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1、物理層協(xié)議4.1 概述 4.1 概述 Lan F. AkyildizD 提出了WSN協(xié)議棧的五層模型,分別對(duì)應(yīng)OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。 物理層物理層為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及互連設(shè)備,為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。物理層物理層的媒體包括同軸電纜、光纖、無(wú)線信道等。通信用的互連設(shè)備指DTE和DCE間的互連設(shè)備。DTE既數(shù)據(jù)終端設(shè)備,又稱(chēng)物理設(shè)備,如計(jì)算機(jī)、終端等都包括在內(nèi)。而DCE則是是數(shù)據(jù)通信設(shè)備或電路連接設(shè)備,如調(diào)制解調(diào)器等。數(shù)據(jù)傳輸通常是是經(jīng)過(guò)DTEDCE,再經(jīng)過(guò)DCEDTE的路徑。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送與

2、接收,是決定WSN的節(jié)點(diǎn)體積、成本以及能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是WSN的研究重點(diǎn)之一 。4.1 概述 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗的影響: Deborah Estrin 在Mobicom 2002 會(huì)議的特邀報(bào)告(Wireless Sensor Networks,Part IV:Sensor Networks Protocols )中所述傳感器節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗的情況,從圖 可知,傳感器節(jié)點(diǎn)的大部分能量消耗在無(wú)線通信模塊 。4.2 頻段分配4.2 頻段分配名稱(chēng)甚低頻低頻中頻高頻甚高頻超高頻特高頻極高頻符號(hào)VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF頻率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz

3、3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-30GHz30-300GHz波段超長(zhǎng)波長(zhǎng)波中波短波米波分米波厘米波毫米波波長(zhǎng)1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm傳播特性空間波為主地波為主地波與天波天波與地波空間波空間波空間波空間波主要用途海岸潛艇通信;遠(yuǎn)距離通信;超遠(yuǎn)距離導(dǎo)航越洋通信;中距離通信;地下巖層通信;遠(yuǎn)距離導(dǎo)航船用通信; 業(yè)余無(wú)線電通信;移動(dòng)通信;中距離導(dǎo)航遠(yuǎn)距離短波通信;國(guó)際定點(diǎn)通信電離層散射(30-60MHz);流星余跡通信; 人造電離層通信(30-144MHz); 對(duì)空間飛行體通信;

4、移動(dòng)通信小容量微波中繼通 信;(352-420MHz);對(duì)流層散射通信(700-10000MHz);中容量微波通信(1700-2400MHz)大容量微波中繼通信(3600-4200MHz);大容量微波中繼通信(5850-8500MHz);數(shù)字通信; 衛(wèi)星通信;國(guó)際海事衛(wèi)星通信(1500-1600MHz)再入大氣層時(shí)的通信;波導(dǎo)通信(中國(guó)無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)的設(shè)置)4.2 頻段分頻 ISM波段 ISM波段的特點(diǎn)是無(wú)須申請(qǐng),利于降低成本。內(nèi)容提要4.3 通信信道 4.3 通信信道 4.3.1 自由空間信道 4.3.2 多徑信道 4.3.3 加性噪聲信道 4.3.4 實(shí)際物理信道 4.3.1 自由空間信道

5、Friis傳輸公式: 其中, Pt為天線輻射功率; 稱(chēng)為自由空間傳播損耗(path loss),只與 、d有關(guān)。發(fā)射源接收機(jī)d)()()4(44212212221wLGGPwdGGPdGGPPfstttr圖 4-2 無(wú)線信道傳輸fsL自由空間信道是一種理想的無(wú)線信道,它無(wú)阻擋、無(wú)衰落、非時(shí)變的自由空間傳播信道。4.3.2 多徑信道多徑信道 在超短波、微波波段,電波在傳播過(guò)程中還會(huì)遇到障礙物 ,例如樓房、高大建筑物或山丘等,對(duì)電波產(chǎn)生反射、折射或衍射等,如圖 4- 3。圖 4- 3 造成多徑傳播的原因 4.3.2 多徑信道多徑信道 到達(dá)接收天線的信號(hào)可能存在多種反射波(廣義地說(shuō),地面反射波也應(yīng)包

6、括在內(nèi)),這種現(xiàn)象稱(chēng)為多徑傳播。2212)2()4(4dhhGGdPP rttr地面反射路徑總距離r2視距r1hrht水平距離 d源節(jié)點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)圖 4- 3 two-ray modelrthhd 時(shí)4.3.3 加性噪聲信道加性噪聲信道 如果噪聲主要是由電子元件和接收放大器引入的,則為熱噪聲,統(tǒng)計(jì)學(xué)上表征為高斯噪聲。因此,該數(shù)學(xué)模型稱(chēng)為加性白高斯噪聲信道(AWGN,Additive White Gaussian Noise Channel)模型。因該模型可以廣泛地應(yīng)用于許多通信信道,又由于它數(shù)學(xué)上易處理,所以這是目前通信系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用的信道模型。信道衰減很容易結(jié)合進(jìn)這個(gè)模型,當(dāng)信號(hào)遇到衰

7、減時(shí),則收到的信號(hào)為 r(t)=as(t)+n(t) 式中,a表示衰減因子。 s(t)n(t) ) t (n ) t ( s ) t ( r a 4.3.4 實(shí)際無(wú)線信道 實(shí)際環(huán)境中的無(wú)線信道往往比較復(fù)雜,除了自由空間損耗還伴有多徑、陰影以及多普勒頻移引起的衰落。p 考慮到比自由空間下更強(qiáng)的衰落,采用改進(jìn)的Friss方程: n一般大于2. 衰落分貝表達(dá)式為:p 考慮到障礙物的情況下: 在dB表達(dá)式中模型中加入一均值為0,方差為2的高斯隨機(jī)變量, 等價(jià)于與一個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布相乘,故其對(duì)數(shù)正態(tài)衰落表達(dá)式為:21020)()4(GGdddPPntrdB)(log10)dB()dB(0100XdddPL

8、dPL4.4 調(diào)制與解調(diào) 4.4.1 模擬調(diào)制 4.4.2 數(shù)字調(diào)制 4.4.3 UWB通信技術(shù) 4.4.4 擴(kuò)頻通信4 調(diào)制與解調(diào) 4.1 模擬調(diào)制 基于正弦波的調(diào)制技術(shù)無(wú)外乎對(duì)其參數(shù)幅度A(t)、頻率f(t), 相位(t)的調(diào)整。分別對(duì)應(yīng)的調(diào)制方式為幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)、相位調(diào)制(PM)。 )()(2sin()()(ttftAts4 調(diào)制與解調(diào)圖 4- 7給出了這幾種調(diào)制方式的一般波形圖。 由于模擬調(diào)制自身的功耗較大且抗干擾能力及靈活性差,所以正逐步被數(shù)字式調(diào)制技術(shù)替代。但當(dāng)前,模擬調(diào)制技術(shù)仍在上(下)變頻處理中起著無(wú)可替代的作用。4 調(diào)制與解調(diào)4.2 數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制技術(shù)

9、是把基帶信號(hào)以一定方式調(diào)制到載波上進(jìn)行傳輸。從對(duì)載波參數(shù)的改變方式上可把調(diào)制方式分成三種類(lèi)型:ASK、FSK和PSK。 每種類(lèi)型又有多種不同的具體形式。如正交載波調(diào)制技術(shù)、單邊帶技術(shù)、殘留邊帶技術(shù)和部分響應(yīng)技術(shù)等都是基于ASK的變型。FSK中又分連續(xù)相位(CPFSK)與不連續(xù)相位調(diào)制,以及多相PSK調(diào)制等,或混合調(diào)制如M-QAM,在這些調(diào)制技術(shù)中常用的是多相相移鍵控技術(shù)、正交幅度鍵控技術(shù)和連續(xù)相位的頻率鍵控技術(shù)。 4 調(diào)制與解調(diào) ASK (Amplitude Shift Keying) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn) 對(duì)帶寬的要求小 缺點(diǎn)是抗干擾能力差 FSK (Frequency Shift Keying

10、 ): 相比于ASK需要更大的帶寬 PSK (Phase Shift Keying): 更復(fù)雜,但是具有較好的抗干擾能力 4 調(diào)制與解調(diào)4.2 ASK 4 調(diào)制與解調(diào)4.2 FSKFSK調(diào)制是使用兩個(gè)頻點(diǎn)攜帶信息的技術(shù),其表達(dá)式如下所示。根據(jù)調(diào)制波形的相位連續(xù)性又分為CPFSK(相位連續(xù)性FsK)和NCPFSK(相位非連續(xù)性FsK)。根據(jù)頻譜再生理論知,連續(xù)性FSK調(diào)制技術(shù)更易于降低碼間干擾(ISI)。在實(shí)現(xiàn)上多用直接調(diào)制VCO的方法,以獲得連續(xù)性FSK信號(hào)。圖4-10給出了連續(xù)性FSK調(diào)制的波形圖。4 調(diào)制與解調(diào) 4 調(diào)制與解調(diào) 4 調(diào)制與解調(diào)各種調(diào)制方式性能比較如表4-4所示4 調(diào)制與解調(diào)

11、各種調(diào)制方式性能比較如表4-4所示4 調(diào)制與解調(diào)各種調(diào)制方式的復(fù)雜度比較如表4-5所示4 4 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào) 4.3 UWB通信技術(shù)通信技術(shù) 超寬帶(Ultra Wide Band:UWB)無(wú)線通信技術(shù)是近年來(lái)備受青睞的短距離無(wú)線通信技術(shù)之一,由于其具有高傳輸速率、非常高的時(shí)間和空間分辨率、低功耗、保密性好、低成本及易于集成等特點(diǎn),被認(rèn)為是未來(lái)短距離高速數(shù)據(jù)通信最具潛力的技術(shù)。依據(jù)FCC對(duì)UWB的定義,UWB信號(hào)帶寬應(yīng)大于500MHz或相對(duì)帶寬大于 0.2。相對(duì)帶寬定義為: 式中, fH和fL為系統(tǒng)最高頻率和最低頻率。 LfHfLf-Hfcf 24 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào) 與傳統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)

12、機(jī)結(jié)構(gòu)相比,UWB 的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。UWB 系統(tǒng)直接通過(guò)脈沖調(diào)制發(fā)送信號(hào)而無(wú)傳統(tǒng)的中頻處理單元,所以該系統(tǒng)可采用軟件無(wú)線電的全數(shù)字硬件收發(fā)結(jié)構(gòu),如圖 4- 13 26 所示。圖 4- 13 UWB收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)圖4 調(diào)制與解調(diào)UWB技術(shù)的優(yōu)點(diǎn): (1) 不需要止弦波調(diào)制和上、下變頻,也不需要本地振蕩器、功放和混頻器等,因此體積相對(duì)較小,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單得多。而且,由于UWB對(duì)信號(hào)的處理只需使用很少的射頻或微波器件,因而射頻前端也比較簡(jiǎn)單,系統(tǒng)頻率的自適應(yīng)能力強(qiáng)。另外,只要能將脈沖發(fā)射機(jī)和接收機(jī)前端集成到一個(gè)芯片上,再加上時(shí)間基和控制器,就可以構(gòu)成一部UWB通信設(shè)備,因此它的成本可以大大降低

13、。 (2)由于UWB信號(hào)采用了跳時(shí)擴(kuò)頻,其射頻帶寬可以達(dá)到1GHz以上,它的發(fā)射功率譜密度很低,信號(hào)隱蔽在環(huán)境噪聲和其他信號(hào)之中,用傳統(tǒng)的接收機(jī)無(wú)法接收和識(shí)別,必須采用與發(fā)端一致的擴(kuò)頻碼脈沖序列才能進(jìn)行解調(diào),因此增加了系統(tǒng)的安全性。4 調(diào)制與解調(diào)UWB技術(shù)的優(yōu)點(diǎn): (3)UWB信號(hào)的衰落比較低,很強(qiáng)的抗多徑衰落能力; (4)UWB信號(hào)的高帶寬帶來(lái)了極大的系統(tǒng)容量,由于UWB無(wú)線電信號(hào)發(fā)射的沖激脈沖占空比極低,系統(tǒng)具有很高的增益和很強(qiáng)的多徑分辨力,所以系統(tǒng)容量比其他的無(wú)線技術(shù)都高; (5)由于UWB信號(hào)的擴(kuò)頻處理增益比較大,即使采用低增益的全向天線,也可使用小于1mW的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)幾千米的通信。

14、如此低的發(fā)射功率延長(zhǎng)了系統(tǒng)電源的使用時(shí)間,非常適合移動(dòng)通信設(shè)備的應(yīng)用。研究表明使用超寬帶的手機(jī)待機(jī)時(shí)間可以達(dá)6個(gè)月,而且低輻射功率可以避免過(guò)量的電磁波輻射對(duì)人體的傷害。4 調(diào)制與解調(diào)UWB兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)共存: 以摩托羅拉(以摩托羅拉(Motorola)為代表的)為代表的DS-CDMA 方案方案 DS-CDMA方案建議采用雙頻帶(3.1-5.15GHz和5.825-13.6GHz ),即在每超過(guò)1 GHz的頻帶內(nèi)用極短的時(shí)間脈沖發(fā)送數(shù)據(jù),其優(yōu)勢(shì)是硬件簡(jiǎn)單,頻譜利用率高 德州儀器(德州儀器(TI)與)與Intel支持的多頻帶支持的多頻帶OFDM 聯(lián)盟聯(lián)盟(MBOA)的的OFDM方案方案 多波段OFDM方

15、案則需建立一個(gè)子信道化UWB系統(tǒng),將分配的頻譜劃分成QPSK-OFDM調(diào)制子頻帶,每個(gè)子頻帶為528MHz,優(yōu)勢(shì)是抗符號(hào)間干擾(Inter-symbol Interference :ISI)能力強(qiáng),但硬件相對(duì)復(fù)雜。 4 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)4.4 擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列)擴(kuò)頻處理后,再將頻譜擴(kuò)展了的寬帶信號(hào)在信道上進(jìn)行傳輸;接收端則采用相同的編碼序列進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理后,恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。4 調(diào)制與解調(diào) 擴(kuò)頻通信的優(yōu)點(diǎn):抗干擾抗噪聲抗多徑干擾具有保密性功率譜密度低具有隱蔽性低的截獲概率可多址復(fù)用和任意選址易于高精度測(cè)量4 調(diào)制與解調(diào) 按照擴(kuò)展頻譜的方式不同

16、,現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為: 直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum:DSSS)工作方式,簡(jiǎn)稱(chēng)直擴(kuò)(DS)方式; 跳變頻率跳變頻率(Frequency Hopping)工作方式,簡(jiǎn)稱(chēng)跳頻(FH)方式; 跳變時(shí)間跳變時(shí)間(Time Hopping)工作方式,簡(jiǎn)稱(chēng)跳時(shí)(TH)方式; 寬帶線性調(diào)頻寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式,簡(jiǎn)稱(chēng)Chirp方式; 混合方式混合方式,即在幾種基本的擴(kuò)頻方式的基礎(chǔ)上組合起來(lái),構(gòu)成各種混合方式,如DSFH、DSTH、DSFHTH等等。 直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻是當(dāng)前使用最廣的兩種方式,例如IEE

17、E802.15.4定義的物理層中采用的就是直接序列擴(kuò)頻,藍(lán)牙物理層協(xié)議中使用的則是跳頻擴(kuò)頻。4 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào) 直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻(DSSS) 如圖所示為如圖所示為BPSK直接序列擴(kuò)頻器的結(jié)構(gòu)。直接序列擴(kuò)頻器的結(jié)構(gòu)。4 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào) FHSS 如圖所示為跳頻擴(kuò)頻及解擴(kuò)電路結(jié)構(gòu)圖。如圖所示為跳頻擴(kuò)頻及解擴(kuò)電路結(jié)構(gòu)圖。數(shù) 據(jù)調(diào) 制NRZ) t ( d) tcos(P20) t (sd頻 綜碼產(chǎn) 生碼 鐘) t (hT) t (st(a) FH發(fā) 送端框 圖頻率合成器偽隨機(jī)碼產(chǎn)生(a) FH發(fā)送原理框圖(d ) F H 接收 端 框 圖數(shù) 據(jù)調(diào) 制) t ( d頻 綜碼 產(chǎn) 生碼

18、 鐘) t (hR) t ( r) t ( y寬 帶窄 帶頻 率 合成器偽隨機(jī)碼產(chǎn)生(b) FH接收機(jī)原理框圖數(shù)據(jù)解調(diào)4 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào) 以上分別對(duì)窄帶調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)以及UWB技術(shù)進(jìn)行了分析,可以看出各種調(diào)制技術(shù)各有特點(diǎn),如果將各自性能的優(yōu)劣等級(jí)劃分為5(最好)至1(最差)。則三種分類(lèi)的調(diào)制解調(diào)方式性能比較結(jié)果如表4.5 37。分類(lèi)窄帶UWB擴(kuò)頻成本343功耗254低傳輸范圍和低速率354抗干擾能力154抗背景噪聲能力252同步難易度322頻譜利用率245多播能力134表 4- 5 調(diào)制性能比較內(nèi)容提要5. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)

19、要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)物理層當(dāng)前節(jié)點(diǎn)物理層 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的發(fā)展是與當(dāng)前的設(shè)計(jì)工藝水平緊密相連的,隨著最近幾年射頻CMOS工藝的發(fā)展,使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的成本和功耗能夠顯著地降下來(lái), 表 4-6給出了當(dāng)前主要無(wú)線感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理層的主要性能參數(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn) 物理層幀結(jié)構(gòu)物理層幀結(jié)構(gòu) 表 4-7描述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)普遍使用的一種物理層幀結(jié)構(gòu)(802.15.4定義的物理層幀結(jié)構(gòu)),由于還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的物理層結(jié)構(gòu)出現(xiàn),當(dāng)前設(shè)計(jì)基本都是以該物理層幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。如表中所述,物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼,其字節(jié)數(shù)一般取4,

20、收發(fā)器在接收前導(dǎo)碼期間會(huì)根據(jù)前導(dǎo)碼序列的特征完成片同步和符號(hào)同步,當(dāng)然字節(jié)數(shù)越多同步可靠性越好,但需要更多的能量消耗。接下來(lái)的是幀頭(start-of-frame delimiter, SFD字段,標(biāo)示一個(gè)物理幀的開(kāi)始。幀長(zhǎng)度(frame length)一般由一個(gè)字節(jié)的低7位表示,其值就是物理幀負(fù)載的長(zhǎng)度,因此物理幀負(fù)載的長(zhǎng)度不會(huì)超過(guò)127個(gè)字節(jié)。物理幀的負(fù)載長(zhǎng)度可變,稱(chēng)之為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY service data unite,PSDU),一般承載MAC幀。 4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)可變長(zhǎng)度前導(dǎo)碼SFD幀長(zhǎng)度(7位)保留位PSDU同步頭幀的長(zhǎng)度,最大為128字節(jié)PHY負(fù)載表 4- 7 物理

21、層幀結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn) 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。 為了確保網(wǎng)絡(luò)的平滑性能,該層一般需與介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)子層進(jìn)行密切地交互。 物理層需要考慮編碼調(diào)制方式、通信速率和通信頻段等問(wèn)題 。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn) 編碼調(diào)制技術(shù)影響一系列技術(shù)參數(shù):占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)及功率等。 提高數(shù)據(jù)傳輸速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間,有利于節(jié)能,但需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對(duì)誤碼的影響。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn) 頻率的選擇 頻率的選擇是影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能、體積、成本的一個(gè)重要參數(shù)。 (1) 從節(jié)點(diǎn)的功耗的角度節(jié)點(diǎn)自身能耗與傳

22、播損耗與工作頻率的關(guān)系: 傳輸相同的有效距離時(shí),越高頻載波將消耗越多能量; 根據(jù)自由空間無(wú)線傳輸損耗理論也可知,波長(zhǎng)越短其傳播損耗越大; (2)從節(jié)點(diǎn)物理層集成化程度、成本的角度 考慮到低成本的要求,ISM波段無(wú)疑是首要的選擇。 當(dāng)前頻段的選擇大都集中在433-464MHz 、902-928MHz以及2.4-2.5GHz ISM波段。 隨著深亞微米工藝的進(jìn)展,更高的頻率更易于電感的集成化設(shè)計(jì)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn) 當(dāng)前的主要技術(shù)難點(diǎn)當(dāng)前的主要技術(shù)難點(diǎn) (1)成本 物理層的設(shè)計(jì)直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的硬件成本: 天線和電源的集成化設(shè)計(jì)目前仍是非常有挑戰(zhàn)性的研究工作。 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理層頻率穩(wěn)

23、定度的要求非常高,所以晶體振蕩器是物理層設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)部件。晶體振蕩器仍是影響當(dāng)前物理層成本的一個(gè)重要因素。 (2)功耗 要使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命達(dá)27年(電池供電),這就要求節(jié)點(diǎn)的平均能耗在幾個(gè)W,雖然可以采用duty-cycle的工作機(jī)制來(lái)降低平均功耗,但當(dāng)前商業(yè)化通信芯片功耗仍在幾十mW,這對(duì)于能源受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)仍是難以接受的。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn) 最新的實(shí)現(xiàn)方法最新的實(shí)現(xiàn)方法 T. Melly等人基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了433MHz直接下變頻FSK接收機(jī),該接收機(jī)節(jié)省了中頻處理模塊,從而降低了物理層成本和功耗。Y. Chee等人設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于注入鎖定(i

24、njection locking)技術(shù)的OOK射頻前端,發(fā)射機(jī)僅消耗1.9mW(在0dBm)31。 超寬帶(UWB)技術(shù)是一種無(wú)需載波的調(diào)制技術(shù),其超低的功耗和易于集成的特點(diǎn)非常適于WSN短距離通信。鑒于此,PicoRadio課題組的Rabaey 等人開(kāi)展了以UWB為物理層的研究 7 。但是UWB信號(hào)接收需要較長(zhǎng)的捕獲時(shí)間,即需要較長(zhǎng)的前導(dǎo)碼,這將降低信號(hào)的隱蔽性,所以需要MAC層更好的協(xié)作。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計(jì)要點(diǎn) 目前,WSN 物理層協(xié)議的研究還處于初級(jí)階段, 在硬件和軟件方面都還需要做進(jìn)一步的研究14。 硬件方面:目前的WSN節(jié)點(diǎn)在體積、成本和功耗上與其廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的差距

25、,缺乏小型化、低成本、低功耗的片上系統(tǒng)(system on chip:SOC)實(shí)現(xiàn); 軟件方面:WSN 物理層迫切需要符合其特點(diǎn)和要求的簡(jiǎn)單的協(xié)議、算法設(shè)計(jì),特別是調(diào)制機(jī)制。已有學(xué)者提出一種協(xié)同發(fā)射的虛擬MIMO調(diào)制方式,這種方式可以協(xié)同傳輸以達(dá)到遠(yuǎn)距離基站,可以減少或避免多跳損耗,但是這種方式需要精確的同步,不過(guò)隨著MIMO技術(shù)的發(fā)展,尤其空時(shí)編碼技術(shù)的發(fā)展,這種調(diào)制技術(shù)將有非常大的應(yīng)用潛力。內(nèi)容提要6. 物理層非理想特性研究 物理層的實(shí)體主要包括基帶處理電路、射頻前端電路、傳輸媒質(zhì)。由于實(shí)際電子器件的非線性特性和媒質(zhì)隨周?chē)h(huán)境的時(shí)變性,使得物理層存在非理想現(xiàn)象。6.1 物理層非理想特性現(xiàn)象

26、及來(lái)源物理層非理想特性現(xiàn)象及來(lái)源 對(duì)于實(shí)際的節(jié)點(diǎn)平臺(tái),物理層非理想特性可具體表現(xiàn)為:無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)牟灰?guī)則性(Radio Irregularity),較長(zhǎng)的電路轉(zhuǎn)換時(shí)間以及較低的效能。 圖 4- 17描述了由于非匹配以及連接線損耗帶來(lái)額外能量損失。圖 4- 18描述了收發(fā)天線的極化方向性偏差引起的低效率接收。圖 4- 17非匹配及線路引起的能量損耗 圖 4- 18 極化引起的接收效率的變化圖4-19給出了無(wú)線不規(guī)則性傳輸結(jié)果;圖4-20給出了電池對(duì)傳輸性能的影響。 6.2 無(wú)線傳輸不規(guī)則性建模無(wú)線傳輸不規(guī)則性建模 最早對(duì)無(wú)線傳輸?shù)牟灰?guī)則性進(jìn)行建模研究的是T. He 等人 ,提出了DOI(Degr

27、ee of Irregularity)模型 其基本思想:將傳輸?shù)姆秶譃閮蓚€(gè)邊界即上邊界和下邊界(圖中虛線所示), 當(dāng)接收點(diǎn)與發(fā)送者的距離低于下邊界時(shí),接收方將會(huì)可靠地接收到數(shù)據(jù),且傳輸鏈路可認(rèn)為是對(duì)稱(chēng)的; 當(dāng)距離大于上邊界時(shí),接收方就超出了兩點(diǎn)的可能通信范圍; 當(dāng)接收點(diǎn)到發(fā)射方的距離介于上下邊界時(shí),接收性能將取決于不同方向?qū)嶋H的信號(hào)強(qiáng)度,有可能是對(duì)稱(chēng)鏈路也有可能是非對(duì)稱(chēng)鏈路。 6.2 無(wú)線傳輸不規(guī)則性建模 Zhou等人在DOI模型的基礎(chǔ)上 ,通過(guò)基于MICA2節(jié)點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量研究,提出了一種更為精確的RIM(Radio Irregularity Model)模型。 即在無(wú)線傳輸損耗與衰落方程中

28、,引入了方向性損耗系數(shù)Ki,使得接收信號(hào)強(qiáng)度變?yōu)椋?Pr(Received Signal Strength) = Ptx(Sending Power) DOI (Adjusted PathLoss) + Fading其中,DOI (Adjusted Path Loss) = Path Loss Ki ,這里 Ki是不同方向上的損耗系數(shù)。 Ni 360i0 DOIandR1iK0 i ,1iK,6.3 不規(guī)則性對(duì)上層的影響及應(yīng)對(duì)策略 對(duì)對(duì)MAC層的影響層的影響以圖4-22(a)為例,節(jié)點(diǎn)B正給節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù),由于無(wú)線傳輸?shù)牟灰?guī)則性,節(jié)點(diǎn)A偵聽(tīng)不到B發(fā)送的數(shù)據(jù),如果A有包待發(fā)便會(huì)認(rèn)為信道空閑而選擇

29、發(fā)射,這樣就會(huì)在節(jié)點(diǎn)C處產(chǎn)生沖突。圖4-22(b),B點(diǎn)處產(chǎn)生沖突 (a)載波偵聽(tīng)(carrier sensing) (b)握手方式(handshaking) 圖 4- 22 對(duì)MAC層的影響物理層非理想特性研究對(duì)路由層的影響對(duì)路由層的影響 反向路徑(path-reversal )、多輪發(fā)現(xiàn)(multi-round discovery)、鄰居發(fā)現(xiàn)(neighbor discovery)等技術(shù)廣泛地在路由協(xié)議中使用。由于無(wú)線傳輸?shù)姆菍?duì)稱(chēng)性,基于反向路徑技術(shù)的路由協(xié)議在反向鏈路中可能會(huì)出現(xiàn)斷鏈的問(wèn)題,如圖4-23(a)所示。而基于多輪發(fā)現(xiàn)技術(shù)的路由協(xié)議,對(duì)于非對(duì)稱(chēng)性傳輸性能要更好一些,這主要是因?yàn)?/p>

30、多輪嘗試增加了保證鏈路對(duì)稱(chēng)傳輸?shù)母怕?,如圖4-23(b)。鄰居發(fā)現(xiàn)技術(shù)是基于定位路由協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù),但是如果鏈路出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象,將會(huì)使得路由表出現(xiàn)死區(qū),如圖4-23(c)所示,節(jié)點(diǎn)A首先根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播的建立自己的鄰居表,并且鄰居節(jié)點(diǎn)B能夠發(fā)送數(shù)據(jù)到A,但是A發(fā)送的數(shù)據(jù)不能到達(dá)B,如果A不嘗試別的鄰居節(jié)點(diǎn)將會(huì)陷入死區(qū)。 (a) 對(duì)基于反向路徑路由協(xié)議的影響 (b)多輪發(fā)現(xiàn)的路由識(shí)別技術(shù) (c) 對(duì)路由鄰居表的影響圖 4- 23 對(duì)路由層的影響物理層非理想特性研究應(yīng)對(duì)策略應(yīng)對(duì)策略 要解決無(wú)線傳輸不規(guī)則性對(duì)鏈路層、路由層的影響,就應(yīng)該保證鏈路傳輸?shù)膶?duì)稱(chēng)性。一種基本的方法就是采用幾何對(duì)稱(chēng)傳輸機(jī)制(

31、Symmetric Geographic Forwarding : SGF),其基本原理為:在Beacon中加入該節(jié)點(diǎn)所有的鄰居信息,當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)接收到Beacon后,將源節(jié)點(diǎn)寫(xiě)入自己的鄰居表中,并考察自己的ID號(hào)是否在Beacon中。如果在Beacon中,有該節(jié)點(diǎn)的ID號(hào),表示源節(jié)點(diǎn)和該節(jié)點(diǎn)的通信鏈路是對(duì)稱(chēng)的。否則,這條鏈路就被認(rèn)為是非對(duì)稱(chēng)的。 另外一種方法就是采用傳輸距離受限的方式(Bounded Distance Forwarding:BDF),即使得源節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),只與根據(jù)DOI模型確定的內(nèi)環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的交互,這樣就從硬性上保證了鏈路的對(duì)稱(chēng)性。內(nèi)容提要7. 射頻前端功耗分析

32、與低功耗設(shè)計(jì)考慮射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計(jì)考慮 射頻前端是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理層最重要的單元之一,同時(shí)也是影響整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要模塊。深入理解射頻前端電路功耗來(lái)源對(duì)于高效地設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)疑是非常重要的。本小節(jié)在分析了射頻前端的功耗模型的基礎(chǔ)上,對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。 射頻前端收發(fā)機(jī)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。接收機(jī)方案有超外差式接收機(jī)、二次變頻接收機(jī)、零中頻(Zero-IF)接收機(jī)和低中頻(Low-IF)接收機(jī),其結(jié)構(gòu)分別示于圖4-24。發(fā)射機(jī)主要是完成調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波,根據(jù)調(diào)制和上變頻是否合二為一,分為直接變換法和兩步法,其結(jié)構(gòu)分別示于圖4

33、-2513 。圖 4- 24接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖( a.超外差式接收機(jī) b.超再生接收機(jī) c. 低中頻接收機(jī)d. 零中頻或直接下變頻接收機(jī))(a) (b) (c)(d)射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計(jì)考慮射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計(jì)考慮 考慮圖4-24(a)與圖4-25(b)中的實(shí)際物理結(jié)構(gòu),則節(jié)點(diǎn)完成一次收發(fā)過(guò)程(發(fā)送和接收一個(gè)包)消耗的能量可表示為: Etotal=Prx*(Lrx/R+Tsw) +Ptx*(Ltx/R+Tsw)+Ppa*(Ltx/R)=(Ppll+Pfilt+Pmixer+Pdemod+Plna)(Lrx/R+Tsw) + (Ppll+Pfilt+Pmixer+Pmod) (Ltx/

34、R+Tsw)+ Ppa*(Ltx/R) 圖 4-25 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)圖 ( a.兩步法發(fā)射機(jī) b.直接上變頻發(fā)射機(jī) )(b)(a)不失一般性,對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信單元,其工作平均功耗可表示為: )()(swrxrxrxtxoutswtxtxtxcommuTTPMTPTTPME射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計(jì)考慮基于PLL結(jié)構(gòu)的頻率合成器主要包括鑒頻鑒相器 (phase-frequency detector: PFD)、電荷泵 (charge pump: CP )、低通濾波器(low-pass filter: LF)、壓控振蕩器 (voltage controlled oscillator: VCO

35、)以及分頻器 (frequency divider: FDIV),忽略濾波器的功耗,以整數(shù)N型頻率合成器為例,采用CMOS動(dòng)態(tài)功耗估計(jì)理論,則Ppll可以表示為:小信號(hào)放大器的功耗為:混頻器的功耗為:功放的功耗為:基于以上分析則總能耗可表示為: 222220)(pkclcprefddpfdbiaspfdvcofdivvcofdivcppfdpllVLRP *fVCP*fV CCC PPPPPdd)/(*lnalnalnalnaFGkP)/(*mixermixermixemixerFGkPr/outpaPP Etotal =Prx*(Lrx/R+Tsw) +Ptx*(Ltx/R+Tsw)+Ppa

36、*(Ltx/R) =(Ppll+Pfilt+Pmixer+Pdemod+Plna)(Lrx/R+Tsw)+ (Ppll+Pfilt+Pmixer+Pmod) (Ltx/R+Tsw)+ Ppa*(Ltx/R) =(Cfdiv+Cvco)V2dd*fo+Pbias+Pcp+kmixer(Gmixer/Fmixer)+ (kmixer*Gmixer/Fmixer)+ Pdemod)(Lrx/R+Tsw) + (Cfdiv+Cvco)V2dd*fo+ 2CpfdV2dd*fref +Pbias+Pcp +Pfilt+Pmod) )(Ltx/R+Tsw)+ (Pout/)*(Ltx/R) 射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計(jì)考慮射頻前端功耗分析與低功耗設(shè)計(jì)考慮將各單元的功耗參數(shù)列為下表所示將各單元的

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