无线传感器网络物理层

1 概述
• Lan F. AkyildizD 提出了WSN协议栈的五层模型， 分别对应OSI参考模型的物理层、数据链路层、网 络层、传输层和应用层。 • 物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连 设备，为数据传输提供可靠的环境。物理层的媒体 包括平衡电缆、光纤、无线信道等。通信用的互连 设备指DTE和DCE间的互连设备。DTE既数据终端 设备，又称物理设备，如计算机、终端等都包括在 内。而DCE则是数据通信设备或电路连接设备，如 调制解调器等。数据传输通常是经过DTE─DCE， 再经过DCE─DTE的路径。 • 无线传感器网络物理层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，也是WSN的研究重点之一 。
n一般大于2. 衰落分贝表达式为：
2 d0 n ) ( ) G1G 2 4d 0 d
考虑到障碍物的情况下： 在dB表达式中模型中加入一均值为0，方差为σ2的高斯随机变量, 等价于与一对数 正态分布相乘，故其对数正态衰落表达式为：
PL(d )[dB] PL(d0 )[dB] 10 log10( d ) X [dB] d0
《无线传感器网络技术》讲义
第四章、物理层
2007年8月20日
内容提要
1.
概述
2.
3.
频段分配
通信信道
4.
5. 6. 7.
调制与解调
无线传感器网络物理层设计要点 物理层非理想特性研究 射频前端功耗分析与低功耗设计考虑
内容提要
1.
概述
2.
3.
频段分配
通信信道
4.
5. 6. 7.
调制与解调
无线传感器网络物理层设计要点 物理层非理想特性研究 射频前端功耗分析与低功耗设计考虑
调制方式
QP R
MQA M
4 调制与解调
• 4.3 UWB通信技术 超宽带（Ultra Wide Band：UWB）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信号带宽应大于500MHz 或相对带宽大于 0.2。相对带宽定义为： 式中, fH和fL为系统最高频率和最低频率。
3 通信信道
• 3.2 多径信道
在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物 ，例如楼 房、高大建筑物或山丘等，对电波产生反射、折射或衍射等，如图 4- 3。 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。可以用图 4- 4来简略表示 这一现象。
s(t)
r(t) =α s(t) + n(t)
n(t)
r (t ) s(t ) n(t )
3 通信信道
• 3.3 实际物理信道
实际环境中的无线信道往往比较复杂，除了自由空间损耗还伴有多径、阴影 以及多普勒频移引起的衰落。 考虑到比自由空间下更强的衰落，采用改进的Friss方程：
Pr Pt (
4 调制与解调
•
信源
4.4 扩频通信
信源编码 信道编码 载波调制 扩频 调制 信
道
信息输 出
信源译码
信道译码
符号解调
解扩频
4 调制与解调
• 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；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。
宽带
d( t )
数据 数据 解调 调制
h R (t )
频率 合成 频综 器
ˆ (t) d
窄带
2P cos(0 t)
码钟
频率合成器 频综
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
(a) FH 发送 端 框图 (a) FH 发送原理框图
4 调制与解调
4 调制与解调
• 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
4 调制与解调
• FHSS 如图所示为调频扩频及解扩电路结构图。
y(t )
NRZ 数据 调制
s d (t ) h T (t ) s t (t )
r(t )
内容提要
1.
概述
2.
3.
频段分配
通信信道
4.
5. 6. 7.
调制与解调
无线传感器网络物理层设计要点 物理层非理想特性研究 射频前端功耗分析与低功耗设计考虑
4 调制与解调
• • • •
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ4.1 模拟调制 4.2 数字调制 4.3 UWB通信技术 4.4 扩频通信
4 调制与解调
• 4.1 模拟调制
s(t ) A(t ) sin(2f (t ) (t ))
4 调制与解调
各种调制方式性能比较如表4-4所示
4 调制与解调
各种调制方式的复杂度比较如表4-5所示
表 4- 5 不同调制方式的复杂度 相对复杂性 简单 ------------------------------------------------------------------- 复杂 O O K F S K CPFS K D P S K DQ PS K B OK Q M CPP A S FS S QP M K K K SK MaryPS K
图 4- 3 造成多径传播的原因
3 通信信道
视距r1 源节点 地面反射路 径总距离r2 目标点 hr
ht
ψ 水平距离 d
图 4- 3 two-ray model
d ht hr
时
Pr 4Pt ((
2 2ht hr 2 ) G1G2 ( ) 4d d
3 通信信道
• 3.2 加性噪声信道
3 通信信道
• 3.1 自由空间信道
Friis传输公式：
发射源 d
接收机
Pr
Pt G1G22 4d 4
2

Pt G1G2 (4d )
2
(w)
Pt G1G2 ( w) L fs
图 4-2 无线信道传输
其中， L fs 称为自由空间传播损耗 （path loss），只与、d有关。
空间波 小容量微 波 中继通 信; (352420MHz); 对流层散 射 通信(70010000MHz ); 中容量微 波 通信(17002400MHz)
空间波 大容量微波 中继通信 (36004200MHz); 大容量微波 中继通信 (58508500MHz); 数字通信; 卫星通信; 国 际海事 卫星 通信(15001600MHz)
1 概述
• • 无线传感器网络物理层对节点能耗的影响： Deborah Estrin 在Mobicom 2002 会议的特邀报告（Wireless Sensor Networks， Part IV：Sensor Networks Protocols ）中所述传感器节点各部分能量消耗的情 况，从图 可知，传感器节点的大部分能量消耗在无线通信模块 。
4 调制与解调
• 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
4 调制与解调
（a）AM调制波形图（双边带）
(b)上为调频信号，下为调相信号
4 调制与解调
•
4.2 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。
A/D LNA U W B 天 线 脉冲 成型 放大器 射频部分 放大器
时钟控制
同步与信道估 计 功控
CRC译 码 MAC层处理
D/A
交织
卷积编码 基带部分
CRC 编码
图 4- 13 UWB收发机结构图
4 调制与解调
UWB两个标准共存： • 以摩托罗拉（Motorola）为代表的DS-CDMA 方案 DS-CDMA方案建议采用双频带(3.1一 5.15GHz和 5.825-13.6GHz )，即在每超过1 GHz的频带内用极短 的时间脉冲发送数据，其优势是硬件简单，频谱利用 率高 • 德州仪器（TI）与Intel支持的多频带OFDM 联盟 (MBOA)的OFDM方案 多波段OFDM方案则需建立一个子信道化UWB系统， 将分配的频谱划分成QPSK-OFDM调制子频带，每个 子频带为528MHz，优势是抗符号间干扰(Inter-symbol Interference :ISI)能力强，但硬件相对复杂。
基于正弦波的调制技术无外乎对其参数幅度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)。 图 4- 7给出了这几种调制方式的一般波形图。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。
传播特性 主要用途
地波为主 越洋通信; 中距离通信; 地下岩层 通信; 远距离导航
地波与天波 船用通信; 业余无线电 通信;移动 通 信;中距离 导 航
天波与地 波 远距离短 波通信; 国际定点 通信
空间波 电离层散射 (30-60MHz) ;流星余迹 通信; 人造 电离层通信 (30-144M Hz); 对空间飞行 体通信; 移 动通信
• 以上分别对窄带调制技术、扩频调制技术以及UWB技术进行了分析， 可以看出各种调制技术各有特点，如果将各自性能的优劣等级划分为5 （最好）至1（最差）。则三种分类的调制解调方式性能比较结果如表 4.5 [37]。
通信单元在不同 工作状态下的功 耗
20 15 功耗(mW) 10 5 0
传感器 处理器 发送
接收
空闲
睡眠
内容提要
1.
概述
2.
3.
频段分配
通信信道
4.
5. 6. 7.
调制与解调
无线传感器网络物理层设计要点 物理层非理想特性研究 物理层功耗分析与高效能设计研究
2 频段分配
名称 符号 频率 波段 波长 甚低频 VLF 3-30KHz 超长波 1KKm100K m 空间波为主 海岸潜艇 通信; 远距离 通信; 超远 距离导航 低频 LF 30-300KHz 长波 10Km-1Km 中频 MF 0.3-3MHz 中波 1Km-100m 高频 HF 3-30MHz 短波 100m-10m 甚高频 VHF 30-300MHz 米波 10m-1m 超高频 UHF 0.3-3GHz 分米波 1m-0.1m 特高频 SHF 3-30GHz 厘米波 10cm-1cm 极高频 EHF 30-300GHz 毫米波 10mm-1mm
空间波 再入大气层 时的通信; 波导通信
2 频段分频
• ISM波段
ISM波段的特点是无 须申请，利于降低成 本。
内容提要
1.
概述
2.
3.
频段分配
通信信道
4.
5. 6. 7.
调制与解调
无线传感器网络物理层设计要点 物理层非理想特性研究 射频前端功耗分析与低功耗设计考虑
3 通信信道
• • • •
3.1 自由空间信道 3.2 多径信道 3.3 加性噪声信道 3.4 实际物理信道
f - fL fc 2 H fH fL
4 调制与解调
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，所以该系统可采用软件 无线电的全数字硬件接收结构，如图 4- 13[26] ‎ 所示。
脉冲匹配滤 波器 RAKE接 收 均衡 解交织 卷积译码