物理层《无线传感器网络技术》

物理层《无线传感器网络技术》第一页，共41页。物理层OSI模型规定：物理层为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。主要功能提供传送数据的通路传输数据其他管理功能PPDU数据BittoSymbolSymboltoChipModulatorRF信号第二页，共41页。物理接口标准通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：①机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。②电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。③功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。④规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。第三页，共41页。无线通信物理层的主要技术

无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术第四页，共41页。物理层物理层概述发送端：频带选择，调制／扩频，帧结构信道：信号失真-无线信道接收端：BER收发器设计第五页，共41页。介质选择电磁波：无线电波、微波、红外线、光波声波：水下传感网常用的有无线电波、红外线和光波光波

优点：无需注册速度快

缺点：LoS传输干扰光感设备比较昂贵红外线优点：无须注册，并且抗干扰能力强。缺点：穿透能力差，LoS传输。无线电波

无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小。如果采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。

优点：传播距离远、穿透性强、全向天线

缺点：干扰、衰落、不可靠链路；由于无线电波的传输距离较远，无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰；用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，无线频率管制方面的使用授权规定第六页，共41页。无线频谱第七页，共41页。通常人们选择“工业、科学和医疗”(Industrial，ScientificandMedical,ISM)频段。应用这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一。优点：自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便。缺点：功率受限，另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。第八页，共41页。第九页，共41页。调制和解调技术通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号不适合长距离传输，因而要将基带信号转换为相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。第十页，共41页。模拟调制和数字调制

模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。第十一页，共41页。模拟调制和数字调制数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。第十二页，共41页。数字调制通过调节三个参数可以表达信息幅度频率相位第十三页，共41页。幅度调制Amplitudeshiftkeyinge.g.MICATR1000频率调制Frequencyshiftkeyinge.g.MICA2CC1000相位调制Phaseshiftkeyinge.g.MICAzCC2420第十四页，共41页。扩频技术信号所占有的频带宽度远大于所传信息所需要的最小带宽。频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。第十五页，共41页。直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)跳频(FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSS)跳时(TimeHoppingSpreadSpectrum,THSS)宽带线性调频扩频(chirpSpreadSpectrum,chirp-SS，简称切普扩频)。第十六页，共41页。第十七页，共41页。扩频优点易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率抗干扰性强，误码率低隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小可以实现码分多址抗多径干扰能精确地定时和测距适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务安装简便，易于维护。第十八页，共41页。节点名称WeCMote/Medusa/MK-2/iBadge/Micamote/EyEsMica2/GAINSMicaz/Tmote/GAINZ射频前端芯片TR1000CC1000CC2420调制方式ASK/OOKFSKO-QPSK(DS)工作频率/Hz916.5M300M~1000M2.4G工作电压/V32.1~3.61.8~3.6发射模式消耗电流/mA1216.5(在868MHz，0dBm)17.4（0dBm）接收模式消耗电流/mA3.8（115.2kb/s）1.8(2.4kb/s)9.6(868MHz)19.7传输速率/(b/s)OOK30kASK115.2k<76.8k250k发射功率/dBm0-20~10-25~0接收机灵敏度/dBm-97(115.2kb/s)-110(2.4kBaud)-94(250kBaud)第十九页，共41页。物理层帧结构4B1B1B可变长度前导码SFD帧长度（7位）保留位PSDU同步头帧的长度，最大为128BPHY负荷帧长度(Framelength)：物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元(PSDU，Physicalservicedataunit)，一般承载物理层负载。前导码：第一个字段，其字节数一般取4，收发器在接收前导码期间会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步，当然字节数越多同步效果越好，但那需要更多的能量消耗。帧头(SFD，StartFrameDenotation)字段：表示一个帧的开始。收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段，才能同步到帧接收。第二十页，共41页。物理层物理层概述发送端：频带选择，调制／扩频，帧结构信道：信号失真-无线信道接收端：BER收发器设计第二十一页，共41页。路径损耗阴影衰落多径衰落大尺度衰落大尺度衰落小尺度衰落确定性的随机性的随机性的只与距离有关与地面空间障碍物有关是多条路径上信号的叠加AttenuationDiffractionReflectionScatteringDoppler

fading接收信号≠发送信号第二十二页，共41页。

自由空间信道模型：

主要是针对远距离理想无线通信，对于无线传感器网络、蓝牙(Bluetooth)等短距离通信。工程上往往来用改进的Friis方程来表示实际接收到的信号强度

Friisfree-spaceequationd：传输距离λ：波长Gtx:发送天线增益Grx接收天线增益

第二十三页，共41页。考虑信道可能有更强的损耗：取γ>2

考虑阴影效应等影响：加入高斯变量更为实际的信道模型理想信道模型：假设发送功率、损耗是常值，噪声是不相关高斯信号->固定的SNR第二十四页，共41页。一些典型的信道参数γ

路径损耗指数阴影效应方差σ2参考距离d0=1m第二十五页，共41页。AttenuationDiffractionReflectionScatteringDoppler

fading接收信号≠发送信号第二十六页，共41页。多径衰落延迟扩散(DelaySpread)：接收端可能会在一段时间内接收到许多来自不同路径的相同信号，这段时间称为延迟扩散。即多径信号最快和最慢的时间差相干带宽(CoherenceBandwidth)：延迟扩散的倒数.

isastatisticalmeasurementoftherangeoffrequenciesoverwhichthechannelcanbeconsidered"flat",orinotherwordstheapproximatemaximumbandwidthor

frequency

intervaloverwhichtwofrequenciesofasignalarelikelytoexperiencecomparableorcorrelatedamplitude

fading.相干时间（Coherencetime）

isthetimedurationoverwhichthechannelimpulseresponseisconsideredtobenotvaryingDopplerspread时间：快衰落、慢衰落空间：瑞利衰落、莱斯衰落频率：平坦性衰落、选择性衰落第二十七页，共41页。由多普洛扩展引起的衰落：Coherencetime

~1/Dopplerspread多径信道模型如果符号周期大于相干时间快衰落：信号幅度的瞬时变化，与多径传播有关，又被称为短期衰落、小尺度衰落。慢衰落是快衰落的中值。如果符号周期短于相干时间慢衰落：是信号幅度的长期变化，是传播环境在较长时间、较大范围内发生变化的结果，比如天气、季节、遮蔽等，因此又被称为长期衰落、大尺度衰落。第二十八页，共41页。多径信道模型不存在直射信号的情况。瑞利衰落属于小尺度的衰落效应，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上瑞利衰落Rayleighfading莱斯衰落Ricianfading存在直射信号的情况瑞利衰落莱斯衰落第二十九页，共41页。多径信道模型如果相干带宽Bc大于信号带宽Bs（Bc>Bs)~平坦衰落如果相干带宽Bc小于信号带宽Bs（Bc<Bs)

~频率选择性衰落Coherencebandwidth

isastatisticalmeasurementoftherangeoffrequenciesoverwhichthechannelcanbeconsidered"flat",orinotherwordstheapproximatemaximumbandwidthor

frequency

intervaloverwhichtwofrequenciesofasignalarelikelytoexperiencecomparableorcorrelatedamplitude

fading.

第三十页，共41页。WSN的特性小传输范围~几十米短传输延时~ns平坦衰落第三十一页，共41页。噪声和干扰干扰(Interference)：受其他共享相同频谱的无线通信影响接收信号=发送信号+信道失真+噪声+干扰

噪声(Noise)：受温度、天气等因素影响典型模型为均值为0、加性方差的高斯函数第三十二页，共41页。物理层概述发送端：频带选择，调制／扩频，帧结构信道：信号失真-无线信道接收端：BER收发器设计第三十三页，共41页。数字信道模型二元对称信道（Binary

SymmetricChannel,BSC）:假设每个比特具有固定的错误概率，与其他比特不相关使用马尔科夫模型：不同状态有不同的信道状态E.g.Gilbert-Elliot模型第三十四页，共41页。误码率BitErrorRateSINR-SignaltonoiseandinterferenceratioBER-Biterrorrate

e.g.对于BPSK,BER=第三十五页，共41页。QAM256(8Mbps)QAM16(4Mbps)BPSK(1Mbps)10203040SNR(dB)BER10-110-210-310-510-610-710-4operatingpoint1.SNRdecreases,BERincreaseasnodemovesawayfrombasestation2.WhenBERbecomestoohigh,switchtolowertransmissionratebutwithlowerBER第三十六页，共41页。物理层设计原则以最小的成本获得最大的通信容量能耗问题：传输要比感知、计算更消耗能量：传输1比特信息100m距离需要消耗的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。发送端需