低功耗广覆盖无线网络物理层的关键技术研究

发布时间：2017-06-30 11:24

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【摘要】：低功耗、广覆盖无线网络通常要求设备能够在以电池作为主电源的情况下长期稳定的工作,可应用于环境、农业、建筑等基础设施的监控领域,IEEE针对这一需求在低速无线个域网IEEE 802.15.4标准的基础上起草了IEEE802.15.4k标准。作为对原标准的补充,IEEE 802.15.4k适用于低功耗关键基础设施监控(LECIM: Low Energy Critical Infrastructure Monitoring)网络,在物理层的信号编码调制及媒体访问控制层的接入机制等方面提供了具体的建议。本文对IEEE 802.15.4k标准进行了研究和总结,包括信道编码,信号交织、直接序列扩频等物理层关键技术。鉴于目前尚未有针对该标准的具体实现,本文基于微控制器(MCU:Microcontroller Unit)和射频模块,利用软件无线电技术设计并实现了基于该标准的节点设备。使用该软硬件平台,在市区环境下对通信的质量进行了测试,以验证是否满足标准和具体需求。为了增强节点的灵活性,使用移动智能终端作为上位机,设计了查询机制,以无线方式对附近节点的运行参数进行动态调整。在该机制的作用下,节点既可以在工作以外的时间自动进入休眠,又可以在一定时间内响应上位机发送的参数配置信息。本文在低功耗广覆盖网络的应用方面做了一些探索,设计了车位状态监测应用和基于GPS的定位应用,为保证节点能够在电池供电的条件下长期工作,针对具体的应用设计了低功耗机制,根据功耗测试数据对电池的续航时间进行了估计。本文的主要贡献和创新之处体现在以下几个方面：设计开发了基于IEEE802.15.4k标准的节点设备原型,验证了网络的广覆盖特性；结合网络吞吐量小,允许一定延时的特点,将软件无线电技术应用于微控制器,在软件设计上做了诸多优化,克服了较大的扩频因子所带来的存储和计算问题；将低功耗广覆盖网络应用在物联网领域中,并验证了其低功耗特性。
【关键词】：低功耗广覆盖无线网络 微控制器 软件无线电技术 低功耗 无线传感器网络
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN92
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-17
• 1.1 研究背景11
• 1.2 低功耗广覆盖无线网络的研究现状11-13
• 1.2.1 低功耗广覆盖个域网标准11-12
• 1.2.2 超窄带技术12-13
• 1.3 论文研究意义13-14
• 1.4 论文主要研究内容和结构安排14-17
• 2 低功耗广覆盖无线网络17-25
• 2.1 网络架构17-18
• 2.2 物理层协议数据单元18-19
• 2.3 IEEE 802.15.4K物理层信号处理19-23
• 2.3.1 前向纠错19-20
• 2.3.2 交织20-22
• 2.3.3 直接序列扩频22-23
• 2.4 本章总结23-25
• 3 低功耗广覆盖网络节点软件无线电设计实现25-69
• 3.1 节点设备设计目标25
• 3.2 硬件选型25-29
• 3.2.1 射频芯片25-26
• 3.2.2 主控制器26-29
• 3.3 软件设计29-46
• 3.3.1 射频驱动设计29-34
• 3.3.2 IEEE 802.15.4k信号处理算法34-38
• 3.3.3 系统实现38-46
• 3.4 优化与改进46-65
• 3.4.1 提高扩频因子上限47-53
• 3.4.2 提高运行效率53-57
• 3.4.3 调整运行时参数57-65
• 3.5 测试结果65-68
• 3.6 本章小结68-69
• 4 低功耗广覆盖网络在物联网的典型应用69-81
• 4.1 车位状态监测69-75
• 4.1.1 系统方案69-70
• 4.1.2 系统设计70-74
• 4.1.3 功耗测试74-75
• 4.2 基于GPS的定位系统75-79
• 4.2.1 系统方案75-76
• 4.2.2 系统设计76-79
• 4.3 本章小结79-81
• 5 总结和展望81-83
• 5.1 工作总结81
• 5.2 工作展望81-83
• 参考文献83-87
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果87-91
• 学位论文数据集91

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7 邹，

本文编号：501772