（信息与通信工程专业论文）tsnmt在点到点的无线传感器网络中的应用研究.pdf

t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nt s - - n m ti np e e r - t o - p e e r w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y w a n g j i n l i ( i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l i a n gd e q u n j u n e2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下。独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺! 墨：丛丛! 垄壶到壶的玉线佳壁墨圆终虫数座旦硒究：一。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：圭复触 一z ；一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密日( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：土复j 咽导师签名： 0 1 一；l ，l ，1 日期：乃f r 中文摘要 摘要 无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 技术是- - n 新兴的技术，它具 有十分广阔的应用前景。无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，将给人 类的生活和生产带来深远影响。无线传感器网络通常由很多个不同种类的传感器 节点构成，它们可以广泛地分布在待测区域的各个地方，并且具备一定程度上的 信号处理和数据网络化的能力。 传感器节点的能量限制是整个无线传感器网络设计的瓶颈，它直接决定了网 络的工作寿命。目前国内外对传感器网络低功耗的研究主要集中在路由协议、 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议、传输协议，甚至在操作系统中也有人进行低功 耗设计的研究。本论文主要研究不同的调制技术对传感器节点能量消耗的影响情 况。 在传感器节点中，能量主要消耗在射频通信模块，而射频前端模块的能耗大 部分是消耗在发送接收时段，因此选择一种低功耗的调制解调技术对传感器网络 的应用发展具有重要意义。时移非正交多重调制技术( t i m es h i f tn o n o r t h o g o n a l m u l t i c a r r i e l t e c h n o l o g y ，t s - n m t ) 是一种新的调制技术，与其他传统调制技术相 比，它具有发送单位比特数据消耗能量低的优点，将这种调制技术应用到传感器 节点中将能极大地降低能量的消耗，这将促进传感器网络的大规模应用。目前在 无线传感器网络中普遍使用的调制技术是o q p s k ( o f f s e tq u a d r a t u r ep h a s es h i f t k e y i n g ) ，因此本论文将使用仿真软件讨论在无线传感器网络中使用t s - n m t 与 o q p s k 两种不同调制技术的能耗情况。最后论文给出了实验结果，证明了在无线 传感器网络中，使用t s - n m t 这一调制技术的可行性，并证明使用t s - n m t 与 o q p s k 相比，具有发送单位比特数据消耗能量低的优势。 关键词：无线传感器网络；能量消耗；调制；o q p s k ；t s - n m t 英文摘要 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) t e c h n o l o g yi sa ne m e r g i n gt e c h n o l o g y , a n di th a s v e r yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s w s ni sar e v o l u t i o ni ni n f o r m a t i o np e r c e p t i o na n d i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n , i tw i l lg i v eap r o f o u n di m p a c to np e o p l e sl i f ea n dp r o d u c t i o n w s ni su s u a l l ym a d eu po fm a n yd i f f e r e n tt y p e so fs e n s o rn o d e s t h e s en o d e sc a nb e w i d e l yd i s t r i b u t e di nv a r i o u sp a r t so ft h er e g i o nu n d e ri n s p e c t i o n , w i mac e r t a i nd e g r e e o fs i g n a lp r o c e s s i n ga n dd a t an e t w o r k i n gc a p a b i l i t i e s t h eb o t t l e n e c ki nw s ni ss e n s o rn o d e se n e r g yl i m i t , w h i c hd i r e c t l yd e t e r m i n e st h e l i f eo ft h en e t w o r k n o wt h el o wp o w e rr e s e a r c ha b o u ts e n s o rn e t w o r k sa th o m ea n d a b r o a dm a i n l yf o c u s e so nr o u t i n gp r o t o c o l s ，m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) p r o t o c o l s ， t r a n s p o r tp r o t o c o l s ，a n de v e ns o m ep e o p l ed ot h i sr e s e a r c hi nt h eo p e r a t i n gs y s t e m t h i s a r t i c l ei sa i m e da ts t u d y i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nu n d e rd i f f e r e n tm o d u l a t i o n t e c h n i q u e s i ns e n s o rn o d e s ，e n e r g yi sm a i n l yc o n s u m e di nt h er fc o m m u n i c a t i o nm o d u l e , a n d t h ee n e r g yo ft h er ff r o n t e n dm o d u l e si s m o s t l yc o n s u m e di nt h es e n d i n ga n d r e c e i v i n gp e r i o d s oi t i sv e r yi m p o r t a n tt oc h o o s eal o w p o w e rm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yf o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fw s n t i m es h i f t n o n - o r t h o g o n a lm u l t i - c a r d e rt e c h n o l o g y ( t s n m t ) i san e wm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ， a n di th a st h ea d v a n t a g eo fl o we n e r g yc o n s u m p t i o nw h e ns e n d i n gu n i t so fb i t so fd a t a c o m p a r e dw i t l lo t h e rc o n v e n t i o n a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s t h a ta p p l y i n gt s - n m tt o s e n s o rn o d e sw i l lb ea b l et o g r e a t l yr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n , w h i c hw i l lp r o m o t e w s n sa p p l i c a t i o no nal a r g es c a l e n o wo q p s k ( o f f s e tq u a d r a t u r ep h a s es h i f t k e y i n g ) i sc o m m o n l yu s e di nw s n ，s ot h ec o m p a r i s o no ne n e r g yc o n s u m p t i o nb e t w e e n t s - n m ta n do q p s ki st h ee m p h a s i so fd i s c u s s i o nw i t hs i m u l a t i o ns o f t w a r e f i n a l l y , t h i st h e s i sg i v e st h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，p r o v e st h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gt s n m ti nw s n ， a n di ta l s op r o v e st h a tt s - n m th a st h ea d v a n t a g eo fl o we n e r g yc o n s u m p t i o nw h i l e s e n d i n gb i t so fd a t au n i t sc o m p a r e dw i t ho q p s i c k e yw o r d s ：w s n ；e n e r g yc o n s u m p t i o n ；m o d u l e ；o q p s k ；t s n m t 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 论文背景及意义1 1 2 本人主要工作3 第2 章t s - n m t 与o q p s k 原理5 2 1t s - n m t 调制解调原理5 2 1 1t s - n m t 调制原理。5 2 1 2t s 卜m 仃解调原理：8 2 2o q p s k 基本原理1 0 2 3t s - n m t 与o q p s k 能量消耗的理论分析1 2 第3 章无线传感器网络技术简介_ 17 3 1 无线传感器网络技术简介1 7 3 2 无线传感器网络的体系结构1 8 3 2 1 无线传感器网络结构1 8 3 2 2 传感器节点结构2 0 3 3i e e e 8 0 2 15 4 协议2 0 3 3 1i e e e 8 0 2 15 4 协议概述2 0 3 3 2 物理层规范2 2 3 3 3m a c 子层规范2 4 第4 章无线传感器网络的室外无线信道环境的讨论2 9 4 1 室外无线移动信道的特性2 9 4 1 1 自由空间的传播损耗3 0 4 1 2 阴影衰落3l 4 2 时变特性一3l 4 3 多径衰落信道3 2 4 3 1 多径衰落3 2 4 3 2 室外无线传感器网络的信道参考模型3 4 第5 章t s - n m t 与o q p s k 在无线传感器网络环境中能量消耗的比较研究3 7 5 1t s - n m t 系统仿真条件及仿真框图3 7 5 2t s - n m t 系统参数设置3 9 5 3 基于t s - n m t 的点到点的无线传感器网络系统仿真设计一4 1 5 3 1 仿真中使用的数据传输方式及通信模式4 1 目录 5 3 2 网络拓扑结构4 2 5 3 3c s m a c a 算法4 3 5 3 4 网络中传输的数据4 5 5 3 5 波形预处理4 5 5 3 6t s - n m t 调制4 7 5 3 7 插入保护间隔和导频信号4 9 5 3 8 莱斯信道和噪声5 0 5 3 9 信道估计和补偿5 4 5 3 1 0t s - n m t 解调一5 7 5 4 基于o q p s k 的点到点的无线传感器网络系统仿真5 7 5 5 与o q p s k 在同等条件下的能量消耗情况比较5 7 结论6 ：! 参考文献6 3 攻读学位期间公开发表论文6 7 至j 【谢6 9 研究生履历7 l t s - n m t 在点到点的无线传感器网络中的应用研究 第1 章绪论 1 1 论文背景及意义 近几年伴随着传感器技术、通信技术和计算机技术的飞速发展，微型传感器 越来越多的被应用在人们的日常生活中，由此形成的无线传感器网络技术得到了 人们越来越多的关注。无线传感器网络具有易于部署、自组织网络运行等特点， 它能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内各种环境或监测对象的信息， 并对这些信息进行处理后传送给管理者。无线传感器网络被称为继计算机、互联 网之后，世界信息产业的第三次浪潮【1 。2 1 。 无线传感器网络在人们的日常生活、科学研究以及在对抗恐怖袭击、维护国 家安全方面有着广泛的应用前景。无线传感器网络的研究最早应用于军事领域。 1 9 8 0 年美国国防部高级研究计划局的分布式传感器网络项目( d s n ，d i s t r i b u t e d s e n s o rn e t w o r k s ) 开启了现代传感器网络研究的先河【3 1 。在现代信息化军事战争中， 利用传感器网络尽可能多地探测和获取敌人的运动、敌方的火力等一切有用信息， 对交战双方能否掌握战争主动权具有重要意义。 无线传感器网络对于比较恶劣的环境和人员不宜到达的场所也非常适用，比 如荒岛上的环境和生态监控，原始森林的防火和动物活动情况监测以及地震和火 灾等突发灾难现场的监控。另外，它还可用于城市的交通监控，健康护理及空间 探索【4 】等。 传感器网络作为一个全新的应用领域，在基础理论和工程技术两个层面向科 技工作者提出了大量具有挑战性的研究课题。近年来国内外开展了大量研究，取 得了很多研究成果。我国科技工作者在无线传感器网络方面取得了很好的成果， 使我国在无线传感器研究领域进入世界先进行列【5 】o 传感器网络中的应用一般并不需要很高的信道带宽，却要求具有较低的传输 延时和较低的功率消耗，以使用户能在有限的电池寿命内完成指定任务。 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准把低功耗、低成本作为主要目标，为传感器网络提供了 一种互联互通的平台，成为当前各大厂商研究无线传感器网络的通用标准。 第1 章绪论 根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，目前由各家公司及研究机构 生产研制的传感器节点在硬件构造上基本相同【6 1 。无线传感器节点通常由以下几个 模块构成：处理器模块、存储器模块、无线通信模块、扩展接口模块、传感器模 块以及电源模块。 由于无线传感器网络是由大量低成本的微型传感器节点组成，一般采用电池 供电，传感器节点常被散布在空旷的野外环境下或者人员不宜到达的地方，无法 及时更换电池，因此节能问题成为研究无线传感器网络所面临的一个关键技术挑 战。能耗管理涉及传感器网络研究的方方面面，选择低功耗的硬件设备，设计低 功耗的媒体访问控锌i m j ( m a c ，m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议和路由协议等一直是研究的 热点【刀。 m a c 协议直接控制射频模块，对于节点功耗有很大的影响。传感器节点的无 效功耗主要来自：空闲侦听、数据冲突、串扰( 接收和处理发往其他节点的数据) 、 控制报文开销等【8 】。m a c 协议在降低功耗方面主要采用的方法有减少数据流量、 增加射频模块休眠时间和冲突避免等。研究人员从不同角度入手，在传统无线m a c 协议的基础上进行改进和创新，提出了多种m a c 协议，可以根据分配信道的方式 将m a c 协议分为竞争型【9 1 0 1 、分配型以及混合型【l i 】。 路由协议解决的是数据传输的问题，是无线传感器网络的核心技术之一。路 由协议的性能和整个网络的性能密切相关。在不同的无线传感器网络应用环境中， 对于不同的应用需求，使用特定的路由协议可以简化协议，节省能量和提高带宽 利用率。在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心 整个网络能量的均衡消耗。典型的路由协议可以分为四类【1 2 舶】：以数据为中心的 路由协议、基于集群结构的路由协议、基于地理信息的路由协议以及基于服务质 量的路由协议。 根据d e b o r a he s t r i n 在m o b i c o m 2 0 0 2 会议的特邀报告( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，p a r ti v ：s e n s o rn e t w o r k sp r o t o c o l s ) t 1 5 】中所述传感器节点各部分能量消耗 的情况可知，传感器节点的大部分能量消耗在无线通信模块。节点的通信模块包 括信息的发送、接收、空闲和睡眠时段。因此选择一种低功耗的调制解调技术对 2 t s - n m t 在点到点的无线传感器网络中的应用研究 传感器节点减少能耗具有重要意义。目前在i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 中，规定采用b p s k 、 a s k 、o q p s k 三种调制技术【1 6 1 。 t s - n m t 是一种新的调制技术，由梁德群教授提出。曹祁生博士从理论上证 明了t s - n m t 的合理性和先进性【1 7 9 1 ，大连海事大学信号与图像处理研究所的前 几届硕士研究生对t s - n m t 在有线信道和无线信道上的应用做了深入全面的仿真 研究，同时证明了t s - n m t 在无线信道上应用的可行性和先进性。上述研究同时 证明，t s n m t 具有高的频带利用率、低的能量需求、小的信号波动范围等特点【2 0 】。 文献【2 1 】从理论上并仿真实验证明了t s - n m t 与q p s k 相比，具有发送单位比特 数据能量消耗低的优势【2 1 1 。本文希望能将t s - n m t 应用到无线传感器网络中，发 挥其能量消耗低的优势，因此，本文需要做t s - n m t 在无线传感器网络中的仿真 研究。 1 2 本人主要工作 本论文的研究内容来源于国家自然科学基金资助项目”数字通信中的调制框架 的研究”( 6 0 7 7 2 1 6 0 ) 、大连市攻关项目“基于非正交多重调制技术( n m t ) 的有线宽 带接入调制解调器的研制 。 本论文的工作重点为探讨将t s - n m t 应用到点到点的无线传感器网络中发送 单位比特数据具有能量消耗低的优势。本人从模拟点到点无线传感器网络环境入 手进行仿真分析，在同样的网络参数设置和信道环境下与o q p s k 进行性能比较研 究。为探讨t s - n m t 在点到点的无线传感器网络环境下的性能，论文选用 c o s t - 2 0 7 模型中的乡村信道模型进行仿真研究，并分析与比较t s - n m t 在不同的 波形结构下与o q p s k 的能量消耗情况。 具体工作如下： 1 对i e e e 8 0 2 1 5 4 标准及相关协议的网络设置和技术参数进行分析，并仿真 实现基于点到点的无线传感器网络模型，包括实现路由选择，基于c s m a c a 的 m a c 协议，以及网络中的数据传输模式。 2 对莱斯信道模型作分析，确定无线传感器网络信道的参考模型。 3 针对基于点到点的无线传感器网络环境，利用m a t l a b 仿真工具，实现 3 第1 章绪论 t s n m t 和o q p s k 在无线莱斯信道上的通信仿真研究，包括物理帧的产生、波形 预处理、调制、计算发送数据单位比特能量、插入导频信息和保护间隔、无线信 道、接收滤波器、信道估计和补偿、解调、计算误比特率等模块。移动信道的参 考模型为c o s t - 2 0 7 模型中的乡村地区模型，仿真系统的参数参考 i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 协议设置。 4 在同等条件下，与o q p s k 进行性能比较，以期证明t s - n m t 具有发送单 位比特数据能量消耗低的优势，并探讨t s n m t 不同的波形结构对于能量消耗情 况的影响。 4 t s 姗仃在点到点的无线传感器网络中的应用研究 第2 章t s - n m t 与0 0 p s k 原理 调制是一个过程，目的是将信息转换为适合在传输媒介上传输的波形。调制 是数字通信系统中的基础环节，这个环节对传输性能起至关重要的作用。t s - n m t 技术是一种新型的调制技术，它是一种时频相混合的多载波调制方法。其特征在 于：待传输信号被分成相同周期的一系列码元，每个码元周期的波形是由多个子 波线性叠加构成的合成波，其中每个子波均为只存在于一段被称为子波有效期的 时间内的分段函数，所有子波都按基本结构组织。论文要进行t s - n m t 与o q p s k 的性能比较，所以在本章最后对o q p s k 的原理进行了简要介绍。 2 1t s - n m t 调制解调原理 2 1 1t s - n m t 调制原理 根据基子波的时移和频率不同，可以将t s - n m t 分为：组间频分模式的 t s - n m t 、单子信道的t s n m t 、组内频分模式的t s - n m t 、自由结构的t s - n m t 、 频分和相移模式的t s n m t 2 2 1 。这种新调制技术的基信号是非正交的，对接收到 的信号则通过解线性方程组的方法完成解调。 调幅的t s n m t 有组间频分模式和组内频分模式两种。在组间频分模式下， 相同组内的基子波结构相同，而不同组之间的基子波及其频率不相同；在组内频 分模式下，相同组内的各基子波及其频率不相同，不同组之间对应位置上的基子 波及其频率相同。论文采用的是组内频分模式。 在t s - n m t 的一个码元周期内，各基子波在时间轴上依次移后一个时移的位 置；每个子波由调制波和基子波联合组成，其中调制波为方波，该方波的宽度为 子波的有效期，方波的幅度为子波的幅度；基子波的形状是下述波形的一种：正 弦类波、方波、锯齿波、三角波、截断高斯波、升余弦波或小波。论文中选用的 基子波为正弦波。 为了更方便地描述t s - n m t 的合成波结构，将所有子波分成m 组，每组内的 基子波不同，各组的子波数相等，各组的子波数用q 表示，各组之间对应位置上 的基子波相同，其形式化表示为： 5 第2 章t s - n m t 与o q p s k 原理 g ( f ) = e g o ( t - r ，) ( 2 1 ) 式中为子波间的延迟时间。其中 g ，o 一巧) = o ( t - r 0 ) g o ，o 一勺：主z ( 2 2 ) 扩。一勺，= 0 ：主乏， 咋，后= - ，一，】， ( 2 3 ) i = l ，m ，j = 1 ，q 式( 2 1 ) 为一个码元的合成波，式( 2 2 ) 为子波结构，式( 2 3 ) 为调制波，其中为 方波幅度，乃为方波的宽度即子波有效期。k 在实数域取值，k 为正整数，表示按 现行的多幅度调制的方法对幅度量化，】，的取值范围取决于工程实施时的条件。 g o o ( t - t 矿) 为基子波，满足下列关系 g o i j ( t r i j ) g o i ( j + 1 ) ( t r i ( j + i ) ) ，g o u ( t 一乃) = g o ( f + l o 一气f + 1 ) ，) ；( 2 4 ) 设r 为码元的周期，t = 2 ，t 茸r i 为最大肘子波有效期。若用日代表丁内的 子波个数，则日= q 。在调制时可以根据实际的情况灵活确定m 、h 、及 每个子波携带的比特数。 图2 1 ，图2 2 给出了时域的一个码元波形结构的示例图，一个码元由8 个分 段正弦波时移叠加而成。信道由2 个子信道构成，每个子信道包含4 个子波，即8 个子波经延时后被分成4 组，每组包含2 个不同频率的正弦波。各子波经幅度调 制后的示意图如图2 2 ( a ) 所示，每个子波携带2b i t 信息，经幅度调制后各子波叠加 形成的合成波如图2 2 ( b ) 所示。 6 t s - n m t 在点到点的无线传感器网络中的应用研究 未携带信息的各子波 oo 51 5 2 时间，s 图2 1 未调制的t s - n m t 波形 f i g 2 1u n - m o d u l a t c dw a v e f o r mo ft s - n m t 羹帚信童曲鲁子t 之 捌 剖 馨 2 5 x1 矿 合成洼 时鼬 i 矿 ( a ) 携带信息的各子载波【b ) 合成波 ( a ) i n f o r m a t i o n - b e a r i n gs u b - c a r r i e r s( b ) s y n t h e s i sw a v e 图2 2 调制后的t s n m r 波形 f i g 2 2m o d u l a t e dw a v e f o r mo ft s - n m t 7 ， 8 6 4 2 o 2 4 6 8 ， n n n n 气； n 枷 n ，疽巡罂 第2 章t s - n m t 与o q p s k 原理 由图及表达式知，t s n m t 的波形结构破坏了正交性，因此子波个数、相位、 频率、位置都不再受限制，使得在一个码元时间内，可以有不同相位、不同频率、 不同位置的载波，体现了时域重叠性【2 3 】。 2 1 2t s - n m t 解调原理 t s n m t 的解调是进行多次相干运算，形成一个线性方程组，通过解此方程 组得到各子波的幅度，再转化为对应的信息即完成解码。 解调过程是进行下述一系列的相干运算： g r ( f ) g o r t s ( t - r u ) d t = 刚- 1 ，m = 1 一 q 啦善q ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，g r ( t ) 为接收到的合成波，g 口，0 - - t c ) 为在接收端接收到的训练基子 波。通过进行上述相干运算得到一个线性方程组 r a = g ( 2 6 ) 彳为待求子波幅度组成的列向量，g 为经过一系列相干运算组成的列向量，r 为系数矩阵，又称为解调矩阵。求解该方程组能够得到各个子波的幅度。通过下 述训练可获得矩阵r ： 首先在发送端发送日个基子波 m g o b ( t - r , ) ，h = 1 ，h ，日= q 然后在接收端即可获得h 个对应的基子波 g o r h ( t 一 ) ，h = 1 ，日 通过计算= f g o r h ( t r h ) g o r t ( t r , ) a t ，得到日日个嘞，即获得矩阵r 的所 有元素，其中 ，= 1 ，日。 根据式( 2 6 ) 可以得到子波幅度的计算公式 彳= r 。1 g ( 2 7 ) 解此方程组得到待求的列向量彳= ( ，i = l ，m ，_ ，= l ，q ) 7 ，其各分量为待 求的各子波幅度。图2 3 为t s n m t 的解调过程框图。 t s - n m t 在点到点的无线传感器网络中的应用研究 图2 3t s - n m r 的解调框图 f i g 2 3d e m o d u l a t i o nb l o c kd i a g r a mo f t s - n m t 信号在从发送到接收的过程中，可能会受到多方面的干扰和失真，进而导致 相关求和产生偏差【2 4 1 。对于t s - n m t 的解调方程剐：g ，如果g 有扰动，表现为 g + a g ( a g 为噪声向量) 。足保持不变，解方程组得到的子波幅度值么就会变为 彳+ 鲋，即 r(彳+削)=g+ag(28) 其中鲋为误差向量。由上式可得 r ( 彳+ 鲋) = g + a g jr a + r a a = g + a g( 2 9 ) 由于剐量g ，于是有 r a a = a g ( 2 1 0 ) 可得 鲋= r 。1 a g ( 2 1 1 ) 根据矩阵范数的性质8 彻i l 怕j | | i b 0 可得2 5 1 惮h r 。1 | i | l g 0 ( 2 1 2 ) 9 第2 章t s - n m t 与o q p s k 原理 上式中l 陋。1 i i 为矩阵尺的逆的范数。由于外界噪声是随机不可控的，由式( 2 1 2 ) 可知， l r 10 越大，误差鲋越大，即鲋与忙1 l l ，即与解调矩阵的尺的逆矩阵的 范数有关。i r 叫0 越大，方程组的病态性越强，因此忙_ 1 l 应尽量小。子波波形结构 是解决病态问题的根本方法，因此在调制前可对各子波波形做相应处理，即波形 预处理，以减小矩阵尺的逆矩阵的范数。 2 20 0 p s k 基本原理 o q p s k 即o f f s e tq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ，意为“偏移正交相移键控， 它同q p s k 一样是利用载波的四种不同相位来表征数字信息【2 6 1 。不同的是它的同 相和j 下交两支路的码流在时间上错开了半个码元时间。由于同相和正交支路码元 在时间上错开了半个码元周期，这使得o q p s k 跟q p s k 相比不存在7 相位跳变 问题，传输性能也有所提高。 o q p s k 的调制解调原理与q p s k 的原理基本相同。在o q p s k 调制系统中， 先对输入数据进行串并变换，再让两支路在时间上错开半个码元时间，如表2 1 所 示。然后分别对两支路进行b p s k 调制，最后叠加即得o q p s k 信号。图2 5 是 o q p s k 的调制原理图。 表2 1 输入数据的变换和延时 t a b 2 1t r a n s f o r m a t i o na n dd e l a yo fi n p u td a t a 输入流 + 1 11 + l+ 1 11 1+ 1 11 + l+ l + 11 11 + l i+ i1+ 11+ 11+ 111 q 1+ 1111+ l+ l- l+ l l o t s - n m t 在点到点的无线传感器网络中的应用研究 一 图2 4o q p s k 的调制原理图 f i g2 4o q p s km o d u l a t i o nd i a g r a m 由表2 1 可知，不管输入的是什么样的数据流，o q p s k 的输出信号只有0 0 、 蜘三种相位跳变值，不可能出现1 8 0 。相位跳变。而在q p s k 中，则可能出现1 8 0 。 相位跳变的可能，如图2 5 所示， 比o q p s k 的频谱性能要优于q p s k ，u po q p s k 的频谱旁瓣比q p s k 的旁瓣低【2 7 1 。 q 1 ，1 ) l 厂k( 1 基) v i u 到 ，- 1 ) 、，( 1 ， q 1 ) 。l q( 1 ，圆 l t 0 - a 到 _ 1 ，1 ) ( 1 ，一1 r ( a ) q p s k ( b ) o q p s k ( a ) q p s k ( b ) o q p s k 图2 5q p s k 和o q p s k 的星座图和相位转移图 f i g 2 5t h ec o n s t e l l a t i o na n dp h a s ed i a g r a mo fq p s ka n do q p s k 2 3t s - n m t 与o g p s k 能量消耗的理论分析 功率谱密度函数( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y , p s d ) 定义了信号的功率如何随频率 分布，对一定频率范围内的p s d 积分相加即可得到该频率范围内的功率。信号的 p s d 可以通过计算该信号的f f t 的方法或计算该信号自相关函数的傅立叶变换方 法来得到。 o q p s k 可以看作是两路独立b p s k 信号的叠加，它与q p s k 有同样的相位关 系，利用载波的四种不同相位来表征输入的数字信息。令己表示o q p s k 的码元 持续时间，o q p s k 可以表示为 s ( f ) = g ( f 一尼) c o s ( 绰f + 依) k = l 44 。= c o s 婊g o 一七乇) c 0 s 嚷f 一s i n ( p k g ( t - ) s i n c o t ( 2 1 3 ) k = l k = i 44 = 哝g ( t - k t q ) c o s c o 。t - b k g ( t - k t q ) s i n c a , t 其中，a k g ( t - k t o ) 和b k g ( t 一七) 是双极性矩阵脉冲序列。o ，是子载波的最大幅度，i 是子载波f 的延时。如果用乃表示子载波的持 续时间，瓦表示码元的持续时间，有瓦= 2 乃。序列薯可以用冲激序列函数，( f ) 来 表示： “f ) = x t s ( t - i t ，) f = l ( 2 1 7 ) 式( 2 1 6 ) 中，t s - n m t 表不为是由日个子波构成，当日专佃时，t s - n m t 的 单边带p s d 表示为： k n 灯( j o 一2 。e r 嚣( t ) e - j 2 x f t d t 1 5( 2 1 8 ) = 手i g u ) 1 2e 氐( f ) p 吖2 删出 其中，心( f ) 和r ，( f ) 分别表示s ( f ) 和v ( f ) 的自相关函数，g ( 厂) 表示子载波g d 的 傅立叶变换。若子载波g o 采用频率为z 正弦波，则有 g ( 厂) = 等l s i n c ( 乃( 厂一z ) ) 一s i n c ( 乃( 厂+ z ) ) i ( 2 1 9 ) 根据j ：氐( f ) p 川矽出= v 亍2 丽m + i ( 2 2 0 ) 得到p t s - 一n m t ( 舻簪丽m + i l g ( i 利2 ( 2 2 1 ) 假设h 是一有限值，得到 1 3 第2 章t s - n m t 与o q p s k 原理 一舻为：i 第巾r 亿2 2 ， ：竖怨塑陋( 乃( 一f a ) 确c ( t a ( f + 圳 一6(2h m1 1 1 一 ” “”o = 警 ( 2 2 3 ) e t s - n m t - - 业堡l o g 掣(224)2 m 、 1 4 t s 小m 仃在点到点的无线传感器网络中的应用研究 令= 口，通过调整口的值来观察o q p s k 和t s - n m t 的能量变化。令 = 1v o l t ，乃= - - ls ，z = 2 h z ，t s - n m t 与o q p s k 的单位比特能量比7 7 随口的 变化如表2 2 所示【2 1 1 。 表2 2r 随口的变化情况 t a b 2 1t h er e s u l t so f t w i t hv a r i o u sv a l u e so f o r 口0 20 40 60 8l1 42 刁 0 0 40 1 5 8 30 3 5 5 3o 6 1 7 61 0 6 9 51 9 4 2 44 0 4 由表2 2 可以看出，当口增加时，单位比特能量比r 随之增大。从理论分析不 能得到t s - n m t 和o q p s k 的误比特率，论文将在后面的仿真实验内容中讨论两 者的误比特率。 1 5 t s - m v i t 在点到点的无线传感器网络中的应用研究 第3 章无线传感器网络技术简介 3 1 无线传感器网络技术简介 无线传感器网络是一门交叉学科，涉及传感器、计算机、网络通信、信息处 理等多个领域，是现代信息科学技术的综合利用。无线传感器网络在人们的日常 生活中发挥着越来越重要的作用【2 8 j 。 无线传感器网络的主要特点是2 9 】： 1 ) 大规模网络 无线传感器网络通常部署在无人区或人员无法到达的区域内，为了获得监测 区域的准确信息，常常需要数量巨大的传感器节点，由此构成的传感器网络规模 也是巨大的。 2 ) 自组织网络 在传感器网络中，不设专门的控制中心，把网络的控制功能分散配置到各节 点，网络的的建立和调整是通过各节点的有机配合实现的。当网络中的某一或某 些节点由于电池耗尽或环境因素失去作用时，要求网络拓扑结构能够自动地进行 重组，即传感器网络的自组织性要能够适应网络拓扑结构的动态变化【3 0 l 。 3 ) 动态性网络 无线传感器网络是一个动态的网络。传感器节点、感知对象和观察者都可能 具有移动性；网络中的节点可能因为电池能量耗尽或其它故障退出网络运行，也 可能由于工作需要被添加到其它网络中。这