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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,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。,学习导航,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。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
2、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,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。,在无线通信系统中，频率波段的选择非常重要。由于6 GHz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,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
3、理机构对无线电频段的划分如所示。,表2-1 频段划分及主要用途,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。,表2-2 波段频率说明,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。,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
4、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,2.3.1 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。,图2-1 自由空间信道模型,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4d2的球面的单位面积)的发射功率密度为P0： (2-1)式中，Pt/P0=4d2，称为传播因子。,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
5、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,(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),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
6、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),收、发天线之间的损耗L可以表示为 (2-7),2.3.2 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。,图2-2 无线多径传输示意图,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。,图
7、2-3 造成多径传播的原因,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。,2.3.3 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
8、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。,图2-4 加性噪声信道数学模型, 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。,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
9、道中的衰减因子，接收到的信号为 (2-8),2.3.4 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1 m；n的取值与传输环境有关。,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1 m40 m时n取12。 (2-10),调制与解调是为了能够在可容忍的天线长
10、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,2.4.1 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。,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)
11、,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。,2.4.2 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
12、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。,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j，调制就是要使A、 w或j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。,图2-5 ASK调制电路结构图,1. 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
13、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。,图2-6 ASK调制波形图,2. 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， ， )。,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
14、d(t)为数字信号。,图2-7 2FSK信号产生原理框图,图2-8 2FSK调制波形图,3. 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(2400 b/s4800 b/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。,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，另一个达到负最大值，则称为“反相”。一般把360作为信号振荡的一个周期。如果一个波和另一个波在同一时刻相比相差半个周
15、期，此时两个波的相位差为180，即反相。当传输数字信号时，0控制发同相相位，1控制发反相相位。以2PSK(二进制PSK)调制为例，载波相位只有0和两种取值，分别对应调制信号的0和1。,传送信号1时，发起始相位为的载波；当传送信号0时，发起始相位为0的载波。2PSK的调制原理如图2-9所示，调制波形图如图2-10所示，其中d(t)为数字信号。,图2-9 2PSK的调制原理,图2-10 2PSK调制波形图,2.4.3 UWB通信技术超宽带(Ultra Wide Band，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，是一种可实现短距离高速信息传输的技术，主要应用于无线USB和音频/视频
16、传输。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速通信最具潜力的技术之一。美国联邦通信委员会(FCC)对UWB的定义为：信号带宽大于500 Hz，或带宽与中心频率之比大于25%的带宽为超宽带。,信号带宽和中心频率之比表达式为 (2-14)式中，fc为带宽与中心频率之比，fH为系统最高频率，fL为系统最低频率。FCC还规定，UWB无线通信的频率范围是3.1 GHz10.6 GHz。,UWB的收发机与传统的无线收发机相比结构相对简单。UWB发射机直接发送纳秒级脉冲来传输数据而不需要使用载波电路，经调制后的数据与“伪随机码产生器”生
17、成的伪随机码一起送入“可编程时延电路”，“可编程时延电路”产生的时延控制“脉冲信号发生器”的发送时刻。UWB发射机框图如图2-11所示。,图2-11 UWB发射机框图,在接收端采用相关器进行接收，如图2-12所示为UWB接收机框图，其中虚线部分为相关器。相关器由乘法器、积分器和取样/保持三部分电路组成。,图2-12 UWB接收机框图,相关器用特定的模板波形与接收到的射频信号相乘，再积分得到一个直流输出电压。接收机的基带信号处理器从取样/保持电路中解调数据，基带信号处理器的输出控制可编程时延电路，为可编程时延电路提供定时跟踪信号，保证相关器正确解调出数据。与传统的窄带收发信机相比，UWB技术具有
18、以下优点： 占有频带宽，传输速率高。UWB使用的带宽在1 GHz以上，数据传输率高，目前在10 m范围内其传输速率可以达到420 Mb/s。, 保密性好。UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，对于一般的通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，用传统的接收机无法接收。 抗多径衰落。UWB每次发射的脉冲时间短，当发射波来时已经接受完毕，因此抗多径衰落能力较强。 无载波通信，功耗低，收发设备简单。采用纳秒级脉冲宽度的周期性非正弦高斯短脉冲信号传输信息，,通信设备使用小于1 mW的发射功率就能实现通信，不需要上、下
19、变频器，功率放大器和混频器，接收端无需中频处理，因此相对于传统的窄带信号来说简化了收发设备。,2.4.4 扩频通信1. 概述扩频通信是将待传送的信息数据经伪随机编码扩频处理后，再将频谱扩展了的宽带信号在信道上进行传输；接收端则采用相同的编码序列进行解调及相关处理，恢复出原始信息数据。典型的扩频收发机结构如图2-13所示。,图2-13 扩频收发机结构图,扩频通信的理论基础是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引申而来的，如信息论中的香农公式为 (2-5),式中，C是信道容量，B是信号频带宽度，S是信号功率，N是加性噪声功率，S/N是信噪比。由式(2-15)可知，在给定的传输速率C不变的条件下，频带宽
20、度B和信噪比S/N是可以互换的，即通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比(S/N)下传输信息。,2. 特点扩频通信相比于窄带通信方式，主要特点包括以下两点： 信息的频谱在扩展后形成宽带进行传输。 信息的频谱经过相关处理后恢复成窄带信息数据。由于这两大特点，使扩频通信具有以下优点：抗干扰、抗噪声、抗多径干扰、保密性好、功率谱密度低、具有隐蔽性和低的截获概率、可多址复用和任意选址以及易于高精度测量等。,3. 分类按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为以下几类： 直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)工作方式，简称直扩(DS)方式。 跳变
21、频率(Frequency Hopping)工作方式，简称跳频(FH)方式。, 跳变时间(Time Hopping)工作方式，简称跳时(TH)方式。 宽带线性调频(Chirp Modulation)工作方式，简称Chirp方式。 混合方式，即在几种基本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。直接序列扩频和跳频扩频是使用最广的两种方式。,物理层(Physical Layer，PHY)的主要功能是在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流。它为链路层提供的服务包括：物理层连接的建立、维持与释放，物理服务数据单元的传输，物理层管
22、理，数据编码。,2.5 物理层设计,2.5.1 相关概念1. 服务原语无线传感器网络协议栈是一种分层结构，第N层向第N+1层提供一组操作(也叫服务)，这种操作叫做服务原语，它一般通过一段不可分割的或不可中断的程序实现其功能。第N+1层调用第N层提供的服务原语以实现层和层之间的信息交流。,注意 这里要区分“服务原语”和“协议”的区别：“协议”是两个需要通信的设备在同一层之间如何发送数据、如何交换帧的规则，是“横向”的；而“服务原语”是“纵向”的层和层之间的一组操作。,2. 服务访问接口服务访问接口(Service Access Point，SAP)是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。这里所说
23、的接口是指不同功能层的通信规则。服务访问接口是通过服务原语实现的，其功能是为其他层提供具体服务的。物理层服务访问接口是通过射频固件和硬件提供给MAC层与无线信道之间的接口。,2.5.2 帧结构物理层数据帧称为物理层协议数据单元(PHY Protocol Data Unit)。无线传感器网络物理层数据帧结构目前还没有一个统一的标准，目前最广泛使用的无线传感器网络的物理层和MAC层协议为IEEE802.15.4标准协议，其物理层数据帧结构如图2-14所示，由同步头、物理帧头和PHY负载构成。,图2-14 物理层帧结构,同步头包括前导码和帧起始分隔符(Start-of-Frame Delimiter
24、，SFD)，物理帧头包括帧长度和保留位，PHY负载包括物理服务数据单元(PHY Service Data Unit，PSDU)。 前导码由4个字节的0组成，用于收发器进行码片或者符号的同步。 帧起始分隔符(SFD)域由1个字节组成，表示同步结束时，数据包开始传输。 帧长度由7位组成，表示物理服务数据单元的字节数。, PSDU域是变长的，携带PHY数据包的数据，包含介质访问控制协议(MAC)数据单元。PSDU域是物理层的载荷。,2.5.3 物理层功能802.15.4标准的物理层所实现的功能包括数据的发送与接收、物理信道的能量检测、射频收发器的激活与关闭、空闲信道评估、链路质量指示和物理层属性参数
25、的获取与设置。这些功能是通过物理层服务访问接口来实现的。物理层主要有两种服务接口：物理层管理实体服务访问接口(PLME-SAP)和物理层数据实体服务访问接口(Phy Data SAP，PD-SAP)。PLME-SAP除了负责在物理层和MAC层之间传输管理服务之外，,还负责维护物理层PAN信息库(PHY PIB)；PD-SAP负责在物理层和MAC层之间提供数据服务。PLME-SAP和PD-SAP通过物理层服务原语实现物理层的各种功能，如图2-15所示。,图2-15 物理层参考模型,1. 数据的发送与接收数据的发送和接收是通过PD-SAP提供的PD-DATA原语来实现物理层与MAC子层的MAC协议
26、数据单元(MAC Protocol Data Unit，MPDU)传输。802.15.4标准专门定义了三个与数据相关的原语：数据请求原语(PD-DATA.request)、数据确认原语(PD-DATA.comfirm)和数据指示原语(PD-DATA.indication)。,数据请求原语由MAC子层产生，主要用于处理MAC子层的数据发送请求。语法如下： PD-DATA.request( psduLength, psdu )其中，参数psdu为MAC层请求物理层发送的实际数据，psduLength为待发数据报文的长度。物理层在接收到该原语的时候，首先会确认底层的射频收发器已置于发送打开状态，然后
27、控制底层射频硬件把数据发送出去。,数据确认原语是由物理层发给MAC子层，作为对数据请求原语的响应。语法如下： PD-DATA.confirm( status )其中，原语的参数status为失效的原因，即参数为射频收发器置于接收状态(RX_ON)或者未打开状态(TRX_OFF)，然后将通过数据确认原语告知上层；否则视为发送成功，即参数为SUCCESS，同样通过原语报告给上层。,数据指示原语主要向MAC子层报告接收的数据。在物理层成功收到一个数据后，将产生该原语通告MAC子层。语法如下： PD-DATA.indication( psduLength, psdu, ppduLinkQuality
28、),其中，参数PsduLength、psdu、ppduLinkQuality分别为接收到的数据长度、实际数据和根据PPDU测得的链路质量(LQI)。其中LQI与数据无关，是物理层在接收当前数据报文时链路质量的一个量化值。上层可以借助这个参数进行路由选择。,2. 物理能量信道的检测协调器在构建一个新的网络时，需要扫描所有信道(在MAC层称做ED_SCAN)，然后为网络选择一个空闲的信道，这个过程在底层是借助物理信道能量检测来完成的。如果一个信道被别的网络占用，那么体现在信道能量上的值是不一样的。802.15.4标准定义了与之相关的两个原语：能量检测请求原语(PLME_ED.request)和能量
29、检测确认原语(PLED-ED.confirm)。,能量检测请求原语由MAC子层产生，为一个无参的原语。语法为：PLME-ED.request()。收到该原语后，如果设备处于接收使能状态，PLME就指示物理层进行能量检测(ED)。能量检测确认原语由物理层产生，物理层在接收到能量检测原语后把当前信道状态以及当前信道的能量值返回给MAC子层。语法如下：,PLME-ED.confirm( status, Energy Level )其中，状态参数status将指示能量检测失败的原因(TRX_OFF或TX_ON)，如果设备处于收发关闭状态(TRX_OFF)或发送使能状态(TX_ON)，则无法进行能量检测
30、。在具体实现中，一般射频芯片会使用特定的寄存器存放当前的信道状态以及信道的能量值。,3. 射频收发器的激活与关闭为了满足低功耗要求，在不需要无线数据收发时，可以选择关闭底层射频收发器。802.15.4标准定义了相关的两个原语：收发器状态设置请求原语(PLME-SET-TRX- STATE.request)和收发器状态设置确认原语(PLME-SET-TRX-STATE.confirm)。收发器状态设置请求原语由MAC子层产生。语法如下： PLME-SET-TRX-STATE.request( status ),其中，参数status为需要设置的目标状态，包括射频接收打开(RX_ON)、发送打开(
31、TX_ON)、收发关闭(TRX_OFF)和强行收发关闭(FORCE_TRX_OFF)。物理层在接收到该原语后，将射频设置为对应的状态，并通过设置确认原语返回。语法如下： PLME-SET-TRX-STATE.confirm( status )其中，参数status的取值为SUCCESS、RX_ON、TRX_OFF、TX_ON、BUSY_RX或BUSY_TX。,4. 空闲信道评估(Clear Channel Assessment，CCA)由于802.15.4标准的MAC子层采用的是CSMA/CA(载波侦听多路访问/冲突避免)机制(详见3.1.1节)访问信道，需要探测当前的物理信道是否空闲，物理层
32、提供的CCA检测功能就是专门为此而定义的。定义的两个与之相关的原语是：CCA请求原语(PLME-CCA.request)与CCA确认原语(PLME-CCA.confirm)。CCA请求原语由MAC子层产生。语法为：PLME-CCA.request()。这是一个无参的请求原语，用于向物理层询问当前的信道状况。,物理层收到该原语后，如果当前的射频收发状态设置为接收状态，将进行CCA操作(读取物理芯片中相关的寄存器状态)。CCA确认原语由物理层产生。语法如下： PLME-CCA.confirm( status )通过CCA确认原语可返回信道空闲或者信道繁忙状态。如果当前射频收发器处于关闭状态或者发送
33、状态，CCA确认原语将对应返回TRX_OFF或TX_ON。,5. 链路质量指示高层的协议往往需要依据底层的链路质量来选择路由，物理层在接收一个报文的时候，可以顺带返回当前的LQI值，物理层主要通过底层的射频硬件支持来获取LQI值。MAC软件产生的LQI值可以用信号接收强度指示器(RSSI)来表示。,6. 物理层属性参数的获取与设置在协议栈里面，每一层协议都维护着一个信息库(PAN Information Base，PIB)用于管理该层，里面具体存放着与该层相关的一些属性参数，如最大报文长度等。在高层可以通过原语获取或者修改下一层信息库里的属性参数。802.15.4物理层也同样维护着这样一个信息
34、库，并提供4个相关原语：属性参数获取请求原语(PLME-GET.request)、属性参数获取确认原语(PLME-GET.confirm)、属性参数设置请求原语(PLME-SET.request)、属性参数设置确认原语(PLME-SET.confirm)。,2.5.4 成本及功耗无线传感器网络物理层设计中，仍然需要考虑以下两个方面的因素。1. 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，才能将大量的节点布置在目标区域内，表现出无线传感器网络的各种优点。物理层的设计直接影响到整个网络的硬件成本。节点最大限度地集成化设计、减少分离元件是降低成本的主要手段。天线和电源的集成化设计目前仍然是
35、非常有挑战性的研究工作。,随着CMOS工艺技术的发展，数字单元基本上已完全可以基于CMOS工艺实现，并且体积也越来越小。但是模拟部分，尤其是射频单元的集成化仍需要占用很大的面积，所以尽量靠近天线的数字化射频收发器的研究是降低当前通信前端电路成本的主要途径。,2. 功耗低功耗是无线传感器网络物理层设计的另一重要指标。如果要求无线传感器网络节点寿命更长，就要求节点的平均能耗越低。物理层调制解调方式的选择直接影响了收发机的结构，也就决定了通信前端电路固定功耗。所以选择合适的调制解调方法可以有效地降低功耗。,物理层实体主要包括基带处理电路、射频前端电路、传输媒质。由于实际电子器件的非线性特性和媒质随周
36、围环境的时变性，使得物理层非理想现象给无线传感器网络带来了额外的能量开销，这些能量开销在整个无线传感器节点的能量消耗中占非常大的比重，所以物理层非理想特性的研究对无线传感器网络节能方面有着重要的意义。,2.6 非理想特性,2.6.1 来源对于实际的无线传感器节点平台，物理层非理想特性具体表现为无线信号传输的不规则性、较长的电路转换时间以及较低的性能。1. 无线传输的不规则性由T.He等人提出的DOI(Degree of Irregularity，不规则度)模型描述了无线传输的不规则性。该模型的思想是将传输的范围分为两个边界，即上边界和下边界，如图2-16所示，虚线分别表示上、下边界。,图2-1
37、6 DOI模型,DOI模型分为如下三种情况： 接收点与发送点的距离大于上边界，此时所有节点都不在通信范围之内，接收方将接收不到数据，此时没有通信。 接收点与发送点的距离小于下边界，此时所有节点都在传输范围之内，接收方将会接收到可靠的数据。此时传输链路可以认为是对称传输(双向传输)的。, 接收点与发送点的距离位于上、下边界之间，接收性能将取决于不同方向的实际信号强度，有可能是对称链路也有可能是非对称链路(即有可能是单向传输)。此时传输链路是不规则传输。如图2-17所示，当DOI=0时，传输链路是对称的，此时传输是规则的；当DOI=0.02时，传输链路明显显示出不规则形状。,图2-17 不规则传输
38、DOI模型,2. 较长的电路转换时间及较低的性能物理层天线的非匹配以及连接线路的损耗都会带来额外的能量损失，如图2-18所示。所以必须确定天线的阻抗与馈线传输线的阻抗相匹配，以减少额外能量的损失。,图2-18 非匹配及连接线路引起的能量消耗,收发天线的极化方向性偏差也是引起非理想特性的一个重要原因，接收天线不仅和距离有关，和天线的极化方向关系也有很大关系。如图2-19所示，天线极化方向的场强不同，所引起的接收模式的效率也不同。,图2-19 极化引起的接收模式效率的变化,在实际应用中，电池的能量变化对实际的发射功率的影响也比较大，如图2-20所示。电池对传输性能的影响为，当电池的电量为1.32
39、V时，接收机可收到的信号强度为-58.5 dBm；当电池消耗到1.18 V时，接收到的信号强度就衰落到-59.5 dBm。,图2-20 电池引起的不规则传输,2.6.2 影响无线传输的不规则性不可避免地造成了传输链路的非对称性，对MAC层和路由层有着不同程度的影响。1. 对MAC层的影响对于很多基于竞争的MAC协议(见3.2节)，基本上都建立在可靠的CSMA及RTS/CTS基础上。无线传输的不规则性增大了载波侦听协议中数据收发冲突的概率，如图2-21所示。,这是一个MAC层载波侦听的模型，节点A向节点B发送数据，节点C不在节点A的通信范围之内，所以节点C不能收到节点A发送的信号指令。如果在节点
40、A向节点B发送数据的同时，节点C也向节点B发送数据，这样就在节点B发生冲突。如果传输是规则的(即对称的)，节点C能收到节点A发送的信号指令，就不会出现以上的冲突。以RTS/CTS握手信号为基础的MAC协议中也存在类似的问题，如图2-22所示。,图2-21 对MAC载波侦听的影响,图2-22 对MAC握手信号的影响,节点A向节点B发送RTS信号，节点B在接收到RTS信号后返回CTS作为回应，网络中所有接收到CTS信号的节点在节点A向节点B发送数据期间都将不会向节点B发送数据。由于无线传输的不规则性，节点C接收不到节点B发送的信号，但是节点B可以接收到节点C发送的信号。所以节点C在节点A和节点B通
41、信期间向节点B发送信号，也会给节点B带来冲突。,2. 对路由层的影响物理层非理想特性对路由层的影响表现在反向路径和邻居发现。由于无线传输的不规则性，使得反向路径技术的路由协议在反向链路可能会出现断链问题，如图2-23所示。,图2-23 对反向路径的影响,源节点A到目的节点D建立一条路径，反向路径技术要求在目的节点D到源节点A反向再建立一条反向链路。由于无线传输的不规则性，在中间节点B和C之间，节点C可以接收节点B发来的信号，但是节点B却接收不到节点C的信号，因此造成了反向路径技术中反向链路的断链。邻居发现技术是基于地理位置路由协议的关键技术。但是如果链路出现非对称性，会使得路由表出现死区，如图
42、2-24所示。,图2-24 对邻居路由的影响,节点A首先广播信标帧(Beacon)建立自己的路由表，然后在这个路由表的其他节点可以发送数据到节点A。由于无线传输的非对称性，节点D可以接收到节点A的Beacon，成为节点A的邻居节点，但是节点A接收不到节点D发送的数据。如果节点D不尝试加入其他的路由表，将会陷入死区。,射频前端是无线传感器网络节点物理层的重要单元之一，是影响无线传感器网络节点能耗的主要模块。一般情况下，射频前端集成在射频芯片中。射频前端功耗是无线传感器网络重要的研究方向之一。,2.7 射频前端分析,2.7.1 射频前端功耗无线传感器网络节点的射频前端由发射单元和接收单元组成。发射
43、接收单元一般主要由功率放大器、混频器、低噪声放大器、锁相环PLL、调制解调器和滤波器组成，如图2-25所示。,图2-25 发送/接收单元结构图,其中各部分的功能如下： 功率放大器：射频通信前端主要功耗模块之一，其主要作用是将输入信号进行放大。假设功率放大器效率为，输出功率为Pout，则功率放大器的平均功率为，其中Ppa为功率放大器的平均功率。 混频器(Mixer)：射频前端非常重要的部件之一，其功能是将接收的信号与本振产生的信号混频，产生中频信号。其性能直接影响接收机的接收性能。,低功耗和高线性度是混频器设计的主要指标。混频器平均功率Pmixer可以表示为，其中Gmixer是混频器的增益；Pm
44、ixer是混频器噪声系数；Kmixer是比例系数，与混频器的具体结构有关。 低噪声放大器(LNA)：和混频器一样是射频前端的重要部件之一，其作用是在输出端获得最大可能的信噪比，直接影响接收机的接收性能。低噪声、低功耗、高线性度是低噪声放大器的设计目标。消耗功率主要与功率增益和噪声系数有关。,低噪声放大器的平均功率可表示为，其中Glna是放大器功率增益；Flna是放大器噪声系数；Klna是比例系数，与放大器的具体结构有关。 锁相环(PLL)型的频率合成器：主要包括鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、低通滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)和分频器(FDIV)。其消耗的平均功率Ppll为各个部件
45、平均功率之和，即，其中Ppfd、Pcp、Plf、Pfdiv、Pvco分别为鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、分频器和压控振荡器消耗的平均功率。,因为无线传感器网络节点所需的休眠、接收、发送、侦听状态的频率不同，主要由锁相环结构的频率合成器来切换所需的不同频率，这样就产生一个切换状态所需的时间Tsw，这个时间直接影响射频前端的功耗。 调制解调器和滤波器，它们产生的平均功率分别是和。由以上分析知： 发送或者接收单元部分的总功耗Ptx/rx为各个模块的平均功耗之和，即Ptx/rx=Ppa+Pmixer+Plna+Ppll+Pdemod+Pfilt。, 发送/接收单元消耗的总功耗，其中，为发送/接收单元
46、工作时间，主要由数据包包长 和传输速率R来决定，即。,2.7.2 低功耗设计由对射频前端功耗的分析可知，发送/接收单元模块消耗的平均功率基本上都与各个模块的结构有关，并且注意到可以对状态切换时间Tsw、发送/接收数据包包长Ltx/rx和传输速率进行优化。所以通信前端设计过程中必须对载波频率、传输距离、能耗、误码率、发送功率、传输速度、接收机的灵敏度等电路指标进行综合考虑。在射频前端低功耗设计过程中需要注意以下几个方面：, 射频前端的工作模式(休眠、空闲、接收、发射、数据侦听)：节点射频前端工作单元没必要时刻保持在工作状态，当无数据发送、接收以及转发时，网络中的节点自动调整为休眠状态。 数据包长
47、度、状态切换时间的调整：传输包较长时状态切换时间对能耗的影响较小，但是过大的数据包长度将会增大误码重传的概率，所以将数据包长度和状态切换时间调整为最佳状态能有效降低射频前端的能耗。, 尽量提高数据传输速率，以降低传输时间，从而降低电路的能耗。 频率及调制解调方法的选择。 采用直接序列扩频(DSSS)技术，使用相同的包结构降低作业周期，进行低功耗的运作。,通过本章的学习，学生应该掌握： 无线频段分为甚低频、低频、中频、高频、甚高频、超高频、微波。 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。 模拟调制是对载波信号的某些参量进行连续调制。调制方式分为AM、FM、PM。,小结, 数字调制是把基带信号以一定方式调制到载波上进行传输的技术。调制方式分为ASK、FSK和PSK。 扩频通信方式有DS、FH、TH和Chirp。 物理层帧由同步头、帧的长度和PHY负载构成。 无线信号传输的不规则性和电路转换时间以及低效率的接收是引起物理层非理想特性的来源。 射频前端的优化要对射频前端电路的实际参数进行设计。 载波频率、传输速率、误码率、能耗、发送功率是低功耗设计的基本要求。,
