4--无线传感器网络--物理层v1.1

《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.频段分配3.通信信道4.调制与解调5.无线传感器网络物理层设计要点6.物理层非理想特性研究7.射频前端功耗分析与低功耗设计考虑内容提要1.概述2.频段分配3.通信信道4.调制与解调5.无线传感器网络物理层设计要点6.物理层非理想特性研究7.射频前端功耗分析与低功耗设计考虑1概述•LanF.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。05101520传感器处理器发送接收空闲睡眠功耗(mW)1概述•无线传感器网络物理层对节点能耗的影响：•DeborahEstrin在Mobicom2002会议的特邀报告（WirelessSensorNetworks，PartIV：SensorNetworksProtocols）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。通信单元在不同工作状态下的功耗内容提要1.概述2.频段分配3.通信信道4.调制与解调5.无线传感器网络物理层设计要点6.物理层非理想特性研究7.物理层功耗分析与高效能设计研究2频段分配名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频符号VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波波长1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm传播特性空间波为主地波为主地波与天波天波与地波空间波空间波空间波空间波主要用途海岸潜艇通信;远距离通信;超远距离导航越洋通信;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航船用通信;业余无线电通信;移动通信;中距离导航远距离短波通信;国际定点通信电离层散射(30-60MHz);流星余迹通信;人造电离层通信(30-144MHz);对空间飞行体通信;移动通信小容量微波中继通信;(352-420MHz);对流层散射通信(700-10000MHz);中容量微波通信(1700-2400MHz)大容量微波中继通信(3600-4200MHz);大容量微波中继通信(5850-8500MHz);数字通信;卫星通信;国际海事卫星通信(1500-1600MHz)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.频段分配3.通信信道4.调制与解调5.无线传感器网络物理层设计要点6.物理层非理想特性研究7.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3通信信道•3.1自由空间信道Friis传输公式：其中，称为自由空间传播损耗（pathloss），只与、d有关。发射源接收机d)()()4(44212212221wLGGPwdGGPdGGPPfstttr图4-2无线信道传输fsL3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。图4-3造成多径传播的原因3通信信道2212)2()4((4dhhGGdPPrttr地面反射路径总距离r2视距r1hrht水平距离d源节点目标点ψ图4-3two-raymodelrthhd时3通信信道•3.2加性噪声信道r(t)=αs(t)+n(t)s(t)n(t)tntstr)()()(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：n一般大于2.衰落分贝表达式为：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：21020)()4(GGdddPPntr[dB])(log10)[dB]()[dB](0100XdddPLdPL内容提要1.概述2.频段分配3.通信信道4.调制与解调5.无线传感器网络物理层设计要点6.物理层非理想特性研究7.射频前端功耗分析与低功耗设计考虑4调制与解调•4.1模拟调制•4.2数字调制•4.3UWB通信技术•4.4扩频通信4调制与解调•4.1模拟调制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。))()(2sin()()(ttftAts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。4调制与解调•ASK（AmplitudeShiftKeying）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（FrequencyShiftKeying):相比于ASK需要更大的带宽•PSK(PhaseShiftKeying):更复杂，但是具有较好的抗干扰能力4调制与解调各种调制方式性能比较如表4-4所示4调制与解调表4-5不同调制方式的复杂度相对复杂性简单-------------------------------------------------------------------复杂调制方式OOKFSKCP-FSKDPSKDQPSKBPSKQAMOK-QPSKMSKCP-FSKQPRM-aryPSKMQAM各种调制方式的复杂度比较如表4-5所示4调制与解调•4.3UWB通信技术超宽带（UltraWideBand：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。LfHfLf-Hfcf24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。A/D脉冲匹配滤波器RAKE接收均衡解交织卷积译码CRC译码MAC层处理CRC编码功控卷积编码交织D/A脉冲成型同步与信道估计时钟控制基带部分射频部分UWB天线LNA放大器放大器图4-13UWB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1GHz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-symbolInterference:ISI)能力强，但硬件相对复杂。4调制与解调•4.4扩频通信信源信源编码信道编码载波调制扩频调制信息输出信源译码信道译码符号解调解扩频信道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(DirectSequenceSpreadSpectrum：DSSS)工作方式，简称直扩(DS)方式；跳变频率(FrequencyHopping)工作方式，简称跳频(FH)方式；跳变时间(TimeHopping)工作方式，简称跳时(TH)方式；宽带线性调频(ChirpModulation)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。4调制与解调•DSSS如图所示为PSK直接序列扩频器的结构。相位调制器信道带通滤波器相位解调d(t)c(t)n(t)c(t-td)4调制与解调•FHSS如图所示为调频扩频及解扩电路结构图。数据调制NRZ)t(d)tcos(P20)t(sd频综码产生码钟)t(hT)t(st(a)FH发送端框图频率合成器伪随机码产生(a)FH发送原理框图(d)FH接收端框图数据调制)t(dˆ频综码产生码钟)t(hR)t(r)t(y宽带窄带频率合成器伪随机码产生(b)FH接收机原理框图数据解调4调制与解调•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]。分类窄带UWB扩频成本343功耗254低传输范围和低速率354抗干扰能力154抗背景噪声能力252同步难易度322频谱利用率245多播能力134表4-6调制性能比较内容提要1.概述2.频段分配3.通信信道4.调制与解调5.无线传感器网络物理层设计要点6.物理层非理想特性研究7.射频前端功耗分析与低功耗设计考虑无线传感器网络物理层设计要点•当前节点物理层无线传感器网络物理层的发展是与当前的设计工艺水平紧密相连的，随着最近几年射频CMOS工艺的发展，使得无线传感器网络物理层的成本和功耗能够显著地降下来，表4-7给出了当前主要无线感器网络节点物理层的主要性能参数。节点名称μAMPs-ⅠWeCMote/MedusaMK-2/iBadge/MicaMote/EyEsMica2/GAINSMicaz/Tmote/GAINZ射频前端芯片LMAX3162TR1000CC1000CC2420调制方式GFSKASK/OOKFSKO-QPSK(DS)工作频率(Hz)2.4G916.5M300to1000M2.4G工作电压(V)3.0-5.532.1-3.61.8-3.6发射模式消耗电流50mA12mA16.5mA@868MHz,0dBm17.4mA@0d