无线传感器通信可以采用通用射频前端，系统 模型如图3所示。在发送机主要模块有数/模转换器 (DAC)，重构滤波器(Filter)，上变频混频器(Mixer)， 频率合成器(RF Synthesizer)；接收机有射频滤波器， 低噪声放大器(LNA)，下变频混频器，基带滤波器， 基带放大器(Base-band Amplifier)，模/数转换器 (ADC)。
图3 无线通信收发机模拟电路部分系统模型
我们在前期的工作中，对射频前端建模，以WiFi 系统为例(可以改进推广到无线传感器网络通信)，主 要器件的功耗情况如表1所示。其中的数据主要来源 于RFMD和TI公司的产品以及我们前期建立的系统模 型。表1给出了不同的系统参数对射频前端各模块功 耗的影响。例如，A类功率放大器的功耗是峰均功率 比(PAR)、传输距离(d)、调制级数(b)和误码率(BER) 的函数。同时给出了在不同工作模式下，射频模块的 功耗示例。
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卷 100 积码在编码过 R=4/5,K=3 程中引入了寄存器，增加了码 元之10间-2 的相关性，᳾㓪ⷕ在相同复杂度的条件下可以获得比
10-4
分组10码-6 更高的编码增R益=3/4,K。=3 卷积码的译码算法主要采用 维特10比-8 (Viterbi)译码算法R=2/3，,K=3 实现相对简单，但是纠错 能力不 10-10 如Turbo R=1/2,K=3码和LDPC码，抗衰落能力差。但是
最近二十年间，以互联网为代表的计算机网络技 术给世界带来了深刻变化，然而，网络功能再强大， 网络世界再丰富，终究是虚拟的，与现实世界还是相 隔的。互联网必须与传感网络相结合，才能与现实世 界相联系。集成了传感器、微机电系统和网络三大技 术的新型传感网络(又称物联网)，是一种全新的信息 获取和处理技术，其目的是让物品与网络连接，使之 能被感知、方便识别和管理。物联网用途广泛，遍及 智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家 居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多 个领域。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界 信息产业的第三次浪潮。业内专家认为，物联网一方 面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以 为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧 盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国 高度关注与重视物联网的研究，工业和信息化部会同 有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以 形成支持新一代信息技术发展的政策措施。2009年8 月7日，温家宝总理在江苏无锡调研时，对微纳传感 器研发中心予以高度关注。温家宝总理指出“在传感 网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技 术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发 展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感 知中国’中心”。

行列，使我国在信息技术领域迎头赶上甚至占领产业 价值链的高端成为可能。
2 低功耗通信技术
在无线传感器网络中，低功耗是其核心问题。 随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功 耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。 有研究表明，传输1比特信息至100米远的距离需要 消耗的能量，大约相当于执行3000条计算指令。因 此，延长无线传感器网络的工作寿命，重点在于降低 通信模块的能耗。
右时，准确率在±8%左右。
2.2 以能效比为优化目标的自适应调制编码
实现高能效比的无线传感器网络通信系统，我们 需要如图2所示，根据无线传感器网络的应用和时变 的无线通信信道，自适应改变数字调制方式和级数， 动态控制发射功率，在系统限定的应用范围内和通信 信道条件相适应。
2.2.1 自适应信道编码
对于需要传输的数据信息，经过信道纠错编码，
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Vol. 3 No.11/ Nov. 2009
无线传感器网络综述
李烨 张旗 黄晓霞
摘 要 随着“感知中国”、“智慧地球”等战略性的课题提出，无线传感网络的核心技术与标准将成为各国争相研究的 热点。在无线传感网络中，低功耗是最核心的问题。本文以降低节点的通信能耗和延长网络寿命为出发点，阐明了通信 OSI模型中物理层、数据链路层、网络层以及传输层的低功耗策略与方法。
传统的固定调制编码方式，为了保证系统的误码
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表1中䇃ⷕ的⥛参数㓪RⷕS为信号䆥ⷕ的符号䆥ⷕ传输速ࡳ率㗫 ，K是䆥ⷕ混
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频LTDur率PbCo ⷕⷕ，FLO᳔䕗是ԢԢ本地振催Ԣ荡器频䕗᳔率催催 ，Fre䕗᳔f ໻໻是参考䕗᳔频催催 率，A催Ԣ是
图2 无线传感器网络低能耗通信设计流程图
在具体的实施中，如图2所示，我们首先需要对 通信信道进行精确地建模以模拟无线传感器网络的工 作环境；建立准确的系统级通信电路能量模型，衡量 通信各参数对电路能量、噪声、非线性干扰的影响； 在物理层研究自适应调制编码、准同步分集传输技 术，干扰检测和避让技术，节点状态快速切换等算 法，提高通信的可靠性、降低电路的能耗；在MAC 层，我们要合理优化休眠和工作时间，减少启动时 间，合理的冲突避让等；在硬件电路层面，由于放大 器的功耗在整个通信模块中占了相当大的比重，同时 非线性对通信质量的影响很大，用数字预失真校正的 方法提高放大器的效率、增加线性度是必不可少的； 最后，我们建立系统能量最低的目标方程，设立各层 的条件方程，用凸优化的方法求得最优的通信系统参
图1 物联网示例图 在物联网这个全新产业中，我国的技术研发水 平处于世界前列，具有重大的影响力。“与计算机、 互联网产业不同，中国在‘物联网’领域享有国际 话语权！”早在1999年，中科院就启动了传感网研 究，由其提出的传感网络体系架构、标准体系、演进 路线、协同架构等代表传感网络发展方向的顶层设计 已被ISO/IEC国际标准认可。目前，我国传感网络研 究已形成以应用为驱动的特色发展路线，在技术、标 准、产业、规模和应用与服务等方面进入了世界领先
考虑10到-1-230 无-20线-传10 感0 器10节点20 有30 限40的资50 源，译码相对简单的
থᇘࡳ⥛(dBm)
卷积码将作为一种主要的备选编码方式。我们准备
通过交织抵御突发性的错误(Bursty Error)，通过打孔
(Punctured)的方法，提高码率，当然打孔改变码率
的方法也会增加错误概率。
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无线传感器网络综述
数。另外，无线传感器网络需要对干扰有一定的检测 和避让能力，增强通信的可靠性。
2.1 建立无线传感器网络节点射频前端的准 确能量模型
在无线通信中，由于射频前端在很高的频率下 处理模拟信号，与其它部分相比通常会消耗更多的能 量，例如基于IEEE 802.11b的 Intersil PRISM II 无线网 卡，媒体接入控制(MAC)处理器的能量损耗大约为 110 mW，数字基带处理是170 mW，除功放外的模 拟电路功耗是240 mW，功率放大器是600 mW。由 此可见，近75%功率是在模拟和射频部分消耗的；另 一方面，通信数字基带的各参数设置对射频的功耗和 性能也会带来极大的影响。因此在低能耗的无线传感 网络通信中，我们首先要建立准确的系统级能量模 型，对能量消耗最大的射频前端模块做细致地分析， 找出对能耗、性能起决定作用的参数，合理设置参数 值。同时，新型的数字基带算法能在系统级的能量模 型上评估其能耗和噪声上的表现，使系统工程师在流 片前预知性能。综上所述，系统级的准确能量模型能 为高能效无线传感器网络通信研究提供平台。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
低噪声放大器的增益，SQNR是信号与量化噪声的比
100
值，f是模/数转R=换4/5,K器=3 中信号的频率，OSR是数模变换
α 10-2
时的过
采样率
，᳾B㓪ⷕ是基带放
大器的
带宽，
10-4
BA是基带
放1大0-6 器的增益，Vdd
是直流电压，Iref
R=3/4,K=3
是参考电流。
10-8 为了验证能量模型R的=2/3,K准=3 确性，我们选取了市面最

Vol. 3 No.11/ Nov. 2009
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表1 不同射频前端模块的能量相关参数列表
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1 引言
无线自组织传感器网络被认为是新世纪最重要的 技术之一。无线传感器网络应用前景非常广阔，能够 广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能 家居、建筑物状态监控、城市交通、大型车间和仓库 管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。 随着“感知中国”、“智慧地球”等国家战略性的课 题提出，传感器网络技术的发展对整个国家的社会与 经济，甚至人类未来的生活方式都将产生重大意义。