物理层《无线传感器网络技术》

1、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Bit to SymbolSymbol to ChipModulatorRF信号物理接口标准 通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述： 机械特性机械特性。它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和。它规定了物理连

2、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。尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。 电气特性电气特性。它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路。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。上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。 功能特性功能特性。它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切。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。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。 规程特性规程特性。它定义了信号线进行二进制比特流

3、传输线的一组操。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。作过程，包括各信号线的工作规则和时序。无线通信物理层的主要技术无线通信物理层的主要技术 无线通信物理层无线通信物理层的主要技术包括的主要技术包括介质的选介质的选择择、频段的选择频段的选择、调制技术和扩频技术调制技术和扩频技术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红外线优点：无

4、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 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无线频谱通常人们选择“工业、科学和医疗”(Industrial，Scientific and Medical, ISM)频段。应用这些频段无

5、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。调制和解调技术调制和解调技术 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。模拟调制和数字调制模拟调制和数字调制 模拟调制模拟调制是用模拟基带是用模拟基带信号对高频载

6、波的某一信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号载波随着模拟基带信号的变化而变化的变化而变化。模拟调制和数字调制模拟调制和数字调制 数字调制数字调制是用数字基带信号对高频载波的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。调制已经成为了主流的调制技术。数字调制 通过调节三个参数可以表达信息幅度频率相位幅度调制 Amplitude

7、shift keyinge.g. MICA TR1000频率调制 Frequency shift keyinge.g. MICA2 CC1000相位调制 Phase shift keyinge.g. MICAz CC2420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。恢复所传信息数据。 直接序列扩频直接序列

8、扩频(Direct Sequence Spread (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSSSpectrum, DSSS) ) 跳频跳频(Frequency Hopping Spread (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSSSpectrum, FHSS) ) 跳时跳时(Time Hopping Spread Spectrum, (Time Hopping Spread Spectrum, THSSTHSS) ) 宽带线宽带线性调频扩频性调频扩频(chirp Spread (chirp Spread Spectrum

9、, chirp-SSSpectrum, chirp-SS，简称切普扩频，简称切普扩频) )。扩频优点扩频优点 易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率 抗干扰抗干扰性强，性强，误码率低误码率低 隐蔽隐蔽性好，对各种窄带通信系统性好，对各种窄带通信系统的干扰很小的干扰很小 可以实现码分多址可以实现码分多址 抗多径干扰抗多径干扰 能精确地定时和测距能精确地定时和测距 适合数字话音和数据传输适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信以及开展多种通信业务业务 安装简便安装简便，易于维护。，易于维护。节点名称WeC Mote/Medusa/MK-2/iBadge/Mic

10、a mote/EyEsMica2/GAINSMicaz/Tmote/GAINZ射频前端芯片TR1000CC1000CC2420调制方式ASK/OOKFSKO-QPSK(DS)工作频率/Hz916.5M300M1000M2.4G工作电压/V32.13.61.83.6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)OOK 30kASK 115.2k2 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

11、声是不相关高斯信号 -固定的SNR 一些典型的信道参数 路径损耗指数 阴影效应方差2 参考距离d0=1mAttenuationDiffractionReflectionScatteringDoppler fading接收信号发送信号多径衰落延迟扩散(Delay Spread)：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(Coherence Bandwidth) ：延迟扩散的倒数. is a statistical measurement of the range of frequencies over which the

12、 channel can be considered flat, or in other words the approximate maximum bandwidth or frequency interval over which two frequencies of a signal are likely to experience comparable or correlated amplitude fading.相干时间（Coherence timeCoherence time） is the time duration over which the channel impulse

13、response is considered to be not varyingDoppler spread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、选择性衰落由多普洛扩展引起的衰落：Coherence timeCoherence time 1/ Doppler spread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。多径信道模型

14、 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Rayleigh fading莱斯衰落Rician fading 存在直射信号的情况瑞利衰落莱斯衰落多径信道模型如果相干带宽Bc大于信号带宽Bs（BcBs) 平坦衰落如果相干带宽Bc小于信号带宽Bs（BcBs) 频率选择性衰落Coherence bandwidthCoherence bandwidth is a statistical measurement of the range of frequencies over which the channel can be considere

15、d flat, or in other words the approximate maximum bandwidth or frequency interval over which two frequencies of a signal are likely to experience comparable or correlated amplitude fading. WSN的特性 小传输范围几十米 短传输延时ns 平坦衰落 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、

16、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 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 收发器设计数字信道模型 二元对称信道 （Binary Symmetric Channel, 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模型误码率 Bit Error Rate SINR-Signal to noise and interference ratio BER - Bit error rate e.g. 对于BPSK,BER=QAM256

17、(8 Mbps)QAM16 (4 Mbps)BPSK (1 Mbps)10203040SNR(dB)BER10-110-210-310-510-610-710-4operating point1. SNR decreases, BER increase as node moves away from base station2. When BER becomes too high, switch to lower transmission rate but with lower BER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

18、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 需要20-100mW发送1mW的信号 e.g. Mica mote需要20mW 接收端也需要相当的能耗 睡眠机制是必要的 状态切换需要时间和能耗 成本问题 e.g. 天线、电源、晶振 选择合适的调制技术、速率和通信频段等 e.g. 提高速率可以节能，但会带来更大误码率等。一般用单个比特的收发能耗来定义数据传一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。输对能量的效率，单比特能耗越小越好。小结在低速无线个域网在低速无线个域网(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4标准中，定义的物理层是在标准中，定义的物理层是在868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三个载波频段收发数据。在这三个频段都使三个载波频段收发数据。在这三个频段都使用了直接序列扩频方式。用了直接序列扩频方式。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4标准非常适合无线传感器网络的特点，是传感器网标准非常适合无线传感器网络的特点，是传感器网络物理层协议标准的最有力竞争者之一。目前基