基于IEEE802.15标准的无线传感网通信系统及芯片研究

• 作 者: 王翔
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 无线传感器网络 IEEE802.15.4标准 多速率网络 低功耗设计 片上系统芯片 增益分配 频谱优化

无线传感器网络越来越为广泛的应用,对无线通信提出了传输距离、传输速率和网络共存性的新需求,近年来微电子的发展也给传感器网络的无线通信的提供了新的技术支持。研究新的低功耗、低成本的无线传感器网络通信系统对无线传感器网络的进一步应用推广有着重要作用。　　
本文针对多速率的无线传感器网络通信技术开展了广泛研究。从系统性的角度出发,综合考量无线传感器网络低功耗、低成本和低复杂度等特性,设计了兼容IEEE802.15.4国际标准的多速率无线传感器网络系统MR-WSN(Multi-Rate WirelessSensor Networks),并研发相应的片上系统芯片。本文主要贡献如下:　　
首先,基于无线传感器网络对传输距离等需求变化的分析,提出了多速率的物理层设计思想。从低复杂度的切换机制、抗频偏策略、整系统增益分配、频谱优化和兼容性多个方面设计并优化了MR-WSN系统,此系统通过扩频因子的切换来实现多速率传输;　　
其次,研究了MR-WSN系统的网络共存性能。推算系统各级速率的抗干扰能力,结合同在780MHz频段上的IEEE802.15.4c网络,分析MR-WSN系统在此网络干扰下的传输性能,并给出相应的系统模型;　　
再次,无线传感器网络由于随机布设和工作时间不同,不同应用场景的信道特征不尽相同,同一应用场景在不同时刻的信道特征也不相同,现有的多速率调度算法无法在各种信道条件下均表现良好的调度性能。本文提出一种新的信道自适应多速率调度算法,能够根据信道状况自适应切换速率调度策略,因而在无线传感器网络各个应用场景均有良好的使用性能;　　
最后,依据无线传感器网络片上系统的设计的要求,解决了MR-WSN在实现过程中遇到的具体问题。主要包括:1)提出了大载波频偏估计的改进算法,可同时满足频偏估计范围、估计精度和复杂度的需求;2)选用单比特ADC来进行接收机模数转换,在牺牲较小性能的基础上,带来了系统复杂度和功耗的明显下降,并分析了选用策略和原因:3)采用多进制扩频的软译码方式,最大化多进制扩频与卷积编码级联时的性能。　　
本文研究的MR-WSN系统方案目前已被IEEE802.15.4g标准工作组的接受和认可,成为即将发布的IEEE802.15.4标准修正案的重要组成部分。