第2章物理層技術(shù)

1、第2章 物理層通信技術(shù)2.1 物理層技術(shù)概述n網(wǎng)絡(luò)的物理層主要關(guān)心數(shù)字化數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)問題，這個(gè)任務(wù)是由收發(fā)機(jī)來完網(wǎng)絡(luò)的物理層主要關(guān)心數(shù)字化數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)問題，這個(gè)任務(wù)是由收發(fā)機(jī)來完成的。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，主要的挑戰(zhàn)性工作是確定調(diào)制方式和收發(fā)機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，成的。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，主要的挑戰(zhàn)性工作是確定調(diào)制方式和收發(fā)機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，使之具有簡單、低成本、低能耗的特性，并且能夠提供所需要的足夠穩(wěn)健的服務(wù)。使之具有簡單、低成本、低能耗的特性，并且能夠提供所需要的足夠穩(wěn)健的服務(wù)。n由于無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，能量有限，且不易更換。因此，能量效率是由于無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，能量有限，且不易更換。

2、因此，能量效率是無線傳感網(wǎng)無法回避的話題。從最基礎(chǔ)的物理層開始到應(yīng)用層，幾乎所有的通信無線傳感網(wǎng)無法回避的話題。從最基礎(chǔ)的物理層開始到應(yīng)用層，幾乎所有的通信協(xié)議層的設(shè)計(jì)都要考慮到能效因素，保持高能效以延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命是無線傳協(xié)議層的設(shè)計(jì)都要考慮到能效因素，保持高能效以延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命是無線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要前提。無線傳感網(wǎng)使用無線通信，鏈路極易受到干擾，鏈路通信感網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要前提。無線傳感網(wǎng)使用無線通信，鏈路極易受到干擾，鏈路通信質(zhì)量往往隨著時(shí)間推移而改變，因此研究如何保障穩(wěn)定高效的通信鏈路是必要的。質(zhì)量往往隨著時(shí)間推移而改變，因此研究如何保障穩(wěn)定高效的通信鏈路是必要的。n從無線傳感網(wǎng)三層體

3、系結(jié)構(gòu)模型來分析，其上層可采用常見的遠(yuǎn)距無線通信方式，從無線傳感網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)模型來分析，其上層可采用常見的遠(yuǎn)距無線通信方式，包括包括GPRS、EDGE、WiMAX、3G、4G等。其下層大多采用短距通信方式，典等。其下層大多采用短距通信方式，典型的短距無線通信技術(shù)包括藍(lán)牙、型的短距無線通信技術(shù)包括藍(lán)牙、Wi-Fi、IrDA、UWB、ZigBee等。無線傳感網(wǎng)等。無線傳感網(wǎng)大多采用了低功耗的短距通信方式，目前大多采用了低功耗的短距通信方式，目前ZigBee被公認(rèn)為是典型的無線傳感網(wǎng)通被公認(rèn)為是典型的無線傳感網(wǎng)通信技術(shù)，其物理協(xié)議層基于信技術(shù)，其物理協(xié)議層基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。2

4、.2 鏈路特征n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路特性主要從頻率分配、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路特性主要從頻率分配、無線通信信道和調(diào)制解調(diào)技術(shù)三方面進(jìn)行描述。無線通信信道和調(diào)制解調(diào)技術(shù)三方面進(jìn)行描述。2.2.1 通信頻率通信頻率n對于一個(gè)無線通信系統(tǒng)來說，頻率波段的選擇對于一個(gè)無線通信系統(tǒng)來說，頻率波段的選擇非常重要。由于在非常重要。由于在6GHz以下頻段的波形可以以下頻段的波形可以進(jìn)行很好的整形處理，能較容易地濾除不期望進(jìn)行很好的整形處理，能較容易地濾除不期望的干擾信號，所以當(dāng)前大多數(shù)射頻系統(tǒng)都是采的干擾信號，所以當(dāng)前大多數(shù)射頻系統(tǒng)都是采用這個(gè)范圍的頻段。用這個(gè)范圍的頻段。n目前，無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)基本上都是采用無

5、需許目前，無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)基本上都是采用無需許可證的可證的ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）波段，發(fā)射（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）波段，發(fā)射功率要求在功率要求在1W以下。以下。n表表2-1給出了一些常用的給出了一些常用的ISM波段頻率分配。波段頻率分配。頻頻 率率說說 明明13.55313.567MHz26.95727.283MHz40.6640.70MHz433464MHz歐 洲902928MHz美 國2.42.5GHzWLAN/WPAN技術(shù)使用5.7255.875GHzWLAN技術(shù)使用2424.25GHzn選擇頻段時(shí)主要考慮以下兩點(diǎn)。選擇頻段時(shí)主要考慮以下兩點(diǎn)。q（1）在公用的ISM頻段，由于沒有使用限制，

6、任何系統(tǒng)可能會對其它系統(tǒng)使用（在同一頻段內(nèi)使用相同或不同的技術(shù)，）產(chǎn)生噪聲干擾。例如，許多系統(tǒng)共用的2.4GHz的ISM頻段。因此，在這些頻段中的所有系統(tǒng)有強(qiáng)大的防干擾能力。共存需要涉及物理層和MAC層。但要求分配一些特定的適合傳感網(wǎng)的獨(dú)家頻譜是相當(dāng)困難的事情。q（2）在傳輸系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)是天線的效率，其定義為天線輻射功率與總輸入功率之比。外形小巧的無線傳感器節(jié)點(diǎn)期望的只允許采用小型天線。例如，在2.4GHz的無線電波波長為12.5cm，比大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)期望的尺寸要長。在一般情況下，由于天線尺寸小于波長，因此效率會有所降低，必須采取一定措施才能實(shí)現(xiàn)固定的輻射功率。2.2.2 通信信道通

7、信信道n無線傳感網(wǎng)采用無線通信方式，傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息可無線傳感網(wǎng)采用無線通信方式，傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息可以通過各種各樣復(fù)雜的無線方式傳送到目的節(jié)點(diǎn)。以通過各種各樣復(fù)雜的無線方式傳送到目的節(jié)點(diǎn)。n無線信道是無線通信發(fā)送端和接收端之間的通信鏈路，無線信道是無線通信發(fā)送端和接收端之間的通信鏈路，它們是以電磁波的形式在空間傳播，信道的電波傳播它們是以電磁波的形式在空間傳播，信道的電波傳播特性與電波所處的實(shí)際傳播環(huán)境有關(guān)。特性與電波所處的實(shí)際傳播環(huán)境有關(guān)。n以下就從自由空間信道，多徑信道和加性噪聲信道來以下就從自由空間信道，多徑信道和加性噪聲信道來簡要介紹通信信道。簡要介紹通信信道。2.2.2 通信信道通信

8、信道自由空間信道自由空間信道n自由空間信道是自由空間信道是種理想的無線信道，它是無阻擋、無衰落、非時(shí)變的種理想的無線信道，它是無阻擋、無衰落、非時(shí)變的自由空間傳播信道。如圖自由空間傳播信道。如圖2-1所示，假定信號發(fā)射源是一個(gè)點(diǎn)（所示，假定信號發(fā)射源是一個(gè)點(diǎn)（a點(diǎn)），點(diǎn)），天線發(fā)射功率為，則與點(diǎn)天線發(fā)射功率為，則與點(diǎn)a相距相距d的任一點(diǎn)上（相當(dāng)于面積為的球面上）的任一點(diǎn)上（相當(dāng)于面積為的球面上）的功率密度為：的功率密度為：)/(4220mWdPPt圖2-1 無線信道結(jié)構(gòu)2.2.2 通信信道通信信道多徑信道多徑信道n在超短波、微波波段，電波在傳播過程中會遇到障礙物，例如樓房、高層建筑物在超短波、

9、微波波段，電波在傳播過程中會遇到障礙物，例如樓房、高層建筑物或山丘等，將會對電波產(chǎn)生反射、折射、散射或衍射等現(xiàn)象，如圖或山丘等，將會對電波產(chǎn)生反射、折射、散射或衍射等現(xiàn)象，如圖2-2所示。因此，所示。因此，到達(dá)接收天線的信號可能存在多種反射波（廣義地說，地面反射波也包括在內(nèi)），到達(dá)接收天線的信號可能存在多種反射波（廣義地說，地面反射波也包括在內(nèi)），這種現(xiàn)象稱為多徑傳播?？梢杂脠D這種現(xiàn)象稱為多徑傳播?？梢杂脠D2-2表示這一現(xiàn)象。表示這一現(xiàn)象。圖2-2 造成多徑傳播的原因2.2.2 通信信道通信信道多徑信道多徑信道n對于無線傳感網(wǎng)來說，其通信大多是節(jié)點(diǎn)間短距離、低功率傳輸，且一般離地面對于無線傳感

10、網(wǎng)來說，其通信大多是節(jié)點(diǎn)間短距離、低功率傳輸，且一般離地面較近，所以對于一般的場景可以認(rèn)為它主要存在三條路徑：即障礙物反射、直射較近，所以對于一般的場景可以認(rèn)為它主要存在三條路徑：即障礙物反射、直射以及地面發(fā)射。以及地面發(fā)射。n（1）反射與折射：當(dāng)一個(gè)電磁波信號在從一種介質(zhì)）反射與折射：當(dāng)一個(gè)電磁波信號在從一種介質(zhì)A傳播到另一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)B表面時(shí)，表面時(shí)，如果兩種介質(zhì)之間的邊界是平滑的，且介質(zhì)如果兩種介質(zhì)之間的邊界是平滑的，且介質(zhì)B的邊長大大地大于信號波長，則傳的邊長大大地大于信號波長，則傳播信號的一部分會被反射回介質(zhì)播信號的一部分會被反射回介質(zhì)A的現(xiàn)象稱為發(fā)射。另一部分則可能進(jìn)入介

11、質(zhì)的現(xiàn)象稱為發(fā)射。另一部分則可能進(jìn)入介質(zhì)B，稱為發(fā)射波。而其余的部分則被吸收掉。究竟信號的能量有多少被反射、傳播或稱為發(fā)射波。而其余的部分則被吸收掉。究竟信號的能量有多少被反射、傳播或吸收，取決于介質(zhì)體的材料和信號的頻率。吸收，取決于介質(zhì)體的材料和信號的頻率。n（2）散射：當(dāng)信號波傳播碰撞到小于信號波長障礙物時(shí)，如傳播波形碰到一個(gè)）散射：當(dāng)信號波傳播碰撞到小于信號波長障礙物時(shí)，如傳播波形碰到一個(gè)圓的表面時(shí)，則其可能發(fā)生多次反射，并彌散到許多方向。圓的表面時(shí)，則其可能發(fā)生多次反射，并彌散到許多方向。n（3）衍射：依據(jù)惠更斯原理，信號波形上的任意一點(diǎn)可以被認(rèn)為是一個(gè)新的波）衍射：依據(jù)惠更斯原理，信

12、號波形上的任意一點(diǎn)可以被認(rèn)為是一個(gè)新的波源。如果一個(gè)傳播的波形碰到一個(gè)尖銳的邊緣或孔隙時(shí)所發(fā)生的傳播方向彎曲現(xiàn)源。如果一個(gè)傳播的波形碰到一個(gè)尖銳的邊緣或孔隙時(shí)所發(fā)生的傳播方向彎曲現(xiàn)象?？紫对叫?，波長越大，這種現(xiàn)象就越顯著。象?？紫对叫?，波長越大，這種現(xiàn)象就越顯著。2.2.2 通信信道通信信道加性噪聲信道加性噪聲信道n對于噪聲通信信道，最簡單的數(shù)學(xué)模型是加性噪聲信道，如圖對于噪聲通信信道，最簡單的數(shù)學(xué)模型是加性噪聲信道，如圖2-3所示。其中，傳所示。其中，傳輸信號被一個(gè)附加的隨機(jī)噪聲所污染。加性噪聲可能來自電子元件和系統(tǒng)接收端輸信號被一個(gè)附加的隨機(jī)噪聲所污染。加性噪聲可能來自電子元件和系統(tǒng)接收端

13、的放大器，或傳輸中受到的干擾，無線信道傳輸主要采用這種模型。的放大器，或傳輸中受到的干擾，無線信道傳輸主要采用這種模型。圖2-3 加性信道模型n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)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)模型稱為加性白高斯噪聲信道模學(xué)上表征為高斯噪聲。因此，該數(shù)學(xué)模型稱為加性白高斯噪聲信道模型。因該模型可以廣泛地應(yīng)用于許多通信信道，又由于它在數(shù)學(xué)上易型。因該模型可以廣泛地應(yīng)用于許多通信信道，又由于它在數(shù)學(xué)上易處理，所以這是各種通信系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用的信道模型。信處理，所以這是各種通信系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)

14、中主要應(yīng)用的信道模型。信道衰減很容易結(jié)合這個(gè)模型，當(dāng)信號遇到衰減時(shí)，則收到的信號為：道衰減很容易結(jié)合這個(gè)模型，當(dāng)信號遇到衰減時(shí)，則收到的信號為：n （2.8）)()()(tntastr2.2.3 調(diào)制解調(diào)技術(shù)調(diào)制解調(diào)技術(shù)n調(diào)制與解調(diào)是為了能夠在容忍的天線長度內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的調(diào)制與解調(diào)是為了能夠在容忍的天線長度內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無線信息傳輸，在通信系統(tǒng)中有重要的地位。無線信息傳輸，在通信系統(tǒng)中有重要的地位。n從早期的模擬調(diào)制到數(shù)字調(diào)制，再到無需載波的從早期的模擬調(diào)制到數(shù)字調(diào)制，再到無需載波的UWB調(diào)調(diào)制技術(shù)，為了滿足人們對信息交互的日益需求，調(diào)制技術(shù)制技術(shù)，為了滿足人們對信息交互的日益需求，調(diào)制技術(shù)也

15、一直在不斷發(fā)展。也一直在不斷發(fā)展。n本節(jié)主要對基本的調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行簡單的回顧，并對它本節(jié)主要對基本的調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行簡單的回顧，并對它們進(jìn)行簡單對比。由于調(diào)制解調(diào)方式直接決定了收發(fā)機(jī)結(jié)們進(jìn)行簡單對比。由于調(diào)制解調(diào)方式直接決定了收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)、成本和功耗，所以對它們的選擇也是一個(gè)折中的過程。構(gòu)、成本和功耗，所以對它們的選擇也是一個(gè)折中的過程。調(diào)制解調(diào)技術(shù)調(diào)制解調(diào)技術(shù)n1. 模擬調(diào)制模擬調(diào)制:n2.數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制:數(shù)字調(diào)制是把基帶信號以一定方式調(diào)制到載波上進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。從對載波參數(shù)的改變方式上可把調(diào)制方式分成三種類型：ASK、FSK和PSK。每種類型又有多種不同的具體形式。 n3 UWB調(diào)制技術(shù)

16、調(diào)制技術(shù):超寬帶（超寬帶（Ultra wide Band，UWB）無線）無線通信技術(shù)是近年來備受青睞的短距離無線通信技術(shù)之一，由于其具有通信技術(shù)是近年來備受青睞的短距離無線通信技術(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)為是未來短距離高速通信最具潛力的技術(shù)。本及易于集成等特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來短距離高速通信最具潛力的技術(shù)。 3 UWB調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)UWB的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu) UWB的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu) UWB技術(shù)優(yōu)點(diǎn)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)n（1）不需要正弦波調(diào)制和上、下變頻，也不需要本地振蕩器、

17、功放和混頻器等，因此體積）不需要正弦波調(diào)制和上、下變頻，也不需要本地振蕩器、功放和混頻器等，因此體積相對較小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也相對簡單得多。相對較小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也相對簡單得多。n而且，由于UWB對信號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。n（2）由于）由于UWB信號采用了跳時(shí)擴(kuò)頻，其射頻帶寬可以達(dá)到信號采用了跳時(shí)擴(kuò)頻，其射頻帶寬可以達(dá)到1GHz以上，它的發(fā)射功率譜密以上，它的發(fā)射功率譜密度很低，信號隱蔽在環(huán)境噪聲和其他信號之中

18、，用傳統(tǒng)的接收機(jī)無法接收和識別，必須采用度很低，信號隱蔽在環(huán)境噪聲和其他信號之中，用傳統(tǒng)的接收機(jī)無法接收和識別，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。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。n（3）UWB信號的衰落比較低，有很強(qiáng)的抗多徑衰落能力。信號的衰落比較低，有很強(qiáng)的抗多徑衰落能力。n（4）UWB信號的高帶寬帶來了極大的系統(tǒng)容量，由于信號的高帶寬帶來了極大的系統(tǒng)容量，由于UWB無線電信號發(fā)射的沖激脈沖占無線電信號發(fā)射的沖激脈沖占空比極低，系統(tǒng)有很高的增益和很強(qiáng)的多徑分辨力，所以系統(tǒng)容量比其他的無線技術(shù)都高?？毡葮O低，系統(tǒng)有很高的增益

19、和很強(qiáng)的多徑分辨力，所以系統(tǒng)容量比其他的無線技術(shù)都高。n（5）由于）由于UWB信號的擴(kuò)頻處理增益比較大，即使采用低增益的全向天線，也可使用小于信號的擴(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。的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)幾千米的通信。n如此低的發(fā)射功率延長了系統(tǒng)電源的使用時(shí)間，非常適合移動通信設(shè)備的應(yīng)用。有研究表明，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量的電磁波輻射對人體的傷害。4擴(kuò)頻通信技術(shù)擴(kuò)頻通信技術(shù)n擴(kuò)頻調(diào)制是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼（擴(kuò)頻調(diào)制是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼（Pseudo Noise，PN），也稱為噪聲序

20、列或擴(kuò)頻序列（），也稱為噪聲序列或擴(kuò)頻序列（Spread Sequence）擴(kuò)頻處理后，再將頻譜擴(kuò)展了的寬帶信號在）擴(kuò)頻處理后，再將頻譜擴(kuò)展了的寬帶信號在信道上進(jìn)行傳輸。接收端則采用相同的信道上進(jìn)行傳輸。接收端則采用相同的PN序列進(jìn)行解調(diào)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)。一個(gè)典型的擴(kuò)展頻及相關(guān)處理后，恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。一個(gè)典型的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)如圖譜通信系統(tǒng)如圖2-9所示。所示。一個(gè)典型的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)一個(gè)典型的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)n按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為：按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為：q直接序列擴(kuò)頻（Derrect Sequenc

21、e Spread Spectrum，DSSS）工作方式，簡稱直擴(kuò)（DS）方式。q跳頻擴(kuò)頻（Frequency Hopping Spread Spectrum，F(xiàn)HSS）工作方式，簡稱跳頻（FH）方式；q跳時(shí)擴(kuò)頻（Time Hopping Spread Spectrum，THSS）工作方式，簡稱跳時(shí)（TH）方式；q寬帶線性調(diào)頻（Chirp Modulation）工作方式，簡稱Chirp方式；n以及混合方式，即在以上三種基本擴(kuò)頻方式中的兩種或多種組合起來，以及混合方式，即在以上三種基本擴(kuò)頻方式中的兩種或多種組合起來，便構(gòu)成了一些混合擴(kuò)頻方式，如便構(gòu)成了一些混合擴(kuò)頻方式，如FH/DS，DS/TH，F(xiàn)

22、H/TH等。直接序列等。直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻是使用最廣的兩種方式，例如擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻是使用最廣的兩種方式，例如IEEE 802.15.4定義的物理定義的物理層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，層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，下面主要介紹這兩種擴(kuò)頻方式。下面主要介紹這兩種擴(kuò)頻方式。直接序列擴(kuò)頻電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖直接序列擴(kuò)頻電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖 n直接序列擴(kuò)頻（直接序列擴(kuò)頻（DSSS），通常是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端），通常是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端與調(diào)制信號相乘（頻域上的卷積）實(shí)現(xiàn)信號的頻譜擴(kuò)展。而在收端，用與調(diào)制信號相乘（頻域

23、上的卷積）實(shí)現(xiàn)信號的頻譜擴(kuò)展。而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行相關(guān)處理解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行相關(guān)處理解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。在圖中示出了的信息。在圖中示出了BPSK直擴(kuò)系統(tǒng)的框圖。二進(jìn)制數(shù)據(jù)流的經(jīng)過相位直擴(kuò)系統(tǒng)的框圖。二進(jìn)制數(shù)據(jù)流的經(jīng)過相位調(diào)制后與偽隨機(jī)序列相乘，信號帶寬由原來的信號帶寬擴(kuò)展為（擴(kuò)頻碼調(diào)制后與偽隨機(jī)序列相乘，信號帶寬由原來的信號帶寬擴(kuò)展為（擴(kuò)頻碼帶寬）。擴(kuò)頻信號通過信道時(shí)將引入噪聲，在接收端將與本地?cái)U(kuò)頻碼相帶寬）。擴(kuò)頻信號通過信道時(shí)將引入噪聲，在接收端將與本地?cái)U(kuò)頻碼相乘進(jìn)行解擴(kuò)，從而提取出與本地?cái)U(kuò)頻碼相關(guān)的窄帶信息，由于噪聲及干

24、乘進(jìn)行解擴(kuò)，從而提取出與本地?cái)U(kuò)頻碼相關(guān)的窄帶信息，由于噪聲及干擾仍為寬帶信號，所以經(jīng)過帶通濾波器后大部分噪聲、干擾將被濾掉，擾仍為寬帶信號，所以經(jīng)過帶通濾波器后大部分噪聲、干擾將被濾掉，得到信噪比很好的期望信號。得到信噪比很好的期望信號。跳頻擴(kuò)頻方式跳頻擴(kuò)頻方式 n跳頻擴(kuò)頻方式是使偽隨機(jī)序列控制被數(shù)據(jù)調(diào)制的載波中心跳頻擴(kuò)頻方式是使偽隨機(jī)序列控制被數(shù)據(jù)調(diào)制的載波中心頻率在一組頻率中隨機(jī)地跳動。根據(jù)跳頻速率的快慢，可頻率在一組頻率中隨機(jī)地跳動。根據(jù)跳頻速率的快慢，可把跳頻系統(tǒng)分為快跳頻和慢跳頻。根據(jù)相位關(guān)系又把跳頻把跳頻系統(tǒng)分為快跳頻和慢跳頻。根據(jù)相位關(guān)系又把跳頻分為相干跳頻系統(tǒng)。分為相干跳頻系統(tǒng)

25、。 跳頻擴(kuò)頻通信電路結(jié)構(gòu)圖跳頻擴(kuò)頻通信電路結(jié)構(gòu)圖 （a）FH發(fā)射原理圖（b）FH接收機(jī)原理圖2.3 物理層的設(shè)計(jì)n物理層涉及傳輸介質(zhì)、通信頻率、調(diào)制方式以及發(fā)射天線等，本節(jié)重點(diǎn)物理層涉及傳輸介質(zhì)、通信頻率、調(diào)制方式以及發(fā)射天線等，本節(jié)重點(diǎn)介紹傳感網(wǎng)物理層設(shè)計(jì)需要考慮的功耗和成本的相關(guān)問題。介紹傳感網(wǎng)物理層設(shè)計(jì)需要考慮的功耗和成本的相關(guān)問題。n無線傳感網(wǎng)物理層的發(fā)展與當(dāng)前的設(shè)計(jì)工藝水平緊密相連，隨著最近幾無線傳感網(wǎng)物理層的發(fā)展與當(dāng)前的設(shè)計(jì)工藝水平緊密相連，隨著最近幾年射頻年射頻CMOS工藝的發(fā)展，使得無線傳感網(wǎng)物理層的成本和功耗顯著下工藝的發(fā)展，使得無線傳感網(wǎng)物理層的成本和功耗顯著下降，表降，表

26、2-3給出了當(dāng)前主要無線感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)物理層的主要性能參數(shù)。給出了當(dāng)前主要無線感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)物理層的主要性能參數(shù)。表表2-3 目前主要無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)物理層參數(shù)目前主要無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)物理層參數(shù)節(jié)點(diǎn)名稱節(jié)點(diǎn)名稱uAMPs-IuAMPs-IWeC WeC Mote/MedusaMote/Medusa/MK-2/iBadge/MK-2/iBadge/Mica note/EyEsMica note/EyEsMica2/GAINSMica2/GAINSMicaz/TmoteMicaz/Tmote/GAINZ/GAINZ射頻前端芯片射頻前端芯片LMAX3162TR1000CC1000CC2420調(diào)制方式調(diào)制方式GFSK

27、ASK/OOKFSKO-QPSK(DS)工作頻率工作頻率/Hz/Hz2.4G916.5M300M1000M2.4G工作電壓工作電壓/V/V3.05532.13.61.83.6發(fā)射模式消耗電流發(fā)射模式消耗電流/mA/mA501216.5（在868MHz，0dBm）17.4（0dBm）接收模式消耗電流接收模式消耗電流/mA/mA273.8（115.2kb/s）1.8（2.4kb/s）9.6（868MHz）19.7傳輸速率傳輸速率/ /（b/sb/s）1M30k/OOKASK 115.2k最高可達(dá)76.8k250k發(fā)射功率發(fā)射功率/dBm/dBm-7.50-2010-250接收機(jī)靈敏度接收機(jī)靈敏度/

28、dBm/dBm-93-97（115.2kb/s）-110（2.4kBaud）-94（250kBaud）2.3.1 物理層幀結(jié)構(gòu)物理層幀結(jié)構(gòu)4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)可變長度前導(dǎo)碼幀頭幀長度（7bit）保留位PSDU同步頭幀的長度，最大為128字節(jié)PHY負(fù)荷如表2-4所示為無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)普遍使用的一種物理層幀結(jié)構(gòu)。出于目前還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)的物理層結(jié)構(gòu)，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)都是在該物理層的幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的。物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取4，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號的同步。第二個(gè)字段是幀頭，長度通常為1個(gè)字節(jié)，表示同步結(jié)束，數(shù)據(jù)包開始傳輸。幀頭與前導(dǎo)碼構(gòu)成了同步頭。幀長度字段通常由一個(gè)字節(jié)的低

29、7位表示，其值就是后續(xù)的物理層PHY負(fù)載的長度，因此它的后續(xù)PHY負(fù)載的長度不會超過127個(gè)字節(jié)。物理幀PHY的負(fù)載長度可變，被稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHY service Data unit，PSDU)，它攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，PSDU域就是物理層的載荷。2.3.2 物理層設(shè)計(jì)要素物理層設(shè)計(jì)要素n無線通信技術(shù)為無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸和交互提供無線通信技術(shù)為無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸和交互提供了技術(shù)基礎(chǔ)，是無線傳感網(wǎng)中重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。受到了技術(shù)基礎(chǔ)，是無線傳感網(wǎng)中重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。受到傳感器節(jié)點(diǎn)四大受限條件的影響，物理層設(shè)計(jì)主要集中在傳感器節(jié)點(diǎn)四大受限條件的影響，物理層設(shè)計(jì)主要集中

30、在無線通信模塊與功耗方面。無線通信模塊與功耗方面。1.物理層設(shè)計(jì)需求物理層設(shè)計(jì)需求n（1）由于無線傳感網(wǎng)一般運(yùn)行在免許可低功耗頻段，其發(fā)射功率受到法規(guī)的嚴(yán)格限制，通）由于無線傳感網(wǎng)一般運(yùn)行在免許可低功耗頻段，其發(fā)射功率受到法規(guī)的嚴(yán)格限制，通常需要保持較小的發(fā)射。常需要保持較小的發(fā)射。例如，780MHz頻點(diǎn)的最大發(fā)射功率為10dBm。同時(shí)許多應(yīng)用都將大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)于地表或低空物體上，傳感器節(jié)點(diǎn)的天線距地面非常近，由此形成地表傳輸，降低了其通信性能。因而，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的通信能力相對較低。n（2）低成本需要無線通信模塊能夠適應(yīng)低準(zhǔn)確度的晶振，因而如何克服較大的載波頻偏和）低成本需要無線通

31、信模塊能夠適應(yīng)低準(zhǔn)確度的晶振，因而如何克服較大的載波頻偏和采樣頻偏，始終是無線傳感網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中難以解決的問題。采樣頻偏，始終是無線傳感網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中難以解決的問題。n（3）無線傳感網(wǎng)的許多應(yīng)用場景中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，會更多地應(yīng)用到多播和廣）無線傳感網(wǎng)的許多應(yīng)用場景中，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，會更多地應(yīng)用到多播和廣播通信，無線通信技術(shù)必須能夠與上層的協(xié)議棧進(jìn)行配合工作，以降低信息傳輸?shù)墓?。播通信，無線通信技術(shù)必須能夠與上層的協(xié)議棧進(jìn)行配合工作，以降低信息傳輸?shù)墓?。n（4）典型意義上的底層無線傳感網(wǎng)采取自組織網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中不存在主干設(shè)施，因而無法）典型意義上的底層無線傳感網(wǎng)采取自

32、組織網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中不存在主干設(shè)施，因而無法嚴(yán)格區(qū)分上、下行通信鏈路，無法將主要的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到基站端進(jìn)行處理。且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存在嚴(yán)格區(qū)分上、下行通信鏈路，無法將主要的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到基站端進(jìn)行處理。且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存在著能量、計(jì)算能力和存儲容量的限制。著能量、計(jì)算能力和存儲容量的限制。n（5）基于低成本、低功耗、小體積等幾個(gè)方面的考慮，網(wǎng)絡(luò)中的無線傳輸模塊設(shè)計(jì)上不能）基于低成本、低功耗、小體積等幾個(gè)方面的考慮，網(wǎng)絡(luò)中的無線傳輸模塊設(shè)計(jì)上不能夠過于復(fù)雜。因此在無線通信技術(shù)選擇上，信息傳輸特性和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度是兩個(gè)需要著重考夠過于復(fù)雜。因此在無線通信技術(shù)選擇上，信息傳輸特性和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度是兩個(gè)需要著重考慮的因素，信

33、息傳輸?shù)目煽啃?、傳輸距離、傳輸速率與實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度之間可以進(jìn)行折中處理。慮的因素，信息傳輸?shù)目煽啃?、傳輸距離、傳輸速率與實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度之間可以進(jìn)行折中處理。n（6）免許可頻段頻帶范圍受限，存在多種不同無線通信標(biāo)準(zhǔn)之間的無線電干擾問題，無線）免許可頻段頻帶范圍受限，存在多種不同無線通信標(biāo)準(zhǔn)之間的無線電干擾問題，無線傳感網(wǎng)應(yīng)重點(diǎn)解決其網(wǎng)絡(luò)的共存性問題。傳感網(wǎng)應(yīng)重點(diǎn)解決其網(wǎng)絡(luò)的共存性問題。2.物理層設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)物理層設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)n（1）成本）成本q低成本是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基本要求。只有低成本，才能將節(jié)點(diǎn)大量地布置到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)出無線傳感網(wǎng)的各種優(yōu)點(diǎn)。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。節(jié)點(diǎn)

34、最大限度的集成化設(shè)計(jì)，減少分離元件是降低成本的主要手段。天線和電源的集成化設(shè)計(jì)目的仍是非常有挑戰(zhàn)性的研究工作。不過隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展。數(shù)字單元基本已完全由CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，并且體積也越來越小。但是模擬部分尤其射頻單元的集成化設(shè)計(jì)仍需占用很大的芯片面積，所以盡量靠近天線的數(shù)字化射頻收發(fā)機(jī)研究是降低通信前端電路成本的主要途徑。q另外，由于無線傳感網(wǎng)大規(guī)模節(jié)點(diǎn)布置以及時(shí)間同步的要求，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對物理層頻率穩(wěn)定度則要求非常高，般低于5p/m(pages per minite)，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。盡管隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，MEMS諧振器已經(jīng)取得很大的進(jìn)展，但是仍

35、然無法滿足當(dāng)前額定穩(wěn)定度的要求。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。n（2）功耗）功耗q低功耗是無線傳感網(wǎng)物理層設(shè)計(jì)的另一重要指標(biāo)。要使得無線傳感器節(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)uW，雖然可以采用周期休眠的工作機(jī)制來降低平均功耗，但當(dāng)前商業(yè)化通信芯片功耗仍在幾十mW，這對于能源受限的無線傳感器節(jié)點(diǎn)來說仍是難以接受的。由于當(dāng)前射頻前端輻射出去的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于收發(fā)機(jī)電路自身的能量消耗，所以如何有效地降低收發(fā)機(jī)電路自身的功耗是當(dāng)前無線傳感網(wǎng)物理層設(shè)計(jì)需要解決的主要問題之一。q物理層調(diào)制解調(diào)方式的選擇直接影響了收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)，也就決定了通信前端電路的固定功耗。超寬帶

36、（UWB）技術(shù)是一種無需載波的調(diào)制技術(shù)，其超低的功耗和易于集成的特點(diǎn)非常適合短距離通信的無線傳感網(wǎng)使用。但是UWB需要較長的捕獲時(shí)間，即需要較長的前導(dǎo)碼，這將降低信號的隱蔽性，所以需要MAC層更好地協(xié)作。q目前，無線傳感網(wǎng)物理層協(xié)議的研究還處于初級階段，在硬件和軟件方面都還需要做進(jìn)一步的研究。首先，無線傳感網(wǎng)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，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)；其次，無線傳感網(wǎng)物理層迫切需要符合其特點(diǎn)和要求的簡單的協(xié)議、算法設(shè)計(jì)，特別是調(diào)制機(jī)制。已經(jīng)有學(xué)者提出了一種協(xié)同發(fā)射的虛擬MIMO調(diào)制方式，這種方式可

37、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)將會發(fā)揮其巨大的應(yīng)用潛力。2.4 典型的物理層通信技術(shù)n本節(jié)介紹無線傳感網(wǎng)使用的典型物理層通信技術(shù)，包括近本節(jié)介紹無線傳感網(wǎng)使用的典型物理層通信技術(shù)，包括近距離無線通信技術(shù)的距離無線通信技術(shù)的ZigBee技術(shù)、紅外通信技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)、紅外通信技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)、技術(shù)、WI-Fi、UWB通信技術(shù)，以及廣域通信的通信技術(shù)，以及廣域通信的GPRS和和EDGE、WiMax、3G與與LTE（4G）通信技術(shù)。）通信技術(shù)。n2.4.1 近距離無線通信技術(shù)近距離無線通信技

38、術(shù)n2.4.2 廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)2.4.1 近距離無線通信技術(shù)近距離無線通信技術(shù)n近距離通信技術(shù)主要有：近距離通信技術(shù)主要有：qZigBee技術(shù)，q紅外通信技術(shù)q藍(lán)牙技術(shù)qWi-FiqUWB通信技術(shù)。1. ZigBeenZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。主要用于距離短、技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)

39、和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。nZigBee協(xié)議是由協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟制定，該聯(lián)盟成立于聯(lián)盟制定，該聯(lián)盟成立于2001年年8月。月。2002年下半年，英國年下半年，英國Invensys公司、日本公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司共同宣布加入三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司共同宣布加入ZigBee聯(lián)盟，研發(fā)名為聯(lián)盟，研發(fā)名為“ZigBee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。ZigBee聯(lián)盟的目的是為了聯(lián)盟的目的是為了在全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)

40、簡單可靠、價(jià)格低廉、功耗低、無線連接的監(jiān)測和控制產(chǎn)品進(jìn)行合作，并于在全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)簡單可靠、價(jià)格低廉、功耗低、無線連接的監(jiān)測和控制產(chǎn)品進(jìn)行合作，并于2004年年12月發(fā)布了第一個(gè)月發(fā)布了第一個(gè)ZigBee正式標(biāo)準(zhǔn)。正式標(biāo)準(zhǔn)。nZigBee標(biāo)準(zhǔn)以標(biāo)準(zhǔn)以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層及標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層及MAC層為基礎(chǔ)，并對其進(jìn)行了擴(kuò)展，對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和層為基礎(chǔ)，并對其進(jìn)行了擴(kuò)展，對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，定義了一個(gè)靈活、安全的網(wǎng)絡(luò)層，支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在動態(tài)的射頻環(huán)境中提供高可進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，定義了一個(gè)靈活、安全的網(wǎng)絡(luò)層，支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在動態(tài)的射頻環(huán)境中提供高可靠性的無線傳輸

41、。靠性的無線傳輸。nZigBee的通信速率要求低于藍(lán)牙，由電他供電設(shè)備提供無線通信功能，并希望在不更換電池并且不充電的通信速率要求低于藍(lán)牙，由電他供電設(shè)備提供無線通信功能，并希望在不更換電池并且不充電的情況下能正常工作幾個(gè)月甚至幾年。的情況下能正常工作幾個(gè)月甚至幾年。nZigBee支持支持mesh型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？梢员人{(lán)牙設(shè)備大得多，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可支持型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？梢员人{(lán)牙設(shè)備大得多，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，在個(gè)節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信。網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信。nZigBee無線設(shè)備工作在免許可頻

42、段的無線設(shè)備工作在免許可頻段的2.4GHz頻段和頻段和868/915MHz頻段，傳輸距離為頻段，傳輸距離為1075m，具體數(shù)值，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境以及特定應(yīng)用條件下的傳輸功耗。取決于射頻環(huán)境以及特定應(yīng)用條件下的傳輸功耗。nZigBee物理層規(guī)范均基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，對于不同頻段的物理層，其碼片的調(diào)制方式各不相同。物理層規(guī)范均基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，對于不同頻段的物理層，其碼片的調(diào)制方式各不相同。ZigBee的通信速率在的通信速率在2.4GHz時(shí)為時(shí)為250kbps，在，在915MHz時(shí)為時(shí)為40kbps，在，在868MH2時(shí)為時(shí)為20kbps。2 紅外通信技術(shù)紅外通信技術(shù)n紅外通信技術(shù)是一

43、種無線通信方式，可以進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的傳輸。紅外線通信技術(shù)適用于低成紅外通信技術(shù)是一種無線通信方式，可以進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的傳輸。紅外線通信技術(shù)適用于低成本、跨平臺、點(diǎn)對點(diǎn)高速數(shù)據(jù)連接，尤其是嵌入式系統(tǒng)。紅外通信技術(shù)主要應(yīng)用于設(shè)備互連，本、跨平臺、點(diǎn)對點(diǎn)高速數(shù)據(jù)連接，尤其是嵌入式系統(tǒng)。紅外通信技術(shù)主要應(yīng)用于設(shè)備互連，還可作為信息網(wǎng)關(guān)。設(shè)備互連后可完成不同設(shè)備內(nèi)文件與信息的交換。信息網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)連接信還可作為信息網(wǎng)關(guān)。設(shè)備互連后可完成不同設(shè)備內(nèi)文件與信息的交換。信息網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)連接信息終端和互聯(lián)網(wǎng)。紅外通信技術(shù)已被全球范圍內(nèi)的眾多軟息終端和互聯(lián)網(wǎng)。紅外通信技術(shù)已被全球范圍內(nèi)的眾多軟/硬件廠商所支持和采用，目前主硬

44、件廠商所支持和采用，目前主流的軟件和硬件平臺均提供對它的支持，紅外通信技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在移動計(jì)算設(shè)備和移動流的軟件和硬件平臺均提供對它的支持，紅外通信技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在移動計(jì)算設(shè)備和移動通信設(shè)備中。通信設(shè)備中。n紅外線傳輸是一種點(diǎn)對點(diǎn)的無線傳輸方式，近距離傳輸，且需要對準(zhǔn)方向，紅外傳輸中間不紅外線傳輸是一種點(diǎn)對點(diǎn)的無線傳輸方式，近距離傳輸，且需要對準(zhǔn)方向，紅外傳輸中間不能有障礙物，幾乎無法控制信息傳輸?shù)倪M(jìn)度。能有障礙物，幾乎無法控制信息傳輸?shù)倪M(jìn)度。n紅外傳輸有一套標(biāo)準(zhǔn)紅外傳輸有一套標(biāo)準(zhǔn)IrDA，IrDA收收/發(fā)組件已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。初始的發(fā)組件已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。初始的IrDA1.0標(biāo)準(zhǔn)制定了一

45、標(biāo)準(zhǔn)制定了一個(gè)串行半雙工的同步系統(tǒng)，傳輸速率為個(gè)串行半雙工的同步系統(tǒng)，傳輸速率為2400115200b/s，傳輸半徑為，傳輸半徑為1m，傳輸角度為，傳輸角度為150300。后來。后來IrDA擴(kuò)展了其物理層規(guī)格，使數(shù)據(jù)傳輸率提升到擴(kuò)展了其物理層規(guī)格，使數(shù)據(jù)傳輸率提升到4Mb/s。PXA27x就使用這就使用這各擴(kuò)展了的物理層規(guī)格。各擴(kuò)展了的物理層規(guī)格。IrPHY定義了定義了4Mbps以下速率的半雙工連接標(biāo)準(zhǔn)。在以下速率的半雙工連接標(biāo)準(zhǔn)。在IrDA物理層中，物理層中，將數(shù)據(jù)通信按發(fā)送速率分為將數(shù)據(jù)通信按發(fā)送速率分為SIR、MIR和和FIR三類。串行紅外（三類。串行紅外（SIR）的速率覆蓋了）的速率覆

46、蓋了RS-232端端口通常支持的速率（口通常支持的速率（9600b/s1152b/s）。）。MIR可支持可支持0.576Mb/s和和1.152Mb/s的速率；高的速率；高速紅外（速紅外（FIR）通常用于）通常用于4Mbps的速率，有時(shí)也用于高于的速率，有時(shí)也用于高于SIR的所有速率。的所有速率。4Mb/s連接使用連接使用4PPM編碼，編碼，1.152Mb/s連接使用歸零連接使用歸零OOK編碼，編碼脈沖的占空比為編碼，編碼脈沖的占空比為0.25。115.2kb/s及以及以下速率的連接使用占空比為下速率的連接使用占空比為0.1875的歸零的歸零OOK編碼。編碼。3. 藍(lán)牙藍(lán)牙n藍(lán)牙（藍(lán)牙（Blue

47、tooth）是一種支持設(shè)備短距離通信（一般）是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動電話、內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡化移無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。加迅速高效，為無線通信拓寬道路。n藍(lán)牙采

48、用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對點(diǎn)及點(diǎn)對多點(diǎn)通信，即在該裝置周圍組成一個(gè)藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對點(diǎn)及點(diǎn)對多點(diǎn)通信，即在該裝置周圍組成一個(gè)“微網(wǎng)微網(wǎng)”，網(wǎng)內(nèi)任何藍(lán)牙收發(fā)器都可與該裝置互通信號。藍(lán)牙工作在全球通用的，網(wǎng)內(nèi)任何藍(lán)牙收發(fā)器都可與該裝置互通信號。藍(lán)牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。其數(shù)據(jù)速率為科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。其數(shù)據(jù)速率為1Mbps。采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。其基帶協(xié)議是電路交。采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。其基帶協(xié)議是電路交換和分組交換的組合。一個(gè)跳頻頻率發(fā)送一個(gè)同步分組，每個(gè)分組占用一

49、個(gè)時(shí)隙，使用擴(kuò)頻技術(shù)也可擴(kuò)展換和分組交換的組合。一個(gè)跳頻頻率發(fā)送一個(gè)同步分組，每個(gè)分組占用一個(gè)時(shí)隙，使用擴(kuò)頻技術(shù)也可擴(kuò)展到到5個(gè)時(shí)隙。同時(shí)，藍(lán)牙技術(shù)支持個(gè)時(shí)隙。同時(shí)，藍(lán)牙技術(shù)支持1個(gè)異步數(shù)據(jù)通道或個(gè)異步數(shù)據(jù)通道或3個(gè)并發(fā)的同步話音通道，或個(gè)并發(fā)的同步話音通道，或1個(gè)同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和個(gè)同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音的通道。每一個(gè)話音通道支持同步話音的通道。每一個(gè)話音通道支持64kb/s的同步話音；異步通道支持最大速率為的同步話音；異步通道支持最大速率為721kb/s，反向應(yīng)答，反向應(yīng)答速率為速率為57.6kb/s的非對稱連接，或者是的非對稱連接，或者是432.6kb/s的對稱連接。依據(jù)發(fā)射輸出電平

50、功率不同，藍(lán)牙傳輸有的對稱連接。依據(jù)發(fā)射輸出電平功率不同，藍(lán)牙傳輸有3種距離等級：種距離等級：Class1為為100m左右；左右；Class2約為約為10m；Class3約為約為2-3m。一般情況下，其正常的工作范。一般情況下，其正常的工作范圍是圍是10m半徑之內(nèi)。在此范圍內(nèi)，可進(jìn)行多臺設(shè)備間的互聯(lián)。半徑之內(nèi)。在此范圍內(nèi)，可進(jìn)行多臺設(shè)備間的互聯(lián)。n藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)包括：藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)包括：采用跳頻技術(shù)，數(shù)據(jù)包短，抗信號衰減能力強(qiáng)；采用跳頻技術(shù)，數(shù)據(jù)包短，抗信號衰減能力強(qiáng)；采用快速跳頻和前向糾錯方案采用快速跳頻和前向糾錯方案以保證鏈路穩(wěn)定，減少同頻干擾和遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的隨機(jī)噪聲影響；以保證鏈路穩(wěn)定，

51、減少同頻干擾和遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的隨機(jī)噪聲影響；使用使用2.4GHzISM頻段，無須申請?jiān)S可頻段，無須申請?jiān)S可證；證；可同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)、音頻、視頻信號；可同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)、音頻、視頻信號；采用采用FM調(diào)制方式，降低設(shè)備的復(fù)雜性。調(diào)制方式，降低設(shè)備的復(fù)雜性。4. Wi-FinWi-Fi是無線保真（是無線保真（wireless fidelity）聯(lián)盟的縮寫。）聯(lián)盟的縮寫。Wi-Fi聯(lián)盟是一個(gè)非營利的國際貿(mào)易組聯(lián)盟是一個(gè)非營利的國際貿(mào)易組織，主要工作就是測試那些基于織，主要工作就是測試那些基于802.11(包括包括11a、11b、11g)等標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備，等標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備，Wi-Fi認(rèn)證認(rèn)證無線互聯(lián)保證。無線互

52、聯(lián)保證。nWi-Fi是是IEEE定義的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.11)。Wi-Fi的最初版本頒布于的最初版本頒布于1997年，其中定義了介質(zhì)訪問接人控制層年，其中定義了介質(zhì)訪問接人控制層(MAC層層)和物理層。物理層定義了工作在和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的的ISM頻段上的兩種無線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞?，?shù)據(jù)傳輸速率設(shè)計(jì)為頻段上的兩種無線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞?，?shù)據(jù)傳輸速率設(shè)計(jì)為2Mbit/s。兩個(gè)設(shè)備之間的通信可以自由直接兩個(gè)設(shè)備之間的通信可以自由直接(Ad Hoc)的方式進(jìn)行，也可以在基站或者訪問點(diǎn)的方式進(jìn)行，也可以

53、在基站或者訪問點(diǎn)(AP，Access Point)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。nWi-Fi的主要特點(diǎn)是傳輸速率高、可靠性高、建網(wǎng)快速便捷、可移動性好、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)彈性化、的主要特點(diǎn)是傳輸速率高、可靠性高、建網(wǎng)快速便捷、可移動性好、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)彈性化、組網(wǎng)靈活、組網(wǎng)價(jià)格較低廉。組網(wǎng)靈活、組網(wǎng)價(jià)格較低廉。nWi-Fi是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，工作在是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，工作在2.4GHz的的ISM頻段，一般頻段，一般Wi-Fi信號信號接收半徑約接收半徑約95米，但會受墻壁等影響，實(shí)際距離會小一些。雖然由米，但會受墻壁等影響，實(shí)際距離會小一些。雖然由Wi-Fi技術(shù)傳輸?shù)臒o線通技術(shù)

54、傳輸?shù)臒o線通信質(zhì)量不是很好，數(shù)據(jù)安全性能比藍(lán)牙差一些，傳輸質(zhì)量也有待改進(jìn)，但傳輸速度非?？?，信質(zhì)量不是很好，數(shù)據(jù)安全性能比藍(lán)牙差一些，傳輸質(zhì)量也有待改進(jìn)，但傳輸速度非?？?，可以達(dá)到可以達(dá)到54Mbps，符合個(gè)人和社會信息化的需求。，符合個(gè)人和社會信息化的需求。Wi-Fi最主要的優(yōu)勢在于不需要布線，可最主要的優(yōu)勢在于不需要布線，可以不受布線條件的限制，因此非常適合移動辦公用戶的需要，并且由于發(fā)射信號功率低于以不受布線條件的限制，因此非常適合移動辦公用戶的需要，并且由于發(fā)射信號功率低于100mW，低于手機(jī)發(fā)射功率，所以，低于手機(jī)發(fā)射功率，所以Wi-Fi上網(wǎng)相對也是最安全健康的。上網(wǎng)相對也是最安全健

55、康的。5. UWB Ultra Widebandn超寬帶超寬帶(UWB)技術(shù)的發(fā)展模式類似技術(shù)的發(fā)展模式類似Wi-Fi，有很長一段時(shí)間被歸類為軍事技術(shù)，超寬帶技術(shù)最初主要應(yīng)用，有很長一段時(shí)間被歸類為軍事技術(shù)，超寬帶技術(shù)最初主要應(yīng)用于高精度雷達(dá)和隱秘通信領(lǐng)域。于高精度雷達(dá)和隱秘通信領(lǐng)域。n商用化商用化UWB是一種短距離、高傳輸速率與低發(fā)射功率的無線通信技術(shù)，目標(biāo)領(lǐng)域?yàn)闊o線個(gè)人網(wǎng)路是一種短距離、高傳輸速率與低發(fā)射功率的無線通信技術(shù)，目標(biāo)領(lǐng)域?yàn)闊o線個(gè)人網(wǎng)路(WPAN)，潛在應(yīng)用為取代個(gè)人網(wǎng)路潛在應(yīng)用為取代個(gè)人網(wǎng)路(PAN)之有線網(wǎng)路，以無線高速方式傳輸資料。之有線網(wǎng)路，以無線高速方式傳輸資料。nUW

56、B技術(shù)適用于近距離無線個(gè)域網(wǎng)應(yīng)用，大體上可分為高速和中低速兩類應(yīng)用領(lǐng)域。高速技術(shù)適用于近距離無線個(gè)域網(wǎng)應(yīng)用，大體上可分為高速和中低速兩類應(yīng)用領(lǐng)域。高速UWB的傳輸速的傳輸速率目前可達(dá)率目前可達(dá)100Mbps1Gbps，傳輸距離可達(dá)，傳輸距離可達(dá)10-30m，屬于高速短距離傳輸；中低速，屬于高速短距離傳輸；中低速UWB傳輸速率一般傳輸速率一般在在2Mbit/s以下，最高不超過以下，最高不超過30Mbit/s，傳輸距離可達(dá)，傳輸距離可達(dá)100m以上，甚至幾公里，屬于中低速中短距離傳輸。以上，甚至幾公里，屬于中低速中短距離傳輸。nUWB技術(shù)還是第四代移動通信技術(shù)技術(shù)還是第四代移動通信技術(shù)(4G)的關(guān)

57、鍵技術(shù)；的關(guān)鍵技術(shù)；UWB技術(shù)源于在軍事、國防中的應(yīng)用，所以在該領(lǐng)技術(shù)源于在軍事、國防中的應(yīng)用，所以在該領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用一直處于極為活躍的狀態(tài)。域內(nèi)的應(yīng)用一直處于極為活躍的狀態(tài)。UWB技術(shù)在消防、安全防范系統(tǒng)的通信中，在雷達(dá)技術(shù)、定位技技術(shù)在消防、安全防范系統(tǒng)的通信中，在雷達(dá)技術(shù)、定位技術(shù)、成像技術(shù)、跟蹤、智能交道系統(tǒng)中都有越來越深入的應(yīng)用。在短距離雷達(dá)術(shù)、成像技術(shù)、跟蹤、智能交道系統(tǒng)中都有越來越深入的應(yīng)用。在短距離雷達(dá)(如汽車傳感器、防撞系統(tǒng)、如汽車傳感器、防撞系統(tǒng)、智能型高速公路感側(cè)系統(tǒng)、液態(tài)物體水位偵測系統(tǒng)智能型高速公路感側(cè)系統(tǒng)、液態(tài)物體水位偵測系統(tǒng))、穿地雷達(dá)技術(shù)中的應(yīng)用也較為深入。、穿地

58、雷達(dá)技術(shù)中的應(yīng)用也較為深入。nUWB技術(shù)應(yīng)用主要分成影像系統(tǒng)、通信量測系統(tǒng)與車用雷達(dá)系統(tǒng)共三大應(yīng)用領(lǐng)域。在通信量測系統(tǒng)中，技術(shù)應(yīng)用主要分成影像系統(tǒng)、通信量測系統(tǒng)與車用雷達(dá)系統(tǒng)共三大應(yīng)用領(lǐng)域。在通信量測系統(tǒng)中，工作頻帶為工作頻帶為3.1-10.6GHz，發(fā)射功率上限為，發(fā)射功率上限為-41dBm/MHz，傳輸距離約為，傳輸距離約為10m。n在此規(guī)范下，在此規(guī)范下，Motolola、Intel與與TI等各家廠商推出了等各家廠商推出了UWB芯片樣品，傳輸速度最高可達(dá)芯片樣品，傳輸速度最高可達(dá)480Mbit/s。NEC、Samsung則在其則在其HDTV系統(tǒng)產(chǎn)品整合系統(tǒng)產(chǎn)品整合UWB傳輸界面，提供無線

59、視信傳輸功能。傳輸界面，提供無線視信傳輸功能。UWB作為一種短距高速與作為一種短距高速與低發(fā)射功率的無線通信技術(shù)，目標(biāo)領(lǐng)域?yàn)闊o線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)低發(fā)射功率的無線通信技術(shù)，目標(biāo)領(lǐng)域?yàn)闊o線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)(WPAN)，潛在應(yīng)用為取代有線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，潛在應(yīng)用為取代有線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)(FAN)，以，以無線高速方式傳輸數(shù)據(jù)。無線高速方式傳輸數(shù)據(jù)。nUWB具備高傳輸速率與低發(fā)射功率特性，適合作為短距高速數(shù)據(jù)傳輸，是未來多媒體無線傳感網(wǎng)首選的具備高傳輸速率與低發(fā)射功率特性，適合作為短距高速數(shù)據(jù)傳輸，是未來多媒體無線傳感網(wǎng)首選的通信技術(shù)。通信技術(shù)。2.4.2 廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)廣域網(wǎng)無線通信技術(shù)1. GPRS和和EDGEn除典型的短

60、距無線通信手段外，常見的移動通信也可以應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)中，特別是其中的數(shù)據(jù)傳輸功能，除典型的短距無線通信手段外，常見的移動通信也可以應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)中，特別是其中的數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的廣域網(wǎng)互聯(lián)。實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的廣域網(wǎng)互聯(lián)。nGPRS的全稱是的全稱是General Packet Radio Service，即通用分組無線業(yè)務(wù)，是，即通用分組無線業(yè)務(wù)，是GSM移動通信基礎(chǔ)上的一種移移動通信基礎(chǔ)上的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，它以分組（和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌苑纸M（Packet）方式來傳輸信號，因此使用）方式來傳輸信號，因此使用者所負(fù)擔(dān)的