第2章--无线传感器网络物理层设计.ppt

 第二章  无线传感器网络物理层设计l无线传感器网络物理层概述l无线传感器网络物理层调制解调技术l无线传感器网络物理层信道特性l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物理层物理层：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大部分能量消耗在收发上•无线传感器网络物理层概述第二章  无线传感器网络物理层设计物理层的传输介质传输介质主要包括无线电波、红外线和光波等目前WSN的主主流流传传输输方方式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红外外线线：：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应用中使用光光波波传传输输：：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。

•无线传感器网络物理层概述——传输介质第二章  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概述——频谱分配      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•无线传感器网络物理层概述——频率选择第二章  无线传感器网络物理层设计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：：节能节能和成本成本常用调制方式：Ø模拟调制Ø数字调制Ø扩频通信ØUWB通信技术•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计Ø模拟调制            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 •无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计Ø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•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计Ø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•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计ØB-ary数字调制lASK （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lFSK （Frequency Shift Keying )相比于ASK需要更大的带宽lPSK (Phase Shift Keying)        更复杂，但是具有较好的抗干扰能力•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计M-ary调制调制：：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•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计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•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计M-ary调调制制机机制制：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。

偏偏移移四四相相移移键键控控（（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性比较好正交振幅调制（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 •无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计扩扩频频通通信信（（Spread Spectrum Communication，，扩扩展展频频谱谱通通信信）） ：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： l抗干扰 l抗噪音 l抗多径衰落 l具有保密性 l功率谱密度低，具有隐蔽性和低的截获概率 l可多址复用和任意选址 l高精度测量•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：直直接接序序列列扩扩频频(Direct Sequence Spread Spectrum：：DSSS)工作方式，简称直扩(DS)方式；；跳变频率跳变频率(Frequency Hopping)工作方式，简称跳频(FH)方式；跳变时间跳变时间(Time Hopping)工作方式，简称跳时(TH)方式；宽带线性调频宽带线性调频(Chirp Modulation)工作方式，简称Chirp方式；混混合合方方式式，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•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计n直接序列扩频DSSS 如图所示为如图所示为PSK直接序列扩频器的结构直接序列扩频器的结构•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计nFHSS 如图所示为跳频扩频及解扩电路结构图如图所示为跳频扩频及解扩电路结构图频率合成器伪随机码产生(a) FH发送原理框图频 率 合 成器 伪随机码产生(b) FH接收机原理框图数据解调•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计       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 •无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计       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•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计　　UWB通通信信技技术术 （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： 　fH和fL为系统最高频率和最低频率 •无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计　　UWB通信技术通信技术　　　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UWB收发机结构图•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计Ø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•无线传感器网络物理层调制解调技术第二章  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Ø无线通信信道的传播特性无线通信信道的传播特性Ø自由空间信道自由空间信道Ø多径信道多径信道Ø加性噪声信道加性噪声信道第二章  无线传感器网络物理层设计      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•无线传感器网络物理层信道特性——传播第二章  无线传感器网络物理层设计      根据弗利斯（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考虑到电磁波在空间传播时，空间并不是理想的（如气候因素），假设由气候影响带来的损耗为Ls，则接收天线接收功率可表示为：接收天线接收功率：损耗：•无线传感器网络物理层信道特性——自由空间第二章  无线传感器网络物理层设计       在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物，如楼房、高大建筑物或山丘等，它们会使电波产生反射、折射或衍射等因此，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•无线传感器网络物理层信道特性——多径传输第二章  无线传感器网络物理层设计对于噪声通信信道，最简单的数学模型是加性噪声信道，如图所示。

图中，传输信号s(t)被一个附加的随机噪声n(t)所污染加性噪声可能来自电子元件和系统接收端的放大器，或传输中受到的干扰，无线传输主要采用这种模型•无线传感器网络物理层信道特性——噪声第二章  无线传感器网络物理层设计 如果噪声主要是由电子元件和接收放大器引入的，则称为热噪声，在统计学上表征为高斯噪声因此，该数学模型称为加性高斯白噪声信道（Additive White Gaussian Noise Channel，AWGN）模型由于该模型可以广泛地应用于许多通信信道，又由于它在数学上易处理，所以这是目前通信系统分析和设计中的主要应用信道模型信道衰减很容易结合进这个模型，当信号遇到衰减吋，则接收到的信号为•无线传感器网络物理层信道特性——噪声第二章  无线传感器网络物理层设计•无线传感器网络物理层设计要点    物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量为了确保网络的平滑性能，该层一般需与介质访问控制（MAC）子层进行密切地交互   物理层设计所需要考虑的要点有：　　　节点的成本要求　　　节点的功耗要求　　　通信速率的要求　　　通信频段的选择　　　编码调制方式的选择　　　物理帧结构　　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设计要点——成本•低成本是无线传感器网络节点的基本要求，只有低成本，才能将节点大量地布置在目标区域内，表现出无线传感器网络的各种优点。

•节点最大限度的集成化设计，减少分立元件是降低成本的主要手段•由于无线传感器网络中大规模的节点布置以及时间同步的要求，使得整个网络对物理层频率稳定度的要求非常高，所以晶体振荡器是物理层设计中必须考虑的一个部件第二章  无线传感器网络物理层设计•无线传感器网络物理层设计要点——功耗•无线传感器网络节点一般都需要几个月的使用寿命，在有的应用中寿命需要达到2～7年，这就要求节点的平均功耗在几个μW•降低收发机电路自身的功耗•物理层调制解调方式的选择第二章  无线传感器网络物理层设计•无线传感器网络物理层设计要点——频率选择 频段的选择是由很多的因素决定的，但是对于无线传感器网络来说，则必须根据实际的应用场合来选择频率的选择直接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的功耗等1）从节点功耗的角度考虑自身能耗、传播损耗与工作频率的关系2）从节点物理层集成化程度、成本的角度来考虑　　 当前频段的选择大都集中在433-464MHz 、902-928MHz以及2.4-2.5GHz ISM波段第二章  无线传感器网络物理层设计•无线传感器网络物理层设计要点——调制方式ØM-ary调调制制方方式式：：相同的码元速率的情况下，M-ary调制方式传输的信息量是二进制调制方式的log2M倍，因此更节省了传输时间，但是其同时指出M-ary调制相对于二进制调制方式实现上更复杂而且抗干扰能力较差，尤其对于功率受限的无线传感器网络节点，M越大误码性能就会越严重。

Ø扩扩频频通通信信调调制制方方式式：可以提供较高的速率，提高信道容量，但是每个节点需要存储通信的PN码，会对有限的存储资源带来一定压力 Ø超超宽宽带带（（UWB））技技术术：是无需载波的调制技术，其超低的功耗和易于集成的特点非常适于WSN短距离通信但是UWB信号接收需要较长的捕获时间，即需要较长的前导码，这将降低信号的隐蔽性，需要MAC层更好的协作Ø协协同同发发射射的的虚虚拟拟MIMO调调制制方方式式：节点之间可以协同传输以达到远距离基站，可以减少或避免多跳损耗，但是这种方式需要精确的同步第二章  无线传感器网络物理层设计•无线传感器网络物理层设计要点——帧结构    典典型型物物理理层层帧帧结结构构（（802.15.4））：物理帧的第一个字段是前导码，其字节数一般取4，收发器在接收前导码期间会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步，当然字节数越多同步可靠性越好，但需要更多的能量消耗接下来的是帧头（start-of-frame delimiter, SFD字段，标示一个物理帧的开始帧长度（frame length）一般由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。

物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元（PHY service data unite,PSDU），一般承载MAC帧 4字节1字节1字节可变长度前导码SFD帧长度（7位）保留位PSDU同步头帧的长度，最大为128字节PHY负载第二章  无线传感器网络物理层设计•无线传感器网络物理层设计要点——已有物理层节点名称μ AMPs -ⅠWeC Mote/ Medusa MK-2/ iBadge/ Mica Mote /EyEsMica 2/GAINSMicaz/Tmote/GAINZ射频前端芯片LMAX3162TR1000CC1000CC2420调制方式GFSKASK/OOKFSKO-QPSK(DS)工作频率(Hz)2.4G 916.5M300 to 1000M2.4G工作电压(V)3.0-5.532.1-3.61.8-3.6发射模式消耗电流50 mA12 mA16.5mA@868MHz,0dBm17.4mA@0dBm接收模式消耗电流27 mA3.8 mA@115.2 kbps  1.8 mA @2.4kbps9.6 mA@ 868MHz19.7 mA传输速率(bps)1MOOK 30k / ASK 115.2k最高可达76.8k250K 发射功率-7.5 dBm0dBm-20 to 10dBm-25 to 0dBm接收机灵敏度-93 dBm-97dBm@115.2 kbps-110 dBm@2.4 kBaud-94 dBm@250 kBaud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设计要点——小结Ø目前，WSN 物理层协议的研究还处于初级阶段， 在硬件和软件方面都还需要做进一步的研究。

Ø硬件方面：目前的WSN节点在体积、成本和功耗上与其广泛应用的标准还存在一定的差距，缺乏小型化、低成本、低功耗的片上系统（system on chip：SOC）实现；Ø软件方面：WSN 物理层迫切需要符合其特点和要求的简单的协议、算法设计，特别是低功耗高效的调制解调技术第二章  无线传感器网络物理层设计。