本论文主要从无线传感器节点和链路节能的角度出发，致力于设计和分析无线传感器网络的节能调制方案，分别对它们的能量消耗进行评估，对它们的节能性能进行比较，并以电池能耗最小化为目标对其调制参数进行优化。我们考虑了三种具有代表性的调制方案：M元正交幅度调制(QAM)、频移键控(FSK)和脉冲位置调制(PPM)，其中主要研究了FSK和PPM方案。 在第一章中，基于无线通信技术的发展历程，叙述了无线传感器网络技术在无线通信中的位置、重要性及其应用发展；也叙述了无线传感器网络的基本概念、网络结构、技术特点和挑战以及其关键技术；从而引入无线传感器网络的瓶颈问题一节能问题，并对节能技术进行介绍。 在无线通信领域，各种高低端无线接入技术将使通信网络覆盖全球的目标真正得以实现。无线传感器网络技术是正在兴起的基于IEEE 802.15.4标准的低功耗、低数据率、低成本网络接入技术，它集数据采集、数据处理和数据通信功能为一体，将各种复杂环境下的最原始数据汇集起来，送到数据中心作进一步处理或接入互联网供众人分享。因此无线传感器网络技术能真正将网络延伸到无人能及之地。近几年来，无线传感器网络已经在军事上、学术界和民用上引起了广泛的兴趣和研究热潮：它被预测为本世纪四大新技术之一。 在无线传感器网络的关键技术中，节能问题的研究尤为重要，它涉及到网络生存寿命的延长和最大化。节能技术涉及到单个节点的硬件设计、软件设计、通信模块的功耗管理和通信技术，以及整个网络协议的设计。在本论文中，主要从传感器节点和链路节能的角度出发，研究通信调制节能技术。 在第二章中，基于对无线传感器网络节点的耗能情况分析，对M元QAM、FSK和PPM的调制方法、接收方法以及接收信号误码性能进行分析比较；并对这三种调制方式的收发器结构进行设计和耗能分析。 在低数据率和短距离传输无线传感器网络中，发送节点功耗主要包括信号发送功率和模拟电路功耗两部分。而调制方式与信号发送功率和模拟电路功耗密切相关。在三种调制方式中，QAM带宽效率高，但一定误码率要求下，接收信号信噪比要求也高；FSK和PPM的相干接收比非相干接收所需的信噪比要小一些，但其射频接收机将复杂很多。因此我们有针对性的设计了相干QAM和非相干FSK和PPM收发机。收发机都采用节能中低频结构，其中，QAM收发机比FSK和PPM收发机复杂，耗能也大。显然，QAM方案的信号发送功率和模拟电路功耗都明显比FSK和PPM方案的相应功耗大得多。因此，论文中仅对QAM方案进行了简略分析，而重点讨论了FSK和PPM两个方案。 在第三章中，我们探讨了两传感器节点之间通信链路上的电池能耗问题。针对周期性数据传输的通信任务，对M元QAM、FSK、PPM三种调制方案进行了通信链路电池能耗模型建立、节能方案设计及电池能耗评估。 我们首先介绍了QAM调制节能方案的设计、在链路上传输每比特信息的总能耗计算以及对调制参数的优化。对QAM能耗的评估和优化采用的是理想化的电池模型，得到的也是理想化的电池能耗，这与实际的电池能耗有较大的差别；优化工作采用仿真方法；并且电池能耗的评估和优化只在路径损耗信道中进行。基于对QAM节能方案的设计和评估工作，结合FSK和PPM信号传送和非相干检测器的特点，我们设计了FSK和PPM节能调制方案。在方案设计中，为了使分析能进行理论推导且使理论推导结果尽可能接近实际值，我们为M元正交调制非相干检测器的符号误码率SER提出并推导了两个可在路径损耗信道和瑞利信道中使用且比常用的一致边界近似公式更接近SER实际值的近似公式。然后，为FSK和PPM调制方案建立了通信链路上的理想化和实际电池耗能模型，为此引入了实际的非线性电池模型，这使我们的能耗分析可以实用化。最后，我们对FSK和PPM调制方案在不同电路操作模式(单模式和多模式)和信道(路径损耗信道和瑞利衰落信道)下的理想化和实际电池耗能分别进行了理论计算、评估和比较。结果证实不管在FSK还是PPM中，多模式比单模式电路操作更节能；在较长距离传输中，实际电池能耗与理想化电池能耗的差别较大，因而为了在实际中对系统能耗进行准确评估，考虑非线性电池模型对实际电池能耗进行计算是非常必要的；瑞利衰落信道环境中的能耗比路径损耗信道中的能耗大得多，其对应的最大传输距离也短得多，因而在网络实际设计和布设中针对不同信道必须加以考虑和区别。 在第四章中，我们选用节能型的多模操作FSK和PPM方案，以它们的实际电池能耗最小化为目标，以调制级别M为优化参数，借助于对理想化电池能耗的理论分析和对实际电池能耗的数值分析，分别在路径损耗信道和瑞利衰落信道中对FSK和PPM方案进行优化。 首先针对无线传感器网络中FSK和PPM调制方案提出优化模型；接着通过提出和建立三个推论，分别对FSK和PPM方案在路径损耗和瑞利衰落信道中推导其理想化的优化调制级别Mo。该理论结果对应于理想化电池能耗的最小化。为验证所推导的理论结果是否能作为实际的优化结果，基于实际电池能耗，我们对实际的优化参数Mo进行数值搜索。最后将理想化和实际的优化结果进行比较。 结果表明，不同信道下不同调制方案的优化问题具有不同的优化结果和特点。在路径损耗信道中，对FSK而言，优化参数Mo∈(e1，Mmax]，且在所有传输距离d上，理想化的理论结果可作为实际的优化结果。对PPM，在短距离传输中，电池能耗的最小值总在Mo=Mmax处，然而实际中我们可选用一个比Mmax小得多的M，以便简化调制的实现，其代价只是较小的电池能耗；而在长距离传输中，数值搜索的实际优化结果为Mo∈[Mmin，Mmax]，这与理想化优化结果差别较大。在瑞利衰落信道中，对FSK，在所有距离上，优化结果Mo=Mmin，且理论分析和数值搜索的结果一致。对PPM，理想化的理论优化结果和实际的数值结果几乎完全符合，且优化参数Mo∈[Mmin，Mmax]。因此，除了PPM方案在路径损耗信道中长距离传输情况，其他所有情况下，理论优化参数Mo都可作为实际的优化参数。另外，在不同的优化问题中，它们的最大传输距离差异很大，可在几十米到几百米范围内变化。尽管如此，所有考虑的情况都呈现了很好的整体优化性能。这表明在无线传感器网络的设计和实际布设中，调制参数的优化非常重要，是提高电池能量有效性的一个关键技术。 在第五章中，以电池节能增益(PPM和FSK实际平均电池功耗之比)为度量，分别在路径损耗和瑞利衰落信道下的稀疏分布网络和密集分布网络中对PPM和FSK的节能性能进行了量化比较，给出了它们在调制级别M和传输距离d上或平面(M，d)上的能耗优势区域。 首先，根据无线传感器网络中连续数据传输任务，建立了FSK和PPM的电池实际平均功耗模型，并在此基础上定义了进行FSK和PPM节能性能比较的度量：电池节能增益Re。接着，分析了FSK和PPM调制方案各自的节能特点。然后，量化推导了在路径损耗和瑞利衰落信道中的电池节能增益并建立了两个推论；在此基础上针对不同的传感器节点分布、调制级别和信道的类型对PPM和FSK的节能性能作了量化比较，并将理论比较结果列于四个结论中。 结果表明，一般而言，在路径损耗和瑞利衰落两种信道稀疏分布网络中，电路功率可以忽略，对所有调制级别M和传输距离d，FSK的节能性能超过PPM，但其节能增益小于3dB。然丽，当传输距离缩短，电路功率可与信号传输功率相比拟时，在平面(M，d)上PPM和FSK各自拥有不同的节能优势区域：在数据率较高和节点分布较密集的网络中，PPM比FSK节能，且PPM的节能优势随传输距离的减少而增大。在非常密集分布的网络中，电路功率在节点总功率消耗中占优势，对所有M，PPM的节能性超过FSK，且在大M时，PPM的节能增益很显著。本章的工作对于实际工作中调制方案的选择具有实际的指导意义。 在第六章中，我们对全文的工作做了总结并给出了未来的研究方向。 总之，本论文从理论上探讨了QAM、FSK和PPM调制方式在无线传感器网络中的应用技术，包括调制节能方案设计、实际电池能耗评估、调制方案的优化以及调制方案的选择。这对无线传感器网络的设计和实际布设，具有非常重要的意义。