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基于u w b 的自组织无线传感器网络的设计研究 摘要 无线传感器网络是一个多学科高度交叉的前沿研究热点，它综 合了传感器、嵌入式计算、分布式信息处理、无线通信及网络技术 等，能够通过各类集成化的微型传感器实时地协作监测，感知和采 集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理， 并通过随机自组织无线通信网络方式将所感知信息传送到用户终 端，是普适计算研究的一个非常重要的方向。 但传统的无线传感器网络也存在很多局限性，如网内无线通信 的相互干扰、系统的能耗过高、缺乏更实效的网络路由手段等，这 大大的限制了它的应用。尤其是在智能家居领域，其信道环境存在 较强的多径效应，并且智能家居一个重要的概念就是加入了视频应 用，这就需要一个更加高速和可靠的新型通信技术，来实现传感器 网络的无线通信。 超宽带( u l t r aw i d eb a n d ，u w b ) 无线通信技术正是能满足这 些条件的一个近距离无线通信技术。超宽带无线通信的优点可以概 括为：难于被监听，安全性高；功率谱密度极低，抗干扰性强，且 系统功耗低；空间解析度极高，具有厘米级的定位精度；具有高速 无线数据传输，速率可高达几gb i t s 。 本文正是以此为背景，在对u w b 和传感器网络相关的技术理 论作了大量的理论分析的基础上，提出一种基于u w b 的新型无线 传感器网络，以u w b 无线通信能耗低、速率快等优点，致力于解 决传统无线传感器网络的易干扰、能耗高的缺陷，以期更快的将传 感器网络推向实际应用。 首先，本文在对u w b 和传感器网络的关键技术进行了理论分 析后，提出了基于u w b 的无线自组传感器网络概念框架。然后， 对实现该网络的一些主要方面进行了设计研究，并在m a t l a b 环境中 对各设计进行了仿真验证，概括来说，研究工作主要着重于以下几 个方面：传感器网络的节点设计，包括用于节点的u w bt h - - p p m 收发信机的设计及其性能仿真；用于收发信机的t h - - p p m 跳时序 列的设计及其仿真；在l e a c h 路由算法的基础上，给出了一种用 于传感器网络的改进算法并仿真。同时，在这部分内容中，还对仿 真结果进行了分析比较，阐述了系统设计的可行性。 在论文的最后，对论文的研究工作进行了总结，分析了系统设 计中存在的一些不足，并对下一步研究工作给出了一些建议。还根 据课题研究的经验，并结合当前的u w b 和传感器网络的技术发展， 对前景做出了展望。 关键词短距离无线通信超宽带无线传感器网络路由算法 r e s e r a c ha n dd e s i g no f w i r e l e s sa dh o cs e n s o rn e t w o r k b a s e do nu w bw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 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 kw a sa l s oo n eo fr e s e a r c hh o t s p o t sb a s e d o nm u l t i p l e st e c h n o l o g yi n c l u d i n gs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，c o m p u t i n g t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a sat a n g i b l et e c h n o l o g yo f u b i q u i t o u sc o m p u t i n gm o d e ，s e n s o rn e t w o r kc a np r o v i d ep e o p l ew i t h a n yi n t e r e s t e di n f o r m a t i o nw h e n e v e ra n dw h e r e v e r ，c o n s i d e r i n gm i c r o c o m p u t i n gd e v i c e sw i l lb ee m b e d d e di n t ov a r i o u se n v i r o n m e n t st o c o l l e c tr e l a t i v ei n f o r m a t i o na n dp r o c e s si t ，o rc o m m u n i c a t ew i t he a c h o t h e r b u tt h e r ea r em a n yd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ks u c ha ss i g n a li n t e r f e r e ，m o r ep o w e rw a s t a g ea n dh i g h e r e f f i c i e n c yr o u t i n ga r i t h m e t i c an e ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yw i t hh i g h e rr a t eb i ta n dr e l i a b i l i t yi sn e e d e dt or e a l i z e c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nn o d e se s p e c i a l l yi ni n t e l l i g e n th o m e a p p l i c a t i o ns i n c et h e r ei ss t r o n gm u l t i t r a c ka f f e c t i o na n dm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o ni sn e e d e d u w bi sj u s taw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ys a t i s f i e da l l r e q u i r e m e n t s t h em a i na d v a n t a g eo fu w b w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s w a sd e s c r i b e di ns u c hw o r d sa sh i g h e rb i tr a t e ，l o w e rp o w e rs p e c t r a l d e n s i t i e s ，e x c e p t i o n a lm u l t i p a t hi m m u n i t y ，s i m p l es t r u c t u r ea n dl o w p r o b a b i l i t yo fd e t e c t i o n i nt h e s er e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n sb a c k g r o u n dt h i st h e s i s d e s i g n e dan e wu w b s e n s o rn e t w o r k ，b a s e do nm a s sr e s e a r c hi nu w b a n ds e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t oi m p r o v et r a d i t i o n a lw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kp e r f o r m a n c ew i t ht h ea d v a n t a g e so fu w b t h i st h e s i sc a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t se x c e p tt h ei n t r o d u c t i o n o ft h es i g n i f i c a n c ef o rd e s i g na s e n s o rn e t w o r kb a s e do nu w b a tt h e b e g i n n i n gt h eb a c k g r o u n dw a si n t r o d u c e da sf o u n d a t i o no ft h i st h e s i s 1 1 1 i n c l u d i n gs h o r td i s t a n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h ek e yc o n c e p to fu w b a n d m a c t h es e c o n dp a r tw a st h ee m p h a s e so ft h i st h e s i s i nt h i sp a r tt h e t h e s i st h ei n t e g r a t e dd e s i g no fs e n s o rn e t w o r kb a s e do nu w br e c e i v e r a n dt r a n s m i t t e rw a se x p a t i a t e d f i r s tt h em o d e lo fs e n s o rn e t w o r kb a s e d o nu w bw a sd e s c r i b e di nd e t a i l t h e nt h ek e yp a r to ft h en e t w o r kw a s e x p a t i a t e di n c l u d i n gs e n s o rn o d ed e s i g n i n gb a s e do nu w b r e c e i v e ra n d t r a n s m i t t e r ，t h en e t w o r kr o u t i n ga r i t h m e t i c a tt h el a s tt h es y s t e m e m u l a t er e s u l t si nm a t l a bw a sa n a l y z e db a s e do np r e c e d i n gw o r k t h ee n do ft h e s i sw a ss u m m i n g u pa n dal o n g t e r mv i s t a i nt h i s p a r tt h et h e s i ss u m m a r i z e dt h ew h o l er e s e a r c ha n da n a l y z e dt h ef l a wo f u w bs e h s o rn e t w o r kw i t hl e a c hr o u t i n ga r i t h m e t i c t h e na p r o p o s i t i o nw a sm a d et ot h en e x tp h a s ew o r k k e yw o r d ss h o r t - d i s t a n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，u w b ，w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，r o u t i n ga r i t h m e t i c 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学 或其他教育机构的学位或汪书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盟查! 丝 日期 扣。6 ；、砷 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围 喜；：；萎耄! 二蔓羟 导师签名：4 互女丝鳖 适用本授权书。 日期： 日期： p 、； 竺巨：! ：12 北京邮电大学硕士论文 基于u w b 的白组织无线传感器网络的设计研究 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 传统无线传感器网络技术简介及其局限性 传感器网络是当前国际上备受关注的，由多学科高度交叉的新兴前沿研究 热点领域。传感器网络综合了传感器技术，嵌入式计算技术，现代网络及无线 通信技术，分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地 实时监测，感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进 行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到 用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。 传感器网络的研究采用系统发展模式，因而必须将现代的先进微电子技 术，微细加工技术，在系统s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 芯片设计技术，纳米材料与技 术，现代信息通讯技术，计算机网络技术等融合，以实现其微型化，集成化， 多功能化及系统化，网络化，特别是实现传感器网络特有的超低功耗系统设计。 无线传感器网络由随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的 微小节点通过一定的网络组织结构的方式构成，借助于节点中内置的形式多样 的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探 测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度 和方向等众多我们感兴趣的物质现象。在通信方式上，可以采用无线、红外和 光等多种形式。 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管 理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、反恐、危险区域远程控制等许多领域都 有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界，学术界和 工业界的高度重视，并成为公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十 一世纪产生巨大影响力的技术之一。 但目前传统无线传感器网络在通信、路由管理和能量供应等方面，还存在 很大的局限性，这使得传感器网络在正常运行并大量投入使用前，仍然面临着 许多问题： 1 、网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一 些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待 研究的问题。 2 、成本问题。在一个无线传感器网络早面，需要使用数量庞大的微型传 感器，这样的话成本会制约其发展。 北京邮电大学硕士论文基于u w b 的自组织无线传感嚣网络的设计研究 3 、系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传 感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中 后两者备受关注。 4 、高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线 传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度 的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节 点移动性管理等诸多问题有待解决。 在上述问题中，传感器节点的供电问题目前还没有明确的技术能够解决， 但是对于网络通信及网络的组织管理，却可以借用目前的一些技术予以部分解 决。而本文既是基于这种背景，采用u w b 技术及一种改进的l e a c h 算法来 实现更可靠的通信和更高效的网络节点的组织管理。 1 1 2 基于u w b 的新型自组织无线传感器网络的研究意义和必要性 1 1 2 1 基于u w b 技术实现无线通信的意义 u w b 技术早在7 0 年代就己在雷达信号处理领域的引起人们的注意，只是 受到当时技术条件的限制，未能得到快速的发展和广泛的应用。随着微电子技 术和射频、天线技术的发展，特别是低成本高采样速率和高计算速率集成芯片 的发展，使u w b 信号的实用化成为可能，其特殊的优越性日益受到关注，时 至今日，u w b 无线通信已经成为一个研究热点 u w b 无线通信通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调 制，使信号具有g h z 量级的带宽。超宽带以基带传输。实现方式是发送脉冲 无线电( i r ) 信号传送声音和图像数据，每秒可发送多至1 0 亿个代表0 和1 的脉冲信号。这些脉冲信号的时域极窄( 0 1 至1 5 纳秒) ，频域极宽( 数h z 到数g h z ，可超过1 0 g h z ) ，其中的低频部分可以实现穿墙通信。u w b 脉冲 信号的发射功率都十分低，仅仅相当于一些背景噪音，不会对其它窄带信号产 生任何干扰。由于u w b 系统发射功率谱密度非常低，因而被截获概率很小， 被检测概率也很低，与窄带系统相比，有较好的电磁兼容和频谱利用率。此外， 传统的无线通信在通信时需要连续发出载波，要消耗不少电能。而u w b 是发 出脉冲电波直接按照o 或1 发送出去。由于只在需要时发送脉冲电波，因 而大大减少了耗电量( 仅为传统无线技术的1 1 0 0 ) 。 简单而言，u w b 具有下列特性：隐蔽性好、抗多径和窄带干扰能力强、 传输速率高、系统容量大、穿透能力强、低功耗、系统复杂度低等。u w b 的 技术特点直接解决了在无线传感器网络中存在的节点间通信的易受干扰的特 北京邮电大学硕士沦文 摹fu w b 的白组织无线传感器网络的设m 叶究 点，此外由于其使用极窄的短脉冲，因此系统具有极地的功耗，这延长了无限 传感器的使用寿命。u w b 不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过 正交频分调制或真接排序将脉冲扩展到一个频率范围内，因此系统传输较简 单，这极大了降低了系统复杂度，对于降低应用成本具有极大的优势。 在无线传感器网络中，使用u w b 技术还能拥有极大的系统容量，这对 于解决大量节点问的通信阻塞具有重大的意义，而且由于u w b 高达1 0 0 0 m b 的传输速度，这还可以在传统传感器网络中加入视频监控的应用。 1 1 2 2 采用自组织网络结构的意义 a d h o c 网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。在a d h o c 网络中， 使用计算机网络的分组交换机制，而不是电路交换机制。通信的主机一般是便 携式计算机、个人数字助理( p d a ) 等移动终端设备。a dh o c 网络不同于目 前因特网环境中的移动i p 网络。在移动i p 网络中，移动主机可以通过固定有 线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在a dh o c 网络中只存在无 线链路一种连接方式。 a dh o c 网络不需要有线基础设备的支持，通过移动主机自由的组网实现 通信。在a dh o c 网络中，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们 可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的 主机要进行通信，则需要通过它们之间的移动主机b 的转发才能实现。因此在 a dh o c 网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。 在a dh o c 网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成， 数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故a dh o c 网络也被称为多跳无线 网络”。 a dh o c 网络的应用范围很广，总体上来说，它可以用于以下场合： 1 、没有有线通信设施的地方，如没有建立硬件通信设施或有线通信设施 遭受破坏。 2 1 需要分布式特性的网络通信环境。 3 1 现有有线通信设施不足，需要临时快速建立一个通信网络的环境。 4 1 作为生存性较强的后备网络。 a dh o c 网络作为一种新的组网方式，具有以下特点：网络的独立性，可 以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移 动通信网络，适合灾难救助、偏远地区通信等应用；动态变化的网络拓扑结构， 移动主机可以在网中随意移动，移动会使网络拓扑结构不断发生变化：网络的 分布式特性，网络巾没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联，一旦网络 北京邮电大学硕= b 论文基于u w b 的自组织无线传感器网络的蹬计研究 的某个或某些节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作；生存周期短，网 络主要用于临时的通信需求，相对与有线网络，它的生存时问一般比较短。 a dh o c 应用范围及其技术特点，都与传感器网络的网络特性相符合，将这 种网络组织形式应用于传感器网络将能方便的形成一个高效的传感器网络。 综上所述，基于u w b 的自组织无线传感器网络技术的研究意义和实现的 重要性就不言而喻了。传统无线传感器网络，其在网络通信及网络架构方面都 存在着局限，这限制了无限传感器网络的应用。如结合当前研究较为成熟的 u w b 技术及自组织技术，则能很好的解决这个问题，将传感器网络推向更加 高效和广泛的实际应用。 1 2 论文研究目的及工作内容概述 本论文的目的主要是介绍借助于u w b 无线通信技术的通信优势及a dh o c 的组网优势，构建一个新型高效的无线传感器网络，尝试应用于室内环境如智 能家居及其他没有基础通信设施的区域如战场监测。 论文工作内容将主要包括： 1 1 短距离无线通信技术研究。详细比较当前主要应用的短距离无线通信 技术，并详细阐述u w b 的关键技术：包括信号发生，信号调制，信号的多径 接收等；a dh o c 技术研究，着眼于组网方式及通信的路由等。 2 1 无线传感器网络技术研究。详细阐述无线传感器网络的设计原理，对 传感器网络的各个组成元素进行深入研究，包括网络组织结构、节点设计、无 线通信、路由算法等。 3 ) 研究基于u w b 高速无线传输技术的无线自组织传感器网络，详细阐述 采用u w b 无线通信的传感器网络的特性，给出网络模型并进行仿真，最终给 出网络的各种仿真特性。 1 3 论文结构 本论文内容共七章，各章内容分别如下： 第一章：绪论，给出了课题背景、论文所做的主要工作，以及论文结构； 第二章：介绍了传感器网络的相关技术，在介绍了现有的用于传感器网络 的短距离无线通信技术后，对u w b 无线通信的关键技术进行了详细的阐述， 并同时介绍了媒体介入控制的基本概念； 第三章：深入的探讨了传感器网络的路由协议，着重分析了l e a c h 算法 的特点，并对常用的路由协议进行了分析比较。 北京邮e b 大学顶二卜论文 基于u w b 的自组织无线传感器网络的设计研究 第四章：对传感器网络的硬件平台设计进行了探讨。阐述了传感器网络的 特点，给出了基于u w b 的传感器网络的总体框架设计及传感器节点的硬件设 计。 第五章：基于u w b 技术，对传感器网络的通信系统设计进行了研究，重 点在于u w b 发射和接收机的设计，包括源信号波形设计和接收信号的处理的 理论分析。 第六章：分析了不同用户的t h p p m 信号和功率谱并给出了仿真结果， 验证跳时调制具有平滑功率谱的作用。介绍了适合u w b 系统的两种同余类跳 时序列，并在此基础上构造了一种适合于超宽带无线通信系统的跳时序列，给 出了它的构造方法和序列的性质。 第七章：对接收机的误码率进行了理论分析；对p p m 调制下的t h s s u w b 系统进行了仿真和结果分析，并对系统的扩频作用进行了阐述；对基于 l e a c h 改进的算法进行了仿真，并对结果进行了分析对比。 第八章：总结了全文工作，分析了系统设计的不足，并给出了下一步研究 的建议。 论文的最后是参考文献、附录( 缩略语) 、致谢和攻读硕士学位期间发表 的学术论文。 北京邮电大学碗= 匕论文 基十u w b 的自组织无线传感器劂络的世汁研究 第二章传感器网络相关技术研究 无线通信系统是无线传感器网络应用系统的核心部分。无线传感器网络中 的传感器节点之间互联采用短距离的无线通信方式，短距离无线通信实现采用 由节点的微控制直接控制r f m ( 无线收发模块) 的方式。传感器节点通信时，使 用的是共享的单信道通讯方式，所有的节点都是使用这个共享的信道进行通 讯，因此需要解决每个节点如何有效的接入与使用该信道的问题。同时在传感 器网络中，网络路由协议受m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 技术的影响较大，因 而有必要对媒体接入控制m a c 协议展开研究。 2 1 短距离无线通信技术概述 目前，短距离无线通信技术的实现技术主要有k d a 、蓝牙技术、w i f i 技 术、低功率短距离无线通信技术和u w b 技术五种【”l 。但现在流行的无线短距 离通信技术，如蓝牙技术、i e e e 8 0 2 1 1 、红外通信技术，都不满足传感器节点 设计要求，如m c u 的计算性能较低，系统存储较低，并且不能满足系统低功 耗、低成本的设计要求等。 2 1 1 蓝牙技术 蓝牙f b l u e t o o t h ) 是一种开放性短距离无线通信技术标准，由爱立信、诺基 亚、东芝、1 b m 和英特尔公司5 家厂商在1 9 9 8 年提出，主要应用于移动设备 间的小范围连接，本质上是用以代替线缆。它采用快速跳频技术，使用2 4 g h z 频段进行通信，具有较高的抗干扰能力和安全性能。可以支持数据和语音传输， 最高速率为十几m b p s ，一般有效通信范围为1 0 米，强的可以达1 0 0 m 左右。 然而使用蓝牙技术实现无线通信，需要专门的蓝牙芯片的支持，蓝牙芯片的价 格的6 1 0 美元之间，这对网络传感器来说是不能承受的。而且，蓝牙协议栈 的大小在6 0 1 5 0 k 左右，这对内存资源非常有i l v 的传感器节点来说也是不适 合的。 2 1 2i e e e 8 0 2 1 1 协议家族 i e e e 8 0 2 1 1 是无线局域网( w u 蝌) 标准，主要用于解决办公室局域网和校 园网中，主要用于实现用户与用户终端的小范幽内的移动及无线接入，业务主 要限于数据存取，最初速率最高只能达到2 m b p s 。后来在8 0 2 1 1 的基础上又 相继推出了速率更高的8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l a b 两个新标准。 北京邮电大学硕二i 论文基于u w b 的自组织无线传感器网络的设计研究 8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频带，物理层速率可达5 4 mb s ，传输层速率可达 2 5 m b p s 。采用正交频分复用f o f d m ) 技术，可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口 和1 0 mb p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d t d m a 的空中接口：支持语 音、数据、图像业务。一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。 但是，芯片还没有进入市场、设备昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济、 不适合小型设备，因此应用较少。据报道，目前r a d i a t a 公司的低成本c m o s 无线引擎芯片装置己可支持8 0 2 1 l a ，而另一家公司a t h e r o s 也已推出支持 8 0 2 1 l a 的芯片组。 8 0 2 1 l b 使用2 4 gh z 微波频段，最高速率为l l m b p s ，在办公环境下作用 范围约1 0 0 m 左右，在室外可达3 0 0 m 。8 0 2 1 l b 的射频和基带协议比较复杂， 实现成本高( 1 0 0 美元- - 2 0 0 美元1 ，同时8 0 2 1 1 b 的硬件实现需要较大的容纳空 间，它的平均功耗在l w 左右，这在无线传感器网络中显然是不可行的。 从技术上看，技术上8 0 2 1 1 、8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 三者之间的主要差别在于 m a c 子层和物理层。8 0 2 1 l b 标准的物理层采用一种新的调制技术c c k 来完 成，使用动态速率漂移，可因环境变化，速率在1 1 m b p s ，5 5 m b p s ，2 m t , p s ， 1 m b p s 之间切换。目前已有多家公司推出遵循8 0 2 1 l b 标准的w l a n 产品， 包括网卡、接入点a p 等，也有多家芯片公司推出了支持8 0 2 1 l b 的w l a n 芯 片，最著名的是i n t e r s i l 公司的p r i s m 芯片组叫。 2 1 3 红外通信技术 红外f i n f r a r e dr e m 通信技术是通过波长为8 5 0 r i m 的红外光传输数据红外 光线直线传输、易受遮拦，且只支持点对点视距连接，收发装置的光路夹角一 般在3 0 度内，常用通信距离为1 - 3 m 。红外技术只能实现点对点的连接，无法 实现点对多点的连接，这样就无法灵活地构成网络。同时红外必须在视线可达 的范围内定向传输，中间不能山任何阻挡，同时要求通信设备的位置相当固定， 无法用于移动设备。因此红外通信方式不能应用于无线传感器网络中。 2 1 4 低功率无线射频通信技术 它一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构 成专用或通用无线通信模块，一般射频芯片采用f s k 调制方式，工作于i s m 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用 户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即 可实现基本的数据无线传输功能，因其功率小，开发简单快速而应用广泛，但 数据传输速度、流量都较小较适合搭建小型网络。在工业，民用领域使用较广。 北京邮电大学硕士论文基于u w b 的白组织无线传感器删络的设计研究 其中较典型的就是n o r d i c 公司生产的。r f 2 4 x x 系列芯片。 n r f 2 4 x x 系列芯片是n o r d i c 与其亚太地区最佳代理迅通科技在中国首次 发布2 4 g h z 单片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 无线产品，n r f 2 4 0 1 为2 4 gh z 全 球开放频段产品，采用o 1 8u m 工艺设计，只有高集成度和极具竞争力的成本 优势；真正的s o c 单片系统，只有两个外围元件( 一个晶体和一个电阻) ，是业 界外围元件最少的单片无线收发芯片；内置硬件c r c 检错电路和多址通信控 制，减少软件开销；n r f 2 4 0 1 的优异性能可应用在无线标签、无线终端、无线耳 机、无线鼠标、无线键盘、j o y s t i c k 等产品设计，在大多数场合可以替代蓝牙 的设计。 2 2u w b 超宽带无线通信的关键技术 2 2 1 发展现状及前景 2 0 0 2 年2 月1 4 目，美国联邦通信委员会( f c c ：f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n s c o m m i s s i o n ) 才正式将3 1 g 1 0 6 g h z 频带向作为室内通信用途的u w b 开放。 f c c 准许u w b 技术进入民用领域的条件就是“在发送功率低于美国放射噪音 规定值- - 4 1 3 d b m m h z ( 换算为功率则为l m w m h z ) 的条件下，可将3 1 g h z 1 0 6 g h z 的频带用于对地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以 及在家电终端和便携式终端间进行测距和无线数据通信”。 美国i e e e 协会中负责制订短距离宽带无线标准的8 0 2 1 5 3 a 工作组自2 0 0 2 年u w b 解禁以来就确定了将它用于8 0 2 1 5 3 标准的基础。虽然先后有多家美 日等厂商提交了标准技术，但目前u w b 的实现方式主要有两种。美国摩托罗 拉等倡导利用d s c c d m a ( 直接序列码分多址) 技术的方式。采用这种技术 时，多个传输任务共享整个频率范围，使多个u w b 设备建立连接更为容易。 而美国英特尔与美国得州仪器公司则倡导“多频段o f d m ”的方式。它将u w b 使用的频带分割为多个频段，利用原来无线l a n 技术i e e e8 0 2 1 l a g 使用的 “o f d m ( 正交频分复用) ”调制技术进行通信。 随着u w b 无线通信技术商业化的开始，这项技术为同时支持高速应用和 部署低速智能设备的短距离无线通信系统提供了可能性。目前许多应用场景都 适合使用uwb 无线通信技术，主要包括高速无线个人网( h d r w p a n ) 、 无线以太网接口链路( w e l l ) 、智能天线区域网( i w a n ) 、室外点对点网络 ( o p p n ) 、传感器网络、定位和识别网络( s p i n ) 等。其中，前三种情况中 假定u w b 无线通信设备网络是部署于居民区或者办公区，主要传送用于娱乐 的无线视频、音频和控制信号；第四种情况提供室外点对点连接；第五种则考 北京邮电大学硕士论文 基于l r w b 的自纰织无线传感器网络的计研究 虑到了：| 商业环境。 2 2 2u w b 的关键技术 u w b 无线电是种对拥有宽带宽的无线系统的通称，例如按照f c c ( u s f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n 美国联邦通信委员会) 的定义：带宽超过 其中心频率的1 4 或者射频带宽超过5 0 0 m h z 的无线系统。”1u w b 技术最基 本的工作原理是发送和接收脉冲问隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短 时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把 脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设 备复杂性。u w b 技术采用脉冲调制，单周期脉冲来携带信息和信道编码，一 般工作脉宽0 1 1 5 n s ，重复周期在2 5 1 0 0 0 n s 。 2 2 2 1 脉冲信号源技术 u w b 无线技术是以短脉冲( n s 级) 编码传输方式，获得低功耗高速率性 能的宽带无线传输技术。目前，在u w b 领域主要有两种技术相互竞争：时域 ( 时间调制) 超宽带技术( t i m e m o d u l a t e du w b ： r m - - u w b ) 和直序列( 相位调制) 超宽带技术( d i r e c ts e q u e n c ep h a s ec o d e d ：u w bd s c - - u w b ) 。 产生u w b 信号的方法有多种，而其中目前应用最广的既是t h u w b 以 及d s c u w b 。无线传播特性以及相应的通信容量在这两种宽带信号产生的技 术中都得到了充分的考虑。例如，降低对其他使用这个频率的无线系统的干扰， 以及减少多径传播的影响。 t h u w b 采用瞬时开关技术来产生短脉冲或只有很少几个过零点的波 形，可以将能量扩展到很宽的频带内。脉冲由专用宽带天线，以每秒几十兆至 几百兆赫兹的高速率发射，这些脉冲在时间上以随机或伪随机间隔进行分布， 进而可在时域和频域上产生多个噪声编码信道和一个类似噪声的信号。对脉冲 进行时间编码形成多个信道，实现多址通信。 直接序列相位编码调制称作直接序列调制f d i r e c ts e q u e n c ec o d ed s c ) 或 双相调制( b ip h a s em o d u l a t i o nb p m l ，采用一种以gb i t s 速率发射的高占空比 宽带脉冲相位编码序列。这种方案类似于直接序列扩频，其实现方法是在发端 将二进制数据信息( + 1 ，一1 1 直接与一串速率达到百mb i t s 的由伪随机码控制极 性的冲激序列相乘，以对数据进行编码来区分不同信道而实现码分多址，在短 距离范围内d s cu w b 能提供极高的数据率”1 。脉冲序列多个编码脉冲表示 一个比特，脉冲发送间隔与p n 码的码片宽度相同，收端将接收信号再次与相 同的伪随机码控制的冲激脉冲序列相乘，然后通过检测脉冲极性，即可解调出 北京邮电大学碗一l 一论文 基十u w b 的自纰织无线传感器嘲络的设计研究 数据。这种方式形成的信号是高占空比的冲激脉冲序列，编码增益能提供抗多 径干扰能力。 对于现有的窄带系统而言，信号频谱宽极宽的u w b 信号对它们的干扰仅 仅是背景噪声稍微增强了一点，而且这种影响只是发生在u w b 信号源附近数 米的范围内。同时，相对于窄带而言，高带宽则意味着更高的处理增益，既付 出更低的功耗。按照f c c 定义：在三米的距离内和1 m h z 的带宽上，以高于 2 g h z 的频率传送的功耗低于5 0 0 m v m 。 2 2 2 2 脉冲调制技术 在超宽带脉冲无线系统中，信息是调制在脉冲上传递的，既可以用单个脉 冲传递不同的信息，也可以使用多个脉冲传递相同的信息。调制方式的选择受 两方面的制约：是最佳的误码性能；二是信号功率谱密度的结构。这都缘于 u w b 的传输功率受传输信号的功率谱密度限制。 脉冲位置调制( p p m ) 和脉冲幅度调制( p a m ) 是超宽带无线电的两种主 要调制方式。 对于单个脉冲，脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。经典 的单脉冲调制技术包括：脉冲幅度调n 0 a m ) 、脉冲位置调制f p p m ) 、二相调 锚t j ( b p m ) 和开关键控( o o 目等。综合考虑可靠性、有效性和多址性能等因素， 目前广泛受关注的是p p m ( t h p p m ，跳时脉位调制) 以及跳时直扩二进制 相移键控调制t h d s b p s k 。 p p m 又称时间调制( t m ) ，是用每个脉冲出现的位置超前或落后于某一 标准或特定的时刻来表示某个特定信息的，因此对调制信号需要在接收端用匹 配滤波的技术来正确接收，即对调制信息用交叉相关器在达到零相差的时候进 行检测，否则，达不到正确接收的目的。而p a m 是用信息符号控制脉冲幅度 的一种调制方式。 实际上，为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能，在超宽带脉冲无线 系统中，往往采用多个脉冲传递相同的信息，这就是多脉冲调制的基本思想。 当采用多脉冲调制时，把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲，那么， 多脉冲调制过程可以分两步：第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制，第二步 为每组脉冲作为整体被调制。在第一步中，每组脉冲内部的单个脉冲通常采用 p p m 或b p m 调制；在第二步中，每组脉冲作为整体通常可以采用p a m 、p p m 或b p m 调制。一般把第一步称为扩谱，而把第二步称为信息调制。典型的t h s s p p m ( 跳时扩谱p p m ) ，结构如下( 图2 - 1 ) 所示： 北京邮电大学硕士论文基于u w b 的自组织无线传感器网络的设计研究 图2 1u w bb a s e do n t h s s p p m 结构 2 2 2 3 脉冲发射和接收技术 u w b 系统采用相关接收技术，关键部件称为相关器( c o r r e l a t o r ) 。相关 器用准备好的模板波形乘以接收到的射频信号，再积分就得到一个直流输出电 压。相乘和积分只发生在脉冲持续时间内，间歇期则没有。处理过程一般在不 到l n s 的时间内完成。相关器实质上是改进了的延迟探测器，模板波形匹配时， 相关器的输出结果量度了接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差。 u w b 收发信机中，信息可被几种不同技术调制，如p a m 脉冲幅度调制或 p p m 调制发射脉冲。在接收端，天线收集信号能量经放大后通过匹配滤波或相 关接收机处理，再经高增益门限电路恢复原来信息。相对于超外差接收机而言， 它实现相对简单，没有本振、功放、p l i ( 锁相环) 、v c o ( 压控振荡器) 、 混频器等，制造成本低。u w b 接收机的一个优点是它可以全数字化实现，采 用软件无线电技术，可动态调整数据率、功耗等。 与传统的无线收发信机结构相比，u w b 收发信机的结构b 1 相对简单。如 下图( 图2 2 ) i 墨笔扣 图2 2 发射和相关接收结构 北京邮电大学硕= 仁论文 基于u w b 的自组织无线怙感器网络的设计研究 在发射端，数据直接对射频脉冲调制，再通过可编程延时器件对脉冲进一 步时延控制，最后通过超宽带天线发射出去。在接收端，信号通过相关器与本 地模板波形相乘，积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中，由捕获 跟踪部分、时钟振荡器和( 跳时) 码产生器控制可编程延时器，根据相应的时延 产生本地模板波形，与接收信号相乘。整个收发信机几乎全部由数字电路构成， 便于降低成本和小型化。 由于u w b 信号需要用时域的方法进行分析，多用于户内密集多径( 多径可 达3 0 条) 的条件下，而且每条路径的信号能量都很小，难以对每条信道做出估 计。 所以使u w b 信号的r a k e 接收成为可能。r a k e 模型如图2 3 所示： 图2 - 3r a k e 接收机结构 2 3 媒体接入控制m a c 协议 m a c 全称m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( 媒体访问控制子层) ，该协议位于o s i