無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)講義講義第四章、物理層2007年8月20日內(nèi)容提要1.概述 2.頻段分配3.通信信道 4.調(diào)制與解調(diào) 5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)6.物理層非理想特性研究7.射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮內(nèi)容提要1.概述 2.頻段分配3.通信信道 4.調(diào)制與解調(diào) 5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)6.物理層非理想特性研究7.射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮1 概述 Lan F. AkyildizD 提出了WSN協(xié)議棧的五層模型，分別對應(yīng)OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。 物理層物理層為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及互連設(shè)備，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠

2、的環(huán)境。物理層物理層的媒體包括平衡電纜、光纖、無線信道等。通信用的互連設(shè)備指DTE和DCE間的互連設(shè)備。DTE既數(shù)據(jù)終端設(shè)備，又稱物理設(shè)備，如計算機(jī)、終端等都包括在內(nèi)。而DCE則是是數(shù)據(jù)通信設(shè)備或電路連接設(shè)備，如調(diào)制解調(diào)器等。數(shù)據(jù)傳輸通常是是經(jīng)過DTEDCE，再經(jīng)過DCEDTE的路徑。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送與接收，是決定WSN的節(jié)點(diǎn)體積、成本以及能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是WSN的研究重點(diǎn)之一 。1 概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層對節(jié)點(diǎn)能耗的影響： Deborah Estrin 在Mobicom 2002 會議的特邀報告（Wireless Sensor Netwo

3、rks，Part IV：Sensor Networks Protocols ）中所述傳感器節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗的情況，從圖 可知，傳感器節(jié)點(diǎn)的大部分能量消耗在無線通信模塊 。通信單元在不同工作狀態(tài)下的功耗內(nèi)容提要1.概述 2.頻段分配3.通信信道 4.調(diào)制與解調(diào) 5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)6.物理層非理想特性研究7.物理層功耗分析與高效能設(shè)計研究2 頻段分配名稱甚低頻低頻中頻高頻甚高頻超高頻特高頻極高頻符號VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF頻率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超長波長

4、波中波短波米波分米波厘米波毫米波波長1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm傳播特性空間波為主地波為主地波與天波天波與地波空間波空間波空間波空間波主要用途海岸潛艇通信;遠(yuǎn)距離通信;超遠(yuǎn)距離導(dǎo)航越洋通信;中距離通信;地下巖層通信;遠(yuǎn)距離導(dǎo)航船用通信; 業(yè)余無線電通信;移動通信;中距離導(dǎo)航遠(yuǎn)距離短波通信;國際定點(diǎn)通信電離層散射(30-60MHz);流星余跡通信; 人造電離層通信(30-144MHz); 對空間飛行體通信; 移動通信小容量微波中繼通 信; (352-420MHz); 對流層散射通信(700-1000

5、0MHz);中容量微波通信(1700-2400MHz)大容量微波中繼通信(3600-4200MHz);大容量微波中繼通信(5850-8500MHz);數(shù)字通信; 衛(wèi)星通信;國際海事衛(wèi)星通信(1500-1600MHz)再入大氣層時的通信;波導(dǎo)通信2 頻段分頻 ISM波段ISM波段的特點(diǎn)是無須申請，利于降低成本。內(nèi)容提要1.概述 2.頻段分配3.通信信道 4.調(diào)制與解調(diào) 5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)6.物理層非理想特性研究7.射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮3 通信信道 3.1 自由空間信道 3.2 多徑信道 3.3 加性噪聲信道 3.4 實(shí)際物理信道 3 通信信道 3.1 自由空間信道Fri

6、is傳輸公式： 其中， 稱為自由空間傳播損耗（path loss），只與、d有關(guān)。 發(fā)射源接收機(jī)d)()()4(44212212221wLGGPwdGGPdGGPPfstttr圖 4-2 無線信道傳輸fsL3 通信信道 3.2 多徑信道 在超短波、微波波段，電波在傳播過程中還會遇到障礙物 ，例如樓房、高大建筑物或山丘等，對電波產(chǎn)生反射、折射或衍射等，如圖 4- 3。因此，到達(dá)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(yīng)包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象稱為多徑傳播?？梢杂脠D 4- 4來簡略表示這一現(xiàn)象。圖 4- 3 造成多徑傳播的原因 3 通信信道2212)2()4(4dhhGGdPP rtt

7、r地面反射路徑總距離r2視距r1hrht水平距離 d源節(jié)點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)圖 4- 3 two-ray modelrthhd 時3 通信信道 3.2 加性噪聲信道r(t) = s(t) + n(t)s(t)n(t) tn tstr )()( )( 3 通信信道 3.3 實(shí)際物理信道 實(shí)際環(huán)境中的無線信道往往比較復(fù)雜，除了自由空間損耗還伴有多徑、陰影以及多普勒頻移引起的衰落。p考慮到比自由空間下更強(qiáng)的衰落，采用改進(jìn)的Friss方程： n一般大于2. 衰落分貝表達(dá)式為：p考慮到障礙物的情況下： 在dB表達(dá)式中模型中加入一均值為0，方差為2的高斯隨機(jī)變量, 等價于與一對數(shù)正態(tài)分布相乘，故其對數(shù)正態(tài)衰落表達(dá)式為

8、：21020)()4(GGdddPPntrdB)(log10)dB()dB(0100XdddPLdPL內(nèi)容提要1.概述 2.頻段分配3.通信信道 4.調(diào)制與解調(diào) 5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)6.物理層非理想特性研究7.射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮4 調(diào)制與解調(diào) 4.1 模擬調(diào)制 4.2 數(shù)字調(diào)制 4.3 UWB通信技術(shù) 4.4 擴(kuò)頻通信4 調(diào)制與解調(diào) 4.1 模擬調(diào)制 基于正弦波的調(diào)制技術(shù)無外乎對其參數(shù)幅度A(t)、頻率f(t), 相位(t)的調(diào)整。分別對應(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)。 圖 4- 7給出了這幾種調(diào)制方式的一般波形圖。由于模擬調(diào)制自身

9、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(diào)制技術(shù)替代。但當(dāng)前，模擬調(diào)制技術(shù)仍在上（下）變頻處理中起著無可替代的作用。 )()(2sin()()(ttftAts4 調(diào)制與解調(diào)01002003004005006007008009001000-1.5-1-0.500.511.5（a）AM調(diào)制波形圖（雙邊帶）(b)上為調(diào)頻信號，下為調(diào)相信號4 調(diào)制與解調(diào)4.2 數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制技術(shù)是把基帶信號以一定方式調(diào)制到載波上進(jìn)行傳輸。從對載波參數(shù)的改變方式上可把調(diào)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(diào)制技術(shù)、單邊帶技術(shù)、殘留邊帶技術(shù)和部分響應(yīng)技術(shù)

10、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(diào)制，以及多相PSK調(diào)制等，或混合調(diào)制如M-QAM，在這些調(diào)制技術(shù)中常用的是多相相移鍵控技術(shù)、正交幅度鍵控技術(shù)和連續(xù)相位的頻率鍵控技術(shù)。 4 調(diào)制與解調(diào)ASK （Amplitude Shift Keying） 結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn) 對帶寬的要求小 缺點(diǎn)是抗干擾能力差 FSK （Frequency Shift Keying ): 相比于ASK需要更大的帶寬PSK (Phase Shift Keying): 更復(fù)雜，但是具有較好的抗干擾能力 4 調(diào)制與解調(diào)各種調(diào)制方式性能比較如表4-4所示4 調(diào)制與解調(diào)表 4- 5 不同調(diào)制方式的復(fù)

11、雜度相對復(fù)雜性簡單 - 復(fù)雜調(diào)制方式OOKFSKCP-FSKDPSKDQPSKBPSKQAMOK-QPSKMSKCP-FSKQPRM-aryPSKMQAM各種調(diào)制方式的復(fù)雜度比較如表4-5所示4 調(diào)制與解調(diào) 4.3 UWB通信技術(shù)通信技術(shù) 超寬帶（Ultra Wide Band：UWB）無線通信技術(shù)是近年來備受青睞的短距離無線通信技術(shù)之一，由于其具有高傳輸速率、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(diǎn)，被認(rèn)為是未來短距離高數(shù)據(jù)通信最具潛力的技術(shù)。依據(jù)FCC對UWB的定義，UWB信號帶寬應(yīng)大于500MHz或相對帶寬大于 0.2。相對帶寬定義為： 式中, fH和fL為系統(tǒng)

12、最高頻率和最低頻率。 LfHfLf-Hfcf 24 調(diào)制與解調(diào) 與傳統(tǒng)的無線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)相比，UWB 的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單。UWB 系統(tǒng)直接通過脈沖調(diào)制發(fā)送信號而無傳統(tǒng)的中頻處理單元，所以該系統(tǒng)可采用軟件無線電的全數(shù)字硬件接收結(jié)構(gòu)，如圖 4- 13 26 所示。圖 4- 13 UWB收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)圖4 調(diào)制與解調(diào)UWB兩個標(biāo)準(zhǔn)共存： 以摩托羅拉（以摩托羅拉（Motorola）為代表的）為代表的DS-CDMA 方案方案 DS-CDMA方案建議采用雙頻帶(3.1一 5.15GHz和5.825-13.6GHz )，即在每超過1 GHz的頻帶內(nèi)用極短的時間脈沖發(fā)送數(shù)據(jù)，其優(yōu)勢是硬件簡單，頻譜利用率高 德州儀

13、器（德州儀器（TI）與）與Intel支持的多頻帶支持的多頻帶OFDM 聯(lián)盟聯(lián)盟(MBOA)的的OFDM方案方案 多波段OFDM方案則需建立一個子信道化UWB系統(tǒng)，將分配的頻譜劃分成QPSK-OFDM調(diào)制子頻帶，每個子頻帶為528MHz，優(yōu)勢是抗符號間干擾(Inter-symbol Interference :ISI)能力強(qiáng)，但硬件相對復(fù)雜。 4 調(diào)制與解調(diào)4.4 擴(kuò)頻通信信源信源編碼信道編碼載波調(diào)制擴(kuò)頻調(diào)制信息輸 出信源譯碼信道譯碼符號解調(diào)解擴(kuò)頻信道4 調(diào)制與解調(diào) 按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為：直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spe

14、ctrum：DSSS)工作方式，簡稱直擴(kuò)(DS)方式；跳；跳變頻率變頻率(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(diào)頻寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式，簡稱Chirp方式；混合方式混合方式，即在幾種基本的擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上組合起來，構(gòu)成各種混合方式，如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。 直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻是當(dāng)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(kuò)頻，藍(lán)牙物理層協(xié)議中使用的則是跳頻擴(kuò)頻，下面主要介紹這兩種擴(kuò)頻方

15、式。4 調(diào)制與解調(diào) DSSS 如圖所示為如圖所示為PSK直接序列擴(kuò)頻器的結(jié)構(gòu)。直接序列擴(kuò)頻器的結(jié)構(gòu)。擴(kuò)頻技術(shù)是一種信息處理傳輸技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)是利用同域傳輸數(shù)據(jù)(信息)無關(guān)的碼對被傳輸信號擴(kuò)展頻譜，使之占有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過被傳送信息所必需的最小帶寬。 4 調(diào)制與解調(diào) FHSS 如圖所示為跳頻擴(kuò)頻及解擴(kuò)電路結(jié)構(gòu)圖。如圖所示為跳頻擴(kuò)頻及解擴(kuò)電路結(jié)構(gòu)圖。數(shù) 據(jù)調(diào) 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(jī)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(diào) 制) t (d頻 綜碼產(chǎn) 生碼 鐘) t (hR

16、) t ( r) t ( y寬帶窄帶頻 率 合 成器 偽隨機(jī)碼產(chǎn)生(b) FH接收機(jī)原理框圖數(shù)據(jù)解調(diào)跳頻是最常用的擴(kuò)頻方式之一，其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式，也就是說，通信中使用的載波頻率受偽隨機(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變。 4 調(diào)制與解調(diào)以上分別對窄帶調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)以及UWB技術(shù)進(jìn)行了分析，可以看出各種調(diào)制技術(shù)各有特點(diǎn)，如果將各自性能的優(yōu)劣等級劃分為5（最好）至1（最差）。則三種分類的調(diào)制解調(diào)方式性能比較結(jié)果如表4.5 37。分類窄帶UWB擴(kuò)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

17、利用率245多播能力134表 4- 6 調(diào)制性能比較內(nèi)容提要1.概述 2.頻段分配3.通信信道 4.調(diào)制與解調(diào) 5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)6.物理層非理想特性研究7.射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)物理層當(dāng)前節(jié)點(diǎn)物理層 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的發(fā)展是與當(dāng)前的設(shè)計工藝水平緊密相連的，隨著最近幾年射頻CMOS工藝的發(fā)展，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的成本和功耗能夠顯著地降下來， 表 4- 7給出了當(dāng)前主要無線感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理層的主要性能參數(shù)。節(jié)點(diǎn)名稱 AMPs -WeC Mote/ Medusa MK-2/ iBadge/ Mica Mote /EyEsMica

18、 2/GAINSMicaz/Tmote/GAINZ射頻前端芯片LMAX3162TR1000CC1000CC2420調(diào)制方式GFSKASK/OOKFSKO-QPSK(DS)工作頻率(Hz)2.4G 916.5M300 to 1000M2.4G工作電壓(V)3.0-5.532.1-3.61.8-3.6發(fā)射模式消耗電流50 mA12 mA16.5mA868MHz,0dBm17.4mA0dBm接收模式消耗電流27 mA3.8 mA115.2 kbps 1.8 mA 2.4kbps9.6 mA 868MHz19.7 mA傳輸速率(bps)1MOOK 30k / ASK 115.2k最高可達(dá)76.8k25

19、0K 發(fā)射功率-7.5 dBm0dBm-20 to 10dBm-25 to 0dBm接收機(jī)靈敏度-93 dBm-97dBm115.2 kbps-110 dBm2.4 kBaud-94 dBm250 kBaud表 4- 7 當(dāng)前主要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理層參數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)物理層幀結(jié)構(gòu)物理層幀結(jié)構(gòu) 表 4- 8描述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)普遍使用的一種物理層幀結(jié)構(gòu)（802.15.4定義的物理層幀結(jié)構(gòu)），由于還沒有標(biāo)準(zhǔn)化的物理層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，當(dāng)前設(shè)計基本都是以該物理層幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。如表中所述，物理幀的第一個字段是前導(dǎo)碼，其字節(jié)數(shù)一般取4，收發(fā)器在接收前導(dǎo)碼期間會根據(jù)前導(dǎo)碼序列的特征完成片同步

20、和符號同步，當(dāng)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(biāo)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(fù)載的長度，因此物理幀負(fù)載的長度不會超過127個字節(jié)。物理幀的負(fù)載長度可變，稱之為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PHY service data unite,PSDU），一般承載MAC幀。 4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)可變長度前導(dǎo)碼SFD幀長度（7位）保留位PSDU同步頭幀的長度，最大為128字節(jié)PHY負(fù)載表 4- 8 物理層幀結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn) 設(shè)計要點(diǎn)設(shè)計要點(diǎn)

21、 物理層的設(shè)計目標(biāo)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(luò)的平滑性能，該層一般需與介質(zhì)訪問控制（MAC）子層進(jìn)行密切地交互。物理層需要考慮編碼調(diào)制方式、通信速率和通信頻段等問題 。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)編碼調(diào)制方式的選擇 E.Shih等人對二進(jìn)制和M-ary調(diào)制方式進(jìn)行了研究比較，其分析指出，在相同的碼元速率的情況下，M-ary調(diào)制方式傳輸?shù)男畔⒘渴嵌M(jìn)制調(diào)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(diào)制相對于二進(jìn)制調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)上更復(fù)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(luò)節(jié)點(diǎn)，M越大誤碼性能就會越嚴(yán)重。CDMA調(diào)制方式雖然可以提高系統(tǒng)

22、容量，但是每個節(jié)點(diǎn)要存儲所有通信節(jié)點(diǎn)的PN碼顯然是不現(xiàn)實(shí)的。 頻率的選擇 頻率的選擇是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能、體積、成本的一個重要參數(shù)。 （1） 從節(jié)點(diǎn)的功耗的角度 節(jié)點(diǎn)自身能耗與傳播損耗與工作頻率的關(guān)系。 （2）從節(jié)點(diǎn)物理層集成化 程度、成本的角度 天線的大小要求以及電感的集成化水平與頻率的關(guān)系。 當(dāng)前頻段的選擇大都集中在433-464MHz 、902-928MHz以及2.4-2.5GHz ISM波段。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn) 當(dāng)前的主要技術(shù)難點(diǎn)當(dāng)前的主要技術(shù)難點(diǎn) (1)成本 天線和電源的集成化設(shè)計目前仍是非常有挑戰(zhàn)性的研究工作。晶體振蕩器仍是影響當(dāng)前物理層成本的一個重要因素。 (2)功

23、耗 要使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命達(dá)27年（電池供電），這就要求節(jié)點(diǎn)的平均能耗在幾個W，雖然可以采用duty-cycle的工作機(jī)制來降低平均功耗，但當(dāng)前商業(yè)化通信芯片功耗仍在幾十mW，這對于能源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)仍是難以接受的。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn) 最新的實(shí)現(xiàn)方法最新的實(shí)現(xiàn)方法 T. Melly等人基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了433MHz直接下變頻FSK接收機(jī)，該接收機(jī)節(jié)省了中頻處理模塊，從而降低了物理層成本和功耗。Y. Chee等人設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種基于注入鎖定（injection locking）技術(shù)的OOK射頻前端，發(fā)射機(jī)僅消耗1.9mW0dBm31。 超寬帶（UWB）技術(shù)是一種無需

24、載波的調(diào)制技術(shù)，其超低的功耗和易于集成的特點(diǎn)非常適于WSN短距離通信。鑒于此，PicoRadio課題組的Rabaey 等人開展了以UWB為物理層的研究 7 。但是UWB信號接收需要較長的捕獲時間，即需要較長的前導(dǎo)碼，這將降低信號的隱蔽性，所以需要MAC層更好的協(xié)作。 目前，WSN 物理層協(xié)議的研究還處于初級階段， 在硬件和軟件方面都還需要做進(jìn)一步的研究14。硬件方面：目前的WSN節(jié)點(diǎn)在體積、成本和功耗上與其廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的差距，缺乏小型化、低成本、低功耗的片上系統(tǒng)（system on chip：SOC）實(shí)現(xiàn)；軟件方面：WSN 物理層迫切需要符合其特點(diǎn)和要求的簡單的協(xié)議、算法設(shè)計，特別

25、是調(diào)制機(jī)制。已有學(xué)者提出一種協(xié)同發(fā)射的虛擬MIMO調(diào)制方式，這種方式可以協(xié)同傳輸以達(dá)到遠(yuǎn)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，不過隨著MIMO技術(shù)的發(fā)展，尤其空時編碼技術(shù)的發(fā)展，這種調(diào)制技術(shù)將有非常大的應(yīng)用潛力。內(nèi)容提要1.概述 2.頻段分配3.通信信道 4.調(diào)制與解調(diào) 5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)6.物理層非理想特性研究7.射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮物理層非理想特性研究 非理想特性的來源 對于實(shí)際的節(jié)點(diǎn)平臺，物理層非理想特性可具體表現(xiàn)為無線信號傳輸?shù)牟灰?guī)則性（Radio Irregularity），較長的電路轉(zhuǎn)換時間以及較低的效能。圖 4- 17描述了由于非

26、匹配以及連接線損耗帶來額外能量損失。圖 4- 18描述了收發(fā)天線的極化方向性偏差引起的低效率接收。圖4-20給出了電池對傳輸性能的影響。 圖 4- 17非匹配及線路引起的能量損耗圖 4- 18 極化引起的接收效率的變化圖 4- 18 極化引起的接收效率的變化圖 4- 20 電池引起的不規(guī)則性傳輸 4 物理層非理想特性研究 無線傳輸不規(guī)則性建模 T. He 等人 6 ，提出了DOI（Degree of Irregularity）模型 。圖 4- 21 DOI模型 Zhou等人在DOI模型的基礎(chǔ)上 4 ，通過基于MICA2節(jié)點(diǎn)的實(shí)際測量研究，提出了一種更為精確的RIM（Radio Irregula

27、rity Model）模型。即在無線傳輸損耗與衰落方程中，引入了方向性損耗系數(shù)Ki，使得接收信號強(qiáng)度變?yōu)椋篜r（Received Signal Strength） = Ptx（Sending Power） DOI Adjusted PathLoss + FadingNi 360i0 DOIandR1iK0 i ,1iK,其中，DOI Adjusted Path Loss = Path Loss Ki ，這里 Ki是不同方向上的損耗系數(shù)。 物理層非理想特性研究 不規(guī)則性對上層的影響及應(yīng)對策略 對對MAC層的影響層的影響 以圖4-22（b）為例，節(jié)點(diǎn)B正給節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，由于無線傳輸?shù)牟灰?guī)則性節(jié)點(diǎn)

28、A偵聽不到B發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果A有包待發(fā)便會認(rèn)為信道空閑而選擇發(fā)射，這樣就會在節(jié)點(diǎn)C處產(chǎn)生沖突。 （a）載波偵聽（carrier sensing） (b)握手方式（handshaking） 圖 4- 22 對MAC層的影響物理層非理想特性研究2對路由層的影響對路由層的影響 反向路徑(path-reversal )、多輪發(fā)現(xiàn)(multi-round discovery)、鄰居發(fā)現(xiàn)(neighbor discovery)等技術(shù)廣泛地在路由協(xié)議中使用。由于無線傳輸?shù)姆菍ΨQ性，基于反向路徑技術(shù)的路由協(xié)議在反向鏈路中可能會出現(xiàn)斷鏈的問題，如圖4-23(a)所示。而基于多輪發(fā)現(xiàn)技術(shù)的路由協(xié)議，對于非對稱性傳

29、輸性能要更好一些，這主要是因?yàn)槎噍唶L試增加了保證鏈路對稱傳輸?shù)母怕?，如圖4-23(b)。鄰居發(fā)現(xiàn)技術(shù)是基于定位路由協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)，但是如果鏈路出現(xiàn)非對稱現(xiàn)象，將會使得路由表出現(xiàn)死區(qū)，如圖4-23(c)所示，節(jié)點(diǎn)A首先根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播的建立自己的鄰居表，并且鄰居節(jié)點(diǎn)B能夠發(fā)送數(shù)據(jù)到A，但是A發(fā)送的數(shù)據(jù)不能到達(dá)B，如果A不嘗試別的鄰居節(jié)點(diǎn)將會陷入死區(qū)。 （a） 對基于反向路徑路由協(xié)議的影響 (b)多輪發(fā)現(xiàn)的路由識別技術(shù) (c) 對路由鄰居表的影響圖 4- 23 對路由層的影響物理層非理想特性研究3應(yīng)對策略應(yīng)對策略 要解決無線傳輸不規(guī)則性對鏈路層、路由層的影響，就應(yīng)該保證鏈路傳輸?shù)膶ΨQ性。一種基本

30、的方法就是采用幾何對稱傳輸機(jī)制（Symmetric Geographic Forwarding : SGF），其基本原理為：在Beacon中加入該節(jié)點(diǎn)所有的鄰居信息，當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)接收到Beacon后，將源節(jié)點(diǎn)寫入自己的鄰居表中，并考察自己的ID號是否在Beacon中。如果在Beacon中，有該節(jié)點(diǎn)的ID號，表示源節(jié)點(diǎn)和該節(jié)點(diǎn)的通信鏈路是對稱的。否則，這條鏈路就被認(rèn)為是非對稱的。 另外一種方法就是采用傳輸距離受限的方式（Bounded Distance Forwarding：BDF），即使得源節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，只與根據(jù)DOI模型確定的內(nèi)環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的交互，這樣就從硬性上保證了鏈路的對稱性

31、。內(nèi)容提要1.概述 2.頻段分配3.通信信道 4.調(diào)制與解調(diào) 5.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計要點(diǎn)6.物理層非理想特性研究7.射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮 射頻前端是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理層最重要的單元之一，同時也是影響整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要模塊。深入理解射頻前端電路功耗來源對于高效地設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無疑是非常重要的。本小節(jié)在分析了射頻前端的功耗模型的基礎(chǔ)上，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了探討。 射頻前端收發(fā)機(jī)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。接收機(jī)方案有超外差式接收機(jī)、二次變頻接收機(jī)、零中頻（Zero-IF）接收機(jī)和低中頻（Low-IF）接收機(jī)，其結(jié)構(gòu)

32、分別示于圖4-24。發(fā)射機(jī)主要是完成調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波，根據(jù)調(diào)制和上變頻是否合二為一，分為直接變換法和兩步法，其結(jié)構(gòu)分別示于圖4-2513 。圖 4- 24接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖( a.超外差式接收機(jī) b.超再生接收機(jī) c. 低中頻接收機(jī)d. 零中頻或直接下變頻接收機(jī))（a） (b) (c)(d)射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮 考慮圖4-24（a）與圖4-25（b）中的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)，則節(jié)點(diǎn)完成一次收發(fā)過程（發(fā)送和接收一個包）消耗的能量可表示為： Etotal=Prx*(Lrx/R+Tsw) +Ptx*(Ltx/R+Tsw)+Ppa*(Ltx/R)=(Ppll+

33、Pfilt+Pmixer+Pdemod+Plna)(Lrx/R+Tsw) + (Ppll+Pfilt+Pmixer+Pmod) (Ltx/R+Tsw)+ Ppa*(Ltx/R) 圖 4-25 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)圖 ( a.兩步法發(fā)射機(jī) b.直接上變頻發(fā)射機(jī) )(b)(a)不失一般性，對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信單元，其工作平均功耗可表示為： )()(swrxrxrxtxoutswtxtxtxcommuTTPMTPTTPME射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮 基于PLL結(jié)構(gòu)的頻率合成器主要包括鑒頻鑒相器 (phase-frequency detector: PFD)、電荷泵 (charge pump: CP

34、)、低通濾波器(low-pass filter: LF)、壓控振蕩器 (voltage controlled oscillator: VCO)以及分頻器 (frequency divider: FDIV)，忽略濾波器的功耗，以整數(shù)N型頻率合成器為例，采用CMOS動態(tài)功耗估計理論，則Ppll可以表示為：小信號放大器的功耗為：混頻器的功耗為：功放的功耗為：基于以上分析則總能耗可表示為： 222220)(pkclcprefddpfdbiaspfdvcofdivvcofdivcppfdpllVLRP *fVCP*fV CCC PPPPPdd)/(*lnalnalnalnaFGkP)/(*mixermi

35、xermixemixerFGkPr/outpaPP Etotal =Prx*(Lrx/R+Tsw) +Ptx*(Ltx/R+Tsw)+Ppa*(Ltx/R) =(Ppll+Pfilt+Pmixer+Pdemod+Plna)(Lrx/R+Tsw)+ (Ppll+Pfilt+Pmixer+Pmod) (Ltx/R+Tsw)+ Ppa*(Ltx/R) =(Cfdiv+Cvco)V2dd*fo+Pbias+Pcp+kmixer(Gmixer/Fmixer)+ (kmixer*Gmixer/Fmixer)+ Pdemod)(Lrx/R+Tsw) + (Cfdiv+Cvco)V2dd*fo+ 2CpfdV

36、2dd*fref +Pbias+Pcp +Pfilt+Pmod) )(Ltx/R+Tsw)+ (Pout/)*(Ltx/R) 射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮將各單元的功耗參數(shù)列為下表所示將各單元的功耗參數(shù)列為下表所示單元功耗模型函數(shù)Pout=0dBm (fc=433MHz )Pout=0dBm (fc= 868MHz )功率放大器P(Pout, d, )10.5mW22mW混頻器P(kmixer , Gmixer,Fmixer)3.7mW3.7mW頻率合成器P(Vdd ,f0)11mW15mW小信號放大器P(klna,Glna,Flna) 3mW3mW射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮00.2

37、1.82x 10410-310-210-1length of Transmitted packet, L=10000bits Data Rate,R(bps)Energy (J)Tsw=300usTsw=250usTsw=100us00.81.82x 10410-210-1100Length of Transmitted packet,L=1000bits Data Rate,R(bps)Energy (J)Tsw=300usTsw=250usTsw=100us圖 4-26 節(jié)點(diǎn)傳輸功耗與傳輸速率、狀態(tài)切換時間對比曲線

38、圖（Tsw=100s,250s,300s; =60%, n=4）射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面向短距離、低速率傳輸，所以假定無線信道為加性白高斯噪聲信道（Additive White Gaussian Noise :AWGN），以非相關(guān)2FSK為例(CC1000采用該解調(diào)方式)，在不考慮網(wǎng)絡(luò)干擾的情況下，由文獻(xiàn)13可得誤碼率為： )2exp(21rPe其中0NbEr 其中， Eb是單比特能量，N0是單邊噪聲功率譜密度， 則)()(/0RBSNRRBNSBNbSTNbE)()(SNRGNNSGNGSPppprpGTFaTKBN0) 1()1) 1(2exp(210RTFT

39、KPPare)exp(21RPoutrtanGGTFTKddd)1()()4(210020ndddpathL)0(2)04(性能分析與高效能設(shè)計性能分析與高效能設(shè)計射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮70809010011012013014015010-610-510-410-310-210-1100傳 輸 距 離 d(m)誤碼率BERR=19.2kbpsR=38.4kbpsR=76.8kbps圖 4- 28 誤碼率與傳輸距離、速率的關(guān)系 (Pout=0dBm，Bin=30KHz,fc=433MHz）Ebit與R的曲線如圖4-29，其中傳輸距離為10m。 成功傳輸M個L bits長的包，所消耗的能

40、量為（即兩個節(jié)點(diǎn)一次完整的信息交互能耗，假定兩個節(jié)點(diǎn)是一致性的）： rxPLpPRMswTpaPLpPRMtxPLpPRMswTtotalE)()()(其中，Pp=(1-Pe)L 為成功接收一個包的概率，采用文獻(xiàn)19 給出的效能衡量指標(biāo)EPUB ML / EEtoatalbit射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計考慮00.511.522.533.544.55x 10410-610-410-2100102104Energy VS data ratedata rate (bps)Energy per bit (J)00.511.522.5x 10510-710-610-510-410-3Energy VS

41、 data ratedata rate (bps)Energy per bit (J)圖 4- 29 單比特傳輸能耗與傳輸速率及發(fā)射功率的關(guān)系圖 (M=10,L=120bits,=60%)(a)Pout=0dBm,fc=433MHz (b) Pout=10dBm,fc=433MHz主要參考文獻(xiàn)1.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci,. “Wireless sensor networks: a survey”. Computer Networks, Vol.38, 2002, pp. 393.422.2.E. Deborah

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