Kablosuz Sensör Ağlarında Faz Modulation'a Giriş
Kablosuz Sensör Ağları (WSNs) merkezi bir temel istasyona veya ağ geçidine kablosuz iletişim kurmanın temel zorluğu, çevresel algılama, endüstriyel otomasyon, sağlık ve savunma uygulamaları ile ilgili her ağ, kablosuz iletişim kurma yeteneği ile ilgili birçok düşük maliyetli, düşük güç sensörü düğümü oluşturur.Vizyonlama teknikleri arasında, modülasyon (PM), bu kısıtlamaların birçok önemli ölçüde güvenilir, enerji verimliliği ve yüksek oranda iletişim sağlayarak bu kısıtlamaların önemli avantajları sunar.
Faz Modulation
Faz modulation, frekansa göre, PM değişiklikleri sadece bir sinüsoid taşıyıcısı \(t) = A \cos(2\pi f c t + \phi(t) \) iletilen, \ (parçalı) \) iletilen iletişimin (geçmiş) = A \ c t + \) = \) \) = \ (geçici) \) \) \ (geçmiş) \) \ (geçmiş) \) \) \ (geçmiş) \) \) \ (geçmiş) \) \) \ (geçmiş) \) \) \) \) \) \) \) \) \) \ (geçmiş \) \) \) \) \ (geçmiş \ (geçmiş \) \ (geçmiş \) \) \) \) \) \) \) \) \) \ (geçmiş \) \) \) \) \)
PM'in diğer modulation türlerinden temel avantajı, yüksek sipariş takımyıldızları ile sembolünün yüksek çözünürlükte olduğu ortamlarda etkin şekilde çalışabilir (örneğin, QPSK, 8PSK, 16-PSK), iletişim kurma veya müdahale nedeniyle sinyal gücü dalgalanmaları için uygun şekilde çalışabilir.
Kablosuz Sensör Ağlarında Uygulama
Enerji Verimliliği
Battery-güçlü sensör düğümleri, aynı miktar hata oranına kıyasla aylarca veya yıllar boyunca çalışmalıdır (BER) Bu, özellikle de çiftleştirilmiş PSK (BPSK) ve dörtlü PSK (QPSK), sabitlenme süresine kıyasla daha düşük olan gücü azaltır.In practice, PM tabanlı transiversiyonel hızlama sistemleri ile aynı hızda çalıştırılabilir.
Interference Direniş
Kablosuz sensör ağları genellikle sınırsız spektrum gruplarında çalışır (örneğin, 2.4 GHz ISM grubu) bu tür hataların düzeltilmesini gerektiren bir kanal değişikliğini sağlar.Devrimiçi bir şekilde, kanaldaki tepki hızı ve çoklu empatiyi azaltabilir.
Yüksek Veri Oranları
Birçok WSN uygulaması sadece mütevazı veri oranları (kbps), yapısal sağlık izleme, yüksek çözünürlüklü görüntü iletimi ve gerçek zamanlı video gözetimi, aynı bant genişliğini işgal ederken, diğer ölçeklerde de veri düğümleri patlamasını sağlar.
Uygulama Teknikleri
WSN'lerde faz modulation'ın en yaygın uygulaması, farklı senaryolar için optimize edilmiş birden çok değişkenle Aşama Değiştirilmesidir:
- [FONT=0)Binary PSK (BPSK): ) Katılık ve düşük karmaşıklık için iki aşama devleti (180 ve 180°) kullanır.
- [FONT=0)Quadrature PSK (QPSK): [Dönetici: 45°, 135°, 225°, 315°) sembolünü iki katına çıkarmak için BPSK'nin üzerindeki veri oranını ikiye katlamak, orta düzey sensör bağlantıları tercih etmek için tercih edilen seçimi yapmak.
- [FONT=0) Yüksek performanslı PSK (8-PSK, 16-PSK: ), daha yüksek ⁇ verimliliği elde etmek için faz durumlarının sayısını artırmaktadır. Ancak, bu takımlar daha fazla gürültü ve fadinga duyarlıdır, daha güçlü hata düzeltme ve daha yüksek SNR'ye ihtiyaç duyuyorlar.
- [FONTSK: [FONTSK: İkincil semboller arasındaki faz farkı, bir eşinli faz referansı için gerekli olan ihtiyacı ortadan kaldırmak.Bu, alıcı tasarımı (daha önce tespit edilen bir algılama) SNR. DPSK'da bir dB kaybının düşük maliyetlidir.
Pratik transceiver uygulamaları, IQ modülatörü (DSP) oluşturmak ve demodulate PSK sinyalleri üretmek için dijital sinyal işlemeye (DSP) güveniyor. verici tarafta, temel bant verileri istenen aşama puanlarını temsil eden karmaşık sembollere göre haritalandı, sonra bir IQ modülatörü kullanarak. Gelişmiş düğümler, genellikle alıcının işaretlerini kullanarak alıcı sınırları uyumlu bir şekilde uyumlu hale getirmek için çerçeveyi veya karar devre dışı bırakmak için çerçeveyi içerebilir.For DPSK için, diferansiyel algılama, önceki paragrafları kullanarak önceki paragrafları karşılaştırır.
Meydanlar ve düşünceler
Donanım Kompleksi
Fazılımsızlık, hem de alıcıda hem de alıcıda kesin bir aşama kontrolü gerektirir. taşıyıcı sinyali düşük aşama gürültü ile sabit bir yerel osilatör tarafından oluşturulmalıdır. Aşama gürültünün süresine göre, 3[Dönemli yüksek siparişler için, özellikle düşük maliyetli osilatörler için bir göstergeye göre daha az maliyet ve güç tüketimine yol açar.
senkronizasyon
Gürültülü ve alıcı arasındaki doğru senkronizasyon, büyük frekans ve faz belirsizliği nedeniyle genellikle taşıyıcı frekans dengelemesini tahmin etmelidir (örneğin, taşıyıcı fazını dengelemek için), alıcının veri iletimini elde etmesine izin vermek için.Bu önbellekli yük devretme ve enerji tasarrufu ile ilgili olarak daha düşük bir olasılıktır.
Çevre Faktörleri
Aşırılık değişiklikleri, çok yönlü gecikmeler ile ilgili olarak, dışsal akışlar veya hızlayıcılar ile daha iyi bir şekilde ortaya çıkabilir (OF) bu, ancak bu karmaşıklık, sıcaklık dalgalanmaları, dışsal akışlar için gerekli olan alt düzeye kadar yükseltilebilir.
Hata Performansı ve Kodlama
Faz modülasyonu sadece gürültülü kanallarda hatasız iletişim elde edemez. İleri hata düzeltmesi (FEC) kodları genellikle WSN'deki BER. Common kodları ile birlikte BER. Common kodları, Reed-Solomon kodları ve düşük kontrol (PC) kodlarına karşı işlem yapmak için, örneğin, IEEE 802.15.4 standart, BPSK ve QPSK'nin farklı kodlamalar ile bir kombinasyonunu kullanır.
Future Perspektifleri
Adaptasyon ve Bilişsel Modulation
WSN'lerin dinamik, kendini yapılandırma ağlarının evrimi, gerçek zamanlı olarak adapte olabilecek modülasyon şemaları talep eder.Adaptive modulation of WSNs to dynamic, self-configure network requests modulation scheduleulation schedule that can adapt in real time. Adaptive modulation and kodlama (AMC) teknikleri, daha güçlü kodlama ile BPSK'ye geri dönerken, kanal durumunu genişleten ağ ömrünü uzatarak, bilişsel WSN'ler üzerinde araştırma, yüksek çözünürlükte 16-PSK'yı kullanarak algılayabilir.
Yazılım Savunmalı Radyo (SDR) Bütünleşme
Yazılım tanımlı radyolar, modülasyon parametrelerinin donanım değişiklikleri olmadan yazılım aracılığıyla değiştirilmesine izin verir. Bu esneklik 50 mW altında tüketmek veya protokolleri geliştirmeye adapte olması gerekir. SDR uygulamaları, düşük seviyeli düğümler veya ARM Cortex-M cihazlarının üzerinde uygulama alanları gösterilmiştir, 50 mW altında 2 Mbps'ye kadar veri oranları elde etmek.SDR donanımı güç ve maliyetle küçülmeye devam eder.
Internet of Things (IoT) ve 5G ile entegrasyon
IoT ekosistemi, düşük güç ve geniş iletişim için tasarlanmış olan NB-IoT, LTE-M ve 5G NR gibi standartları giderek daha fazla kullanır (örneğin, RM / BPSK) ile daha basitleştirilmiş veri iletimini kullanarak, daha kolay bağlantıya sahip olan bu mikro-bölgesel iletişim için tasarlanmıştır.
Optimizasyon için Makine Öğrenme
Makine öğrenme (ML) algoritmaları, WSN'lerde modülasyon ve kodlama kararlarını optimize etmek için uygulanır. Örneğin, bir takviye öğrenme ajanı tarihsel paket kaybı, batarya seviyesi ve trafik modellerine dayalı olarak kullanmak için en iyi PSK takımlarını öğrenebilir ve mikro kontrolel tabanlı sensör düğümleri için dağıtım için bilgisayar tahminlerini ve tespitini gerçekleştirebilir.
Biomedical ve Wearable Cihazlar için Ultra-Low-Power Faz Modulation for Biomedical and Wearable Devices
Vücut uzay ağları (BAN), son derece düşük güç tüketimi zorunludur, alt devre tasarımı ve enjeksiyon sonrası oscillators kullanarak, fotokojoule aralığına kadar enerji azaltıcı vaat eder (örneğin, QPSK transce (DPSK) birçok implantatif tıbbi cihazlarla çalışır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Faz modulation, enerji verimliliği, müdahale esnekliği ve donanımla ilgili zorlukları iyi bir şekilde ayarlar. Temel BPSK uygulamaları düşük maliyetli Zigbee cihazlarının bilişsel WSNs'te daha yüksek sipariş PSK'ya uyum sağlamasını sağlarken, faz modülasyonu, donanım senkronizasyonu ve çevresel etkilerle ilgili sorunlarla ilgili olarak, dijital sinyal işleme, yazılım tanımlı radyoda devam eden gelişmelerden ve makine öğrenimi, bu engellerin sürekli olarak azaltılmasına olanak sağlar.