeying)相比于ASK须要更大的带宽PSK(PhaseShiftKeying)更困难，但是具有较好的抗干扰实力无线传感器网络物理层调制解调技术其次章无线传感器网络物理层设计M-ary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：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。可以分成确定移相和相对（差分）移相两种方式。无线传感器网络物理层调制解调技术其次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削减放射时间。（2）M-ary调制须要在输入端增加2-M转换器，相应地，在接收端须要增加M-2转换器，因此与二进制调制相比，M-ary调制的电路更为困难。（3）M-ary调制须要更高的放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其次章无线传感器网络物理层设计M-ary调制机制：满足WSN最小化符号率和最大化数据传输率的指标，但简洁的多相位M-ary信号将降低检测的敏感度，须要增加放射功率，导致能量奢侈。偏移四相移键控（O-QPSK）：接受四位二进制符号，有效解决上述问题，并且仿真试验表明该方案的节能性比较好。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其次章无线传感器网络物理层设计扩频通信（SpreadSpectrumCommunication，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：SpreadSequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则接受相同的编码进行解调及相关处理，复原原始信息数据。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：抗干扰抗噪音抗多径衰落具有保密性功率谱密度低，具有隐藏性和低的截获概率可多址复用和随意选址高精度测量无线传感器网络物理层调制解调技术其次章无线传感器网络物理层设计依据扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：干脆序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum：DSSS)工作方式，简称直扩(DS)方式；跳变频率(FrequencyHopping)工作方式，简称跳频(FH)方式；跳变时间(TimeHopping)工作方式，简称跳时(TH)方式；宽带线性调频(ChirpModulation)工作方式，简称Chirp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DS／FH、DS／TH、DS／FH／TH等等。干脆序列扩频和跳频扩频是当前运用最广的两种方式，例如IEEE802.15.4定义的物理层中接受的就是干脆序列扩频，蓝牙物理层协议中运用的则是跳频扩频，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其次章无线传感器网络物理层设计干脆序列扩频DSSS如图所示为PSK干脆序列扩频器的结构。无线传感器网络物理层调制解调技术其次章无线传感器网络物理层设计FHSS

如图所示为跳频扩频及解扩电路结构图。频率合成器伪随机码产生(a)FH发送原理框图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其次章无线传感器网络物理层设计EdgarH.Callaway提出了一种差分脉冲位置调制机制，它接受两个32-chipPN码，I、Q通道各一个，并接受OQPSK调制，每个32-chip接受半正弦脉冲波形。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码运用最大长度序列（m-序列），I通道接受的PN码的特征多项式为45（八进制），Q通道接受的PN码的特征多项式为75（八进制），符号速率为31.25kSymbols/s。如图2.2所示

，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1B。因为PN码接受的是32-chip，理论上可以设置M=32，每个符号发送5位，但是实现较为困难。更为简洁的做法是，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100B），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其次章无线传感器网络物理层设计每个节点访问两个信道，一个传输数据，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，数据按相反的依次处理。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，并依据BER估计噪声功率密度以及调整放射功率。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其次章无线传感器网络物理层设计UWB通信技术（UltraWideBand：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、特别高的时间和空间辨别率、低功耗、保密性好、低成本及易于集成等特点，被认为是将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。无线传感器网络物理层调制解调技术其次章无线传感器网络物理层设计

UWB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洁。UWB系统干脆通过脉冲调制发送信号而无传统的中频处理单元，可接受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其次章无线传感器网络物理层设计窄带调制技术、扩频调制技术和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其次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自由空间信道多径信道加性噪声信道其次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。放射机与接收机之间的无线传播路径特别困难，从简洁的视距传播，到遭遇各种困难的物体（如建筑物、山脉和树叶等）所引起的反射、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，无线台相对于放射台无线的方向和速度，甚至收发双方旁边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更的传播环境。无线传感器网络物理层信道特性——传播其次章无线传感器网络物理层设计依据弗利斯（Friis）传输公式，它表明白接收天线的接收功率和放射天线的放射功率之间的关系。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，空间并不是志向的（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：接收天线接收功率：损耗：无线传感器网络物理层信道特性——自由空间其次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——多径传输其次章无线传感器网络物理层设计对于噪声通信信道，最简洁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，无线传输主要接受这种模型。无线传感器网络物理层信道特性——噪声其次章无线传感器网络物理层设计假如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（AdditiveWhiteGaussianNoiseChannel，AWGN）模型。由于该模型可以广泛地应用于很多通信信道，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。信道衰减很简洁结合进这个模型，当信号遇到衰减吋，则接收到的信号为无线传感器网络物理层信道特性——噪声其次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限制（MAC）子层进行亲密地交互。物理层设计所须要考虑的要点有：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

其次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，削减分立元件是降低成本的主要手段。由于无线传感器网络中大规模的节点布置以刚好间同步的要求，使得整个网络对物理层频率稳定度的要求特别高，所以晶体振荡器是物理层设计中必需考虑的一个部件。其次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须要几个月的运用寿命，在有的应用中寿命须要达到2～7年，这就要求节点的平均功耗在几个μW。降低收发机电路自身的功耗。物理层调制解调方式的选择。其次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确定的，但是对于无线传感器网络来说，则必需依据实际的应用场合来选择。频率的选择干脆确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2.4-2.5GHzISM波段。其次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：相同的码元速率的状况下，M-ary调制方式传输的信息量是二进制调制方式的log2M倍，因此更节约了传输时间，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困难而且抗干扰实力较差，尤其对于功率受限的无线传感器网络节点，M越大误码性能就会越严峻。扩频通信调制方式：可以供应较高的速率，提高信道容量，但是每个节点须要存储通信的PN码，会对有限的存储资源带来确定压力。超宽带（UWB）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特别适于WSN短距离通信。但是UWB信号接收须要较长的捕获时间，即须要较长的前导码，这将降低信号的隐藏性，须要MAC层更好的协作。协同放射的虚拟MIMO调制方式：节点之间可以协同传输以达到远距离基站，可以削减或避开多跳损耗，但是这种方式须要精确的同步。其次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（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依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牢靠性越好，但须要更多的能量消耗。接下来的是帧头（start-of-framedelimiter,SFD字段，标示一个物理帧的起先。帧长度（framelength）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（PHYservicedataunite,PSDU），一般承载MAC帧。4字节1字节1字节可变长度前导码SFD帧长度（7位）保留位PSDU同步头帧的长度，最大为128字节PHY负载其次章无线传感器网