无线传感器网络第2章

1第2章物理层2.1概述2.2频率分配2.3通信信道2.4调制与解调2.5物理层设计2.6非理想特性2.7射频前端分析小结2本章目标理解频率分配。掌握通信信道的概念。理解信号的调制与解调。理解物理层的帧结构。理解物理层的功能和服务原语。了解物理层的非理想特性。了解射频前端低功耗设计。3学习导航4WSN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。OSI的物理层为设备之间的数据通信提供传输媒质及互联设备，为数据的传输提供可靠的环境。WSN的物理层主要负责传输媒质的选择、频段的选择、数据的调制与解调及数据的发送与接收，是决定WSN节点体积、成本以及能耗的关键因素，是无线传感器网络协议性能的决定因素。2.1概述5本章主要研究物理层的一些关键问题，并进行节能优化的探讨，所以本章首先介绍无线通信的基础知识：频段的划分、无线信道的调制解调，然后对物理层帧结构和射频前端低功耗性能进行深入的分析。6在无线通信系统中，频率波段的选择非常重要。由于6GHz以下频段的波形可以进行很好的整形处理，能较容易地滤除不期望的干扰信号，所以目前大多数射频系统都选择采用这个范围的频段。2.2频率分配7无线电频段的划分和无线电波段的划分相对应。各个国家和地区对无线电设备使用的频段、特定应用环境下的发射功率等作了严格的规定。中国无线电管理机构对无线电频段的划分如所示。8表2-1频段划分及主要用途频段符号频率波段波长传播特性主要用途甚低频VLF3～30kHz超长波100～10km空间波为主对潜通信低频LF30～300kHz长波10～1km地波为主对潜通信中频MF0.3～3MHz中波1000～100m地波与天波通用业务，无线电广播高频HF3～30MHz短波100～10m天波与地波远距离短波通信甚高频VHF30～300MHz米波10～1m空间波空间飞行器通信超高频UHF0.3～3GHz分米波1～0.1m空间波微波通信特高频SHF3～30GHz厘米波10～1cm空间波卫星通信极高频EHF30～300GHz毫米波10～1mm空间波波导通信9无线传感器网络在频段的选择上也必须按照相关的规定来使用。目前，无线传感器网络节点基本上都采用ISM(工业、科学、医学)波段。ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，发射功率要求在1W以下，无需任何许可证，其波段频率说明如所示。10表2-2波段频率说明频率说明13.553～13.567MHz—26.957～27.283MHz—40.66～40.70MHz—433～464MHz欧洲标准902～928MHz美国标准2.4～2.5GHz全球WPAN/WLAN5.725～5.875GHz全球WPAN/WLAN24～24.25GHz—11尽管频段的选择由很多因素决定，但对于无线传感器网络来说，必须根据实际应用场合来选择。因为频率的选择决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功耗。12信道是信号传输的媒质。通信信道包括有线信道和无线信道。有线信道包括同轴电缆、光纤等。无线信道是无线通信发送端和接收端之间通路的形象说法，它以电磁波的形式在空间传播。无线传感器网络物理层主要采用无线信道。2.3通信信道132.3.1自由空间信道自由空间信道是一种理想的无线信道，它是无阻挡、无衰落、非时变的自由空间传播信道，如图2-1所示。14图2-1自由空间信道模型15自由空间信道模型，假定A点是信号的发射源，B点是接收机，d是发射源与接收机之间的距离，信号发射源的天线辐射功率为Pt。在距离发射源A点d处的接收机B点的空间上任意一点(相当于面积为4πd2的球面的单位面积)的发射功率密度为P0：(2-1)式中，Pt/P0 = 4πd2，称为传播因子。2t02(W/m)4πPPd16在实际无线通信系统中，真正的全向性天线是不存在的，实际天线都带有方向性，一般用天线的增益G来表示。如发射天线在某方向的增益为G1，则在该方向的功率密度增加G1倍。在1中相距A点d处单位面积接收功率可表示为。对于接收天线，增益可以理解为天线接收定向电波功率的能力，接收天线的增益G2与有效面积Ae和工作的电磁波长有关，接收天线增益与天线有效面积Ae的关系为2t12(W/m)4πPGd17(2-2)则与发射机相距d的接收机接收到的信号载波功率为(2-3)将式(2-1)代入式(2-3)中得(2-4)令，那么式(2-4)可以变形为(2-5)22e4πGAt1er2(W)4πPGAPd2t1212r22(W)4π4π(4π/)tPGGPGGPddt12rfs(W)PGGPL2fs(4π/)Ld18这就是著名的Friis传输公式，它表明了接收天线的接收功率和发射天线的发射功率之间的关系。其中Lfs称为自由空间传播损耗，只与和d有关。考虑到电磁波在空间传播时，空间并不是理想的，例如气候因素的影响。假设由气候影响带来的损耗为La，此时接收天线的接收功率可以表示为(2-6)t12rafs(W)PGGPLL19收、发天线之间的损耗L可以表示为(2-7)tafsr12PLLLPGG202.3.2多径信道多径传播是指无线电波在传播时，通过两个以上不同长度的路径到达接收点，接收天线检测的信号是几个不同路径传来的电磁强度之和，如图2-2所示。21图2-2无线多径传输示意图22在无线通信领域，多径是指无线电信号传输过程中会遇到障碍物的阻挡，从发射天线经过几个路径抵达接收天线的传播现象(这种现象多出现在分米波、厘米波和毫米波段)，例如楼房或者高大的建筑物、山丘等，对电波产生反射、折射或者衍射等，如图2-3所示。23图2-3造成多径传播的原因24对于无线传感器网络来说，其通信大都是以节点间短距离、低功耗传输，且一般离地面较近，所以对于一般的场景(如走廊)，可以认为它主要存在三种路径，即障碍物的反射、直射以及地面反射。因为多径传播的不同路径到达的电磁波射线相位不一致，引起信号在信道中传输时变形(多径信道)，导致接收信号呈衰落状态(衰落或者相移)，使信号产生误码，所以在设计无线传感器网络物理层时要考虑信号的多径衰落。252.3.3加性噪声信道加性噪声一般指热噪声(导体中自由电子的热运动)、散弹噪声(真空管中电子的起伏发射和半导体中载流子的起伏变化)，它们与信号之间的关系是相加的，不管有没有信号，噪声都存在。加性噪声独立于有用信号，但始终干扰有用信号，不可避免地对无线通信信道造成影响。信道中的加性噪声一般来源于以下三方面：人为噪声：来源于人类活动造成的其他信号源。例如：外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射即荧光灯干扰等。26图2-4加性噪声信道数学模型27自然噪声：来源于自然界存在的各种电磁波源。例如：闪电、大气中的电暴、银河系噪声及其他各种宇宙噪声等。内部噪声：来源于系统设备本身产生的各种噪声。例如：在电阻一类的导体中自由电子的热运动和散弹噪声及电源噪声等。最简单的加性噪声信道数学模型如图2-4所示。28这是目前通信系统分析和设计中主要应用的信道模型，其中s(t)为传输信号，n(t)为噪声，为信道中的衰减因子，接收到的信号为(2-8)()()()rtastnt292.3.4实际环境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、障碍物的阻挡等引起的衰落。考虑到Friis方程主要针对远距离理想无线通信，对于无线传感器网络、Zigbee等短距离通信，工程上往往采用改进的Friis方程来表示实际接收到的信号强度，即(2-9)式中，d0为参考距离，短距离通信一般取1m；n的取值与传输环境有关。20rt1204πndPPGGdd30对于较为复杂的环境还需要进行精确的测试才能获得准确的信道模型。研究者通过实际测量获得了四种不同环境与距离的路径损耗变化，即在1m  d  10m时n取2，在10m  d  20m时n取3，在20m  d  40m时n取6，在d  40m时n取12。(2-10)fs20lg1m10m2030lg10m20m102960lg20m40m2047120lg40m40ddddLLdddd31调制与解调是为了能够在可容忍的天线长度内实现远距离的无线信息传输，在通信系统中占有重要地位。调制与解调是通过射频前端(详见2.7节)的调制解调器实现的。本节详细介绍了模拟调制、数字调制、无需载波的UWB通信技术以及扩频通信技术。2.4调制与解调322.4.1模拟调制模拟调制作用的实质是把各种信号的频谱搬移，使它们互不重叠地占据不同的频率范围，即信号分别依托于不同频率的载波，接收机可以分离出所需频率的信号，避免互相干扰。33模拟调制的目的：信道传输频率特征的需要。实现信道复用。改善系统的抗噪声性能，或通过调制来提高系统频带的利用率。采用不同的调制技术对系统性能将产生很大的影响。以一个简单的正弦波S(t)为例：(2-11)()()sin[2π()()]StAtftt34式中，正弦波S(t)为载波，基于正弦波的调制技术即对其参数幅度A(t)、频率f(t)和相位进行相应的调整，分别对应调制方式的幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(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，正在逐步被数字调制技术替代。但是当前模拟调制技术在上下变频处理中起着无可代替的作用。352.4.2数字调制数字调制就是将数字信号变成适合于信道传输的波形，调制信号为数字基带信号。调制的方法主要是通过改变幅度、相位或者频率来传送信息。用数字信号来进行ASK(幅度调制)、FSK(频率调制)和PSK(相位调制)。每种类型又有很多不同的具体形式，如基于ASK变形的正交载波调制技术、单边带技术、残留边带技术和部分响应技术等；基于FSK的CPFSK(连续相位)与NCPFSK(非连续相位调制)以及基于PSK的多相PSK调制等。36调制的基本原理是用数字信号对载波的不同参量进行调制，即(2-12)载波S(t)的参量包括幅度A、频率w和初相位，调制就是要使A、w或随数字基带信号的变化而变化。其中，ASK调制方式是用载波的两个不同振幅表示0和1；FSK调制方式是用载波的两个不同频率表示0和1；PSK调制方式是用载波的起始相位变化表示0和1。()cos()StAtw37图2-5ASK调制电路结构图381. ASK调制ASK调制电路结构图如图2-5所示，其中S(t)为载波，d(t)为数字信号。这种调制方式最大的特点是结构简单、易于实现。ASK的调制波形即为载波S(t)与数字信号d(t)的乘积，其调制波形图如图2-6所示。39图2-6ASK调制波形图402. FSK调制FSK是信息传输中使用较早的一种调制方式。它的主要优点是实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能比较好，因此在中低速数据传输中得到了广泛的应用。FSK是利用两个不同F1和F2的振荡源(即载波F1和载波F2)来实现频率调制，具体实现如下：(2-13)式中，，)。012()()cos()cosnSnSetagtnTtagtnTtww11()cosnSFagtnTtw22()cosnSFagtnTtw41以2FSK(二进制FSK)调制为例，用数字信号的1和0分别去控制两个独立的振荡源交替输出。2FSK信号的产生原理框图如图2-7所示。其调制波形图如图2-8所示，其中d(t)为数字信号。42图2-72FSK信号产生原理框图43图2-82FSK调制波形图443. PSK调制PSK相移键控调制技术(调相技术)在数据传输中，尤其是在中速和中高速(2400b/s～4800b/s)的数传机中得到了广泛的应用。相移键控有很好的抗干扰性，在有衰落的信道中也能获得很好的效果。45在PSK调制时，载波的相位随调制信号状态的不同而改变。如果两个频率相同的载波同时开始振荡，这两个频率同时达到正最大值、零值和负最大值，此时它们处于“同相”状态；如果一个达到正最大值时，