调研报告(样)

-1-调研报告我首先大量的阅读了有关无线传感器网络的构成，原理，应用，研究状况等相关的书籍，文献资料，经过大量的阅读我对无线传感器网络的构成，原理，应用，研究状况已经有所了解，并且知道了自己的题目在无线传感器网络中的地位和作用。在对无线传感器有了一个宏观的把握后，我又开始阅读有关Systemview这一仿真软件的开发和应用的书籍，期刊资料。在了解了其基本的使用方法之后，又去阅读了有关数字基带传输系统理论方面的书籍，期刊资料，由于这一部分以前已经学习过，所以除了对其理论重点把握之外，重点放在了对其仿真分析方面。最后我把重点放在用Systemview这一专业性的软件对数字基带传输系统的仿真及分析方面。由于我的时间及精力有限，现在我只能对他们有一个比较宏观的把握，大略的知道自己的思路是什么，对于具体的细节我还需要进一步的调研。下面我挑选一些我所阅读的比较典型的资料，并根据这些资料说说我的收获。在刘洋等所发表的《无线传感器网络》中，我了解了无线传感器的概念和原理。无线传感器网络是计算，通信和传感器三项技术相结合的产物。无线传感器网络系统通常包括传感器节点(sensornode)、汇聚节点(sinknode)和管理节点如下图。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensorfield)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。图1传感器网络体系结构在了解了传感器网络体系结构后，对传感器节点又有了如下了解。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，-2-如图2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。图2传感器节点体系结构为了和互联网通信无线传感器网络包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应的协议栈。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台如图3所示。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下：·物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；·数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；·网络层主要负责路由生成与路由选择；·传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；·应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；·能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；·移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；·任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。通过以上知识使我对WSN有了一个宏观的把握，重点是我了解到了我所做的数字基带传输部分是在传感器节点的物理层用硬件实现的其中一部分。周怡窹等人的《ZigBee无线通信技术及其应用探讨》中介绍并比较了三种无线传输技术。这三种无线传输技术包括：蓝牙（BlueTooth）﹑Wi-Fi（IEEE802.11）﹑ZigBee（IEEE802.15.4）。蓝牙技术是爱立信在1994年开始研究的一种能使手机与其附件（如耳机）之间互相通信的无线模块。它主要用于通信和信息设备的无线连接。它的工作频-3-率为2.4GHz，有效范围大约在10米半径内。Bluetooth列入了IEEE802.15.1，规定了包括PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。另外，BlueTooth对每个微微网有只能配置7个节点的限制，制约了其在大型传感器网络开发中的应用。IEEE802.11最初规范是在1997年提出的。主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，其工作频率也是2.4GHz。目前，IEEE802.11标准还没有被工业界广泛接受。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。Wi-Fi规定了协议的物理（PHY）层和媒体接入控制（MAC）层，并依赖TCP∕IP作为网络层。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。ZigBee技术是最近发展起来的一种短距离无线通信技术，功耗低，时延短,网络容量大,可靠安全等优点，被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它同样使用2.4GHz波段，采用跳频技术和扩频技术。另外，它可与254个节点联网。节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。三种无线传感技术中ZigBee性能最好最受欢迎，但是对于基于SystemView为平台的仿真分析来说过于复杂了，因此选用便于实现的IEEE802.11技术来对无线传感器网络的数字基带传输系统进行仿真和分析。在马保国等所发表的《无线传感器网络研究综述》中我了解到到其研究的热点主要集中于网络技术和协议的开发应用。在协议通信层主要研究重点是数据链路层MAC协议及网络层路由协议的研究；在网络管理技术层，主要研究方向是收集数据的管理、节能问题的解决以及网络通信安全的实现；在网络支撑技术层，主要研究点是节点定位问题的解决、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现。当然也可以看到其在军事，医疗，交通，工业，农业，环境监测等方面的应用。高宏等人发表的《无线传感器网络的研究进展》谈到目前，物理层通信协议的研究主要集中在传输介质选择、传输频段选择、无线电收发器的设计、调制方式等4个方面，核心问题是能量有效性或节省能量。所以我的论文的重点也就是无线电发射机的设计以及调制方式的选择。数字基带通信系统主要由信道信号形成器、信道、接收滤波器和抽样判决器组成。为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步系统。系统模型的详尽介绍可以在《基于数字基带传输系统的理论研究》找的。其中介绍了带脉冲传输过程，也简要介绍了眼图和均衡技术以及常用码型，像二元码，曼切斯特码，交替极性码，三阶高密度反转码等。这些介绍使得我对数字基带传输系统实现及仿真分析有了宏观的把握。码间干扰和噪声是影响通信质量的两个主要因素。如果对实际信道进行了最-4-佳化、理想化设计；并且在此基础上寻找到能够消除码间干扰具有升余弦频谱特性的发送信号。利用该系统传榆所设计的信号可大大提通信质量。在李耐根的《数字基带传输系统及其误码分析》的文章中在交代了数字基带传输系统的模型后，对误码做了简要分析。眼图是指利用实验的方法估计和改善（通过调整）传输系统性能时在示波器上观察到的图形。也是我也要在用SystemView仿真后用此图来衡量我设计的系统的性能。SystemView是信号级的系统仿真软件，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，它使用功能模块(Token)去描述程序，无需与复杂的程序语言打交道，快速地建立和修改系统、访问与调整参数。SystemView主要用于电路与通信系统的设计、仿真，能满足从数字信号处理、滤波器设计、直到复杂的通信系统等不同层次的设计、仿真要求。SystemView的库资源十分丰富，包括含若干图标的基本库及专业库，而专业库特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、调制解调器、卫星通讯等通信系统；并可进行各种系统时域和频域分析、谱分析，及对各种逻辑电路、射频/模拟电路（混合器、放大器、RLC电路、运放电路等）进行理论分析和失真分析。由于这些优点SystemView被广泛用于通信原理设计等教学及通信、控制、雷达、信号处理等科研项目或产品的设计。在徐金玉的《基于SystemView的眼图仿真系统》中我不但了解了其丰富的库资源，而且也对它在通信中的仿真有了一点点的认识。在陈绍溴的《SystemView在通信工程实验中的应用》中以SystemView为平台来演示一个用一阶锁相环(PLL)实现的FM解调器。从他所作的演示中可以看到SystemView在通信中的实际应用。又总结了SystemView的一些优点，如能仿真大量的应用系统，快速方便的动态系统设计与仿真，先进的信号分析和数据块处理及可扩展性。徐金玉的《基于SystemView的眼图仿真系统》不仅详尽的说明了实验中，如何根据“眼睛”张开的大小定性的反映码间干扰的强弱和噪音的大小，而且，还用SystemView仿真软件构建了眼图仿真系统，这便为我日后利用眼图，对数字基带传输系统做最后的仿真性能分析提供了很好的思路。田立苗的《数字信号载波传输系统的SystemView仿真设计》介绍了数字信号载波传输的主要特点。重点利用SystcmView软件实现2ASK(二进制幅移键控)和MASK(多进制幅度键控)的调制与解调计算机仿真，最后对仿真结果进行性能比较。发现仿真模型都能正确的进行解调，他们的功率谱也基本相同，只是在相同信道噪声干扰的情况下，MASK所受的影响大于2AsK，但是在符号率相同的情况下。MASK频带利用率高很多。在2ASK中，采用载波信号与二进制信号相乘的方法来调制，解调时，同时用包络检波解调和-5-相干解调，并且比较了两者的性能，结果是在相同噪声干扰下，相干解调的性能高于包络检波，但是包络检波的硬件实现起来比较简单。这就我我选择调制解调方式时提供了选择的依据，并且可以参考其对器件的参数设置。李蕾等的《基于MATLAB的数字基带传输系统仿真实验设计》软件设计中采用了Mathworks公司的MATLAB作为仿真工具，其仿真平台SIMULINK具有可视化建模和动态仿真的功能。他们用SIMULINK对信号发生器，发送∕接收滤波器，传输信道，采样判决，曼彻斯特编码器∕解码器定时信号提取电路进行了仿真。并通过观察接收端的波形和眼图进行简单的分析。由于他们并没有用专业的仿真工具仿真，所以这一仿真其功能就很简单，而且性能有待考虑。樊爱京的《基于VisualC++与MATLAB的数字基带传输系统仿真的实现》中，指出MATLAB解释性执行语言，执行效率低，速度慢，不适应实时性较高的场合，而VisualcC++是Windows平台下强大的应用程序开发环境，基于VC几乎可以开发从底层到直接面向用户的各个方面的软件。MATLAB的应用程序界面开发功能远不如VC方便强大，而VC在工程计算方面则要比MATLAB繁琐得多，因此提出了MATLAB与VC的联合编程。虽然这一设想很好，但是却面临着很多问题，如接口问题，数据组织问题等。最重要的是即便一个很小的功能可能还要用复杂的程序实现，而这远远不如SystemView实用。通过阅读书籍与文献资料我初步有了实现的基于SystemView的无线传感器网络的无线数字传输系统的模拟与仿真分析。首先在发射端经过编码、调制后得到调制信号，然后调制信号经过中频混频之后再高频混频，最后经功率放大器放大后发射。在接收端，将收到的信号进行解调和解码，包括解调、解码，最终还原数据。其中对无线收发系统硬件模块各子模块都要进行设计及实现，其中包括射频频率合成器、射频混频器、中频混频器、中频频率合成器、低噪声放大器、功率放大器、带通滤波器等。最后对仿真各子模块的结果，测试实际结果，并对各数据进行比较分析。当然这其中选择的编码方式，载波频率及波形，调制方式，中，高频混频时的载波频率的选择，还有其间的滤波器及其带宽的选择。虽然我的目的在仿真其基带信号的处理，而不考虑其接收解调部分。但是从宏观上把握问题有利于设计分析。