第2章 无线传感器网络物理层设计

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调制解调技术

直接序列扩频DSSS
如图所示为PSK直接序列扩频器的结构。
d(t)
相位 调制器 c(t)
信道 n(t) c(t-td)
带通 滤波器
相位解 调
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调制解调技术

FHSS 如图所示为跳频扩频及解扩电路结构图。
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概述——频谱分配
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概述——频率选择
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。
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•无线传感器网络物理层概述——传输介质
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：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：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。
5
5 5 2 4 3
4
4 2 2 5 4
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
自由空间信道
多径信道
加性噪声信道
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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——传播
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、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。
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•无线传感器网络物理层调制解调技术 UWB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： f - fL f 2 H
•无线传感器网络物理层调制解调技术
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•无线传感器网络物理层调制解调技术
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。
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•无线传感器网络物理层调制解调技术
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(Direct Sequence Spread Spectrum：DSSS)
工作方式，简称直扩(DS)方式；
跳变频率(Frequency Hopping)工作方式，简称跳频(FH)方式； 跳变时间(Time Hopping)工作方式，简称跳时(TH)方式；
时钟控制
MAC层处理
交织
卷积编码
CRC 编码
UWB收发机结构图
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•无线传感器网络物理层调制解调技术

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
功耗
3
2
4
5
3
4
低传输范围和低速率
抗干扰能力 抗背景噪声能力 同步难易度 频谱利用率 多播能力
3
1 2 3 2 1
(a) FH发送原理框图 (a) FH发送 端 框图
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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 ，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。


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•无线传感器网络物理层调制解调技术
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。可以分成绝对移相和相对（差分）移相两种方式。
y(t )
NRZ
d( t )
数据 调制
s d (t ) s t (t ) h T (t )
频率合成器 频综
r(t )
宽带
数据 数据 解调 调制
h R (t )
频率合成 频综 器
ˆ d( t )
窄带
2P cos(0 t)
码钟
伪随机码产生 码 产生
码钟
伪随机码产 码 产生 生
(d) FH接 收 端 框图 (b) FH接收机原理框图
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•无线传感器网络物理层调制解调技术


B-ary数字调制
ASK （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 FSK （Frequency Shift Keying ) 相比于ASK需要更大的带宽 PSK (Phase Shift Keying) 更 复杂，但是具有较好的抗干扰能 力
宽带线性调频(Chirp Modulation)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。
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。
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•无线传感器网络物理层调制解调技术
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。
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•无线传感器网络物理层调制解调技术
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
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•无线传感器网络物理层调制解调技术
c fH fL
fH和fL为系统最高频率和最低频率。
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•无线传感器网络物理层调制解调技术 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
A/D LNA U W B 天 线 脉冲 成型 放大器 射频部分 基带部分 放大器 同步与信道估 计 功控 D/A CRC译 码 脉冲匹配滤 波器 RAKE接 收 均衡 解交织 卷积译码
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
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•无线传感器网络物理层调制解调技术
扩频通信（Spread Spectrum Communication， 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：
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： 抗干扰 抗噪音 抗多径衰落 具有保密性 功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率 可多址复用和任意选址 高精度测量
（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。
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•无线传感器网络物理层调制解调技术
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（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
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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
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概述
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：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

模拟调制
s(t ) A(t ) sin(2f (t ) (t ))
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。
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模拟调制
（a）AM调制波形图（双边带）
(b)上为调频信号，下为调相信号
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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 的频率键控技术。