第2.1讲 无线传感器网络技术-物理层
无线传感器网络技术内容
第一章物联网：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
无线传感器网络综合了计算技术、通信技术及传感器技术，其任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。
典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？一般情况下由以下四个基本单元组成：数据采集单元、控制单元、无线通信单元以及能量供应单元。
无线传感器网络基本节点拓扑结构可分为基于簇的分层结构和基于平面的拓扑结构两种选择题：无线传感器网络可实现数据的采集量化，处理融合和传输应用，具有无线自组织网络的移动性、电源能力局限性，规模大、自组织性、动态性、可靠性、以数据为中心等等。
第2章无线传感器网络物理层的传输介质主要包括电磁波和声波。
无线电波、红外线、光波等负责使在两个网络主机之间透明传输二进制比特流数据成为可能，为在物理介质上传输比特流建立规则，以及在传输介质上收发数据时定义需要何种传送技术。
无线传感器网络物理层接口标准对物理接口具有的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性进行了描述。
作为一种无线网络，无线传感器网络物理层协议涉及传输介质以及频段的选择、调制、扩频技术方式等，同时实现低能耗也是无线传感器网络物理层的一个主要研究目标。
IEEE 802.15.4 该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为关键目标，旨在个人或者家庭范围内不同设备之间建立统一的低速互连标准。
有16个信道工作于2.4GHz ISM频段，2.4GHz频段提供的数据传输速率为250kb/s，对于高数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合更加适用有1个信道工作于868MHz频段以及10个信道工作于915MHz频段。
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构
2．通信能力的约束 传感器节点的通信能力关系到传感器网络监测区域内节
点部署数量，而制约其通信能力主要有两个参数，即能量损 耗和通信距离，二者之间的关系为
E = kdn
(2-1)
式中，E为传感器节点的通信能量损耗；k为一个常数，
与传感器节点的系统构成有关；d为传感器节点的通信距离；
分别接入TD-SCDMA、GSM核心网、Internet主干网及无线 局域网络等多种类型异构网络，再通过各网络下的基站或主 控设备将传感器信息分发至各终端，以实现针对无线传感器 网络的多网远程监控与调度。同时，处于TD-SCDMA、 GSM、Internet等多类型网络终端的各种应用与业务实体也 将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对 相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩 展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、 Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。
(2) 汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet 等外部网 络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点 发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转 发到外部网络上。与传感器节点相比，汇聚节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强。
(3) 管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络， 直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的 资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。
锁相回路(PLL)、解调器和功率放大器组成，所有的这些组
件都会消耗能量。对于一对收发机来说，数据通信带来的功
耗PC的组成部分可简单地用模型描述为
PC = PO + PTX + PRX
(2-2)
无线传感器网络知识点归纳
一、无线传感器网络的概述1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网络的体系构造示意图，组成局部〔P1-2〕定义：无线传感器网络〔wireless sensor network, WSN〕是由部署在监测区域内大量的本钱很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观看者或者用户另一种定义：无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络掩盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户三要素：传感器，感知对象和观看者任务：利用传感器节点来监测节点四周的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置承受多跳路由的方式将数据发送给会聚节点，再通过会聚节点将数据传送到用户端，从而到达对目标区域的监测体系构造示意图：组成局部：传感器节点、会聚节点、网关节点和基站2、无线传感器网络的特点〔P2-4〕（1）大规模性且具有自适应性（2）无中心和自组织（3）网络动态性强（4）以数据为中心的网络（5）应用相关性3、无线传感器网络节点的硬件组成构造〔P4-6〕无线传感器节点的硬件局部一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供给模块4 局部组成。
4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow 公司的Mica 系列节点〔Mica2、Telosb〕的硬件组成〔P6〕5、无线传感器网络的协议栈体系构造〔P7〕1.各层协议的功能应用层：主要任务是猎取数据并进展初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件传输层：负责数据流的传输掌握网络层：主要负责路由生成与路由选择数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和过失掌握物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能2.治理平台的功能（1）能量治理平台治理传感器节点如何使用能源。
物理层及信道接入技术课件
2.2
信道接入技术
2.2.2 基于竞争的信道接入技术
2
S-MAC协议
2.2
信道接入技术
2.2.2 基于竞争的信道接入技术
2
S-MAC协议
2.2
信道接入技术
2.2.2 基于竞争的信道接入技术
3
T-MAC协议
图2-3 T-MAC协议的基本机制
2.2
信道接入技术
2.2.2 基于竞争的信道接入技术
3
选择合适的发送概率分布，为不同的时隙在整个竞
争节点集中筛选出一个发送节点。
节点选择在第r个时隙发送数据的概率Pr为：
Pr (11)CWCWr
r = 1,……,CW
2.2
信道接入技术
2.2.2 基于竞争的信道接入技术
基于竞争的MAC协议的显著优点是： 协议的简明性和可扩展性。
缺点：由于没有像基于预约的MAC协 议那样使用某种机制对信道利用情况 进行均衡，所以公平性就成为它的一 个问题。
物理层需要考虑的问题
以尽可能少的能量消耗 获得较大的链路容量
编码调制技术 通信速率 通信频段
2.1
2.1.2
物理层相关技术 物理层设计
1 编码调制技术
3种编码调制技术性能比较
分类
窄带
扩频
UWB
成本
3
功耗
2
⑴窄4带调制技术 3
5
4
常见低传的输编范码围和调低制速技率 术3
⑵扩5频调制技术 4
抗干扰能力
SDMA技术
SDMA是一种信道增容的方式，可以实现频 率的重复使用，充分利用频率资源。空分多 址还可以和其他多址方式相互兼容，从而实 现组合的多址技术。 在由中国提出的第三代移动通信标准TDSCDMA中就应用了SDMA技术；此外在卫星 通信中也有人提出应用SDMA。
无线传感器网络知识点归纳教案资料
无线传感器网络知识点归纳一、无线传感器网络的概述1、无线传感器网络定义，无线传感器网络三要素，无线传感器网络的任务，无线传感器网络的体系结构示意图，组成部分（P1-2）定义：无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）是由部署在监测区域内大量的成本很低、微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并发送给观察者或者用户另一种定义：无线传感器网络(WSN)是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户三要素：传感器，感知对象和观察者任务：利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关的数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测体系结构示意图：组成部分：传感器节点、汇聚节点、网关节点和基站2、无线传感器网络的特点（P2-4）（1）大规模性且具有自适应性（2）无中心和自组织（3）网络动态性强（4）以数据为中心的网络（5）应用相关性3、无线传感器网络节点的硬件组成结构（P4-6）无线传感器节点的硬件部分一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成。
4、常见的无线传感器节点产品，几种Crossbow公司的Mica系列节点（Mica2、Telosb）的硬件组成（P6）5、无线传感器网络的协议栈体系结构（P7）1.各层协议的功能应用层：主要任务是获取数据并进行初步处理，包括一系列基于监测任务的应用层软件传输层：负责数据流的传输控制网络层：主要负责路由生成与路由选择数据链路层：负责数据成帧，帧检测，媒体访问和差错控制物理层：实现信道的选择、无线信号的监测、信号的发送与接收等功能2.管理平台的功能（1）能量管理平台管理传感器节点如何使用能源。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.5 传输层
2.5 传输层 2.5.1 传输层简介
目前，无线传感器网络传输层协议主要在能耗控制、拥塞控制和可靠性保证3个 方向开展研究与设计工作。其中，能耗控制协议又与拥塞控制协议、可靠性保证协 议紧密联系。
① 能耗控制方面。无线传感器网络的节点能量有限，网络的运行以节能控制为 首要考虑因素。
② 拥塞控制方面。在无线传感器网络中，事件发生区域中的节点监测到相关信 息后传输至汇聚节点，由于网络的分布特征，可能存在多个节点感知信息，都发往 一个汇聚节点，即形成“多对一”的传输模式。
无线传感器网络自身存在资源受限等特性，使得传统的TCP/IP协议不能直接应用 于无线传感器网络，而应根据无线传感器网络的具体应用需求、网络自身的特性与条 件来设计相应的协议，主要体现在以下几个方面。
① 无线传感器网络中节点的能量是有限的，过多的能耗会影响网络的生命周期。
② 无线传感器网络一般使用的是分布式、密集型的覆盖方式，无线传感器网络以 数据为中心，为减少数据量，节点具备一定的数据处理能力。
③ 无线传感器网络存在不稳定情况，网络拓扑结构的变化会影响TCP/IP协议的握 手机制。
④ 在无线传感器网络中，虽然传输层协议具备拥塞控制的能力，但通信质量、拓 扑结构变化等非拥塞情况也会造成丢包现象。
⑤ 无线传感器网络在大规模应用中，节点需要处理好自身与邻居节点之间的通信 即可。
无线传感器网络与物联网通信技术
针对不同的传输层协议设计与网络应用需求，一些简单的拥塞控制处理方式分为拥 塞信息反馈机制和传输路由切换机制。其中，拥塞信息反馈机制是接收节点检测到拥塞 之后，向它的发送节点发送一个包含拥塞控制信息的数据包，告知发送节点减缓甚至停 止发送数据包；传输路由切换机制是当前节点检测到拥塞之后，重新选择一条优化的路 径来传输数据，从而减少了当前节点的数据流，待拥塞缓解或消除之后，可再恢复先前 路径来继续传输数据。
无线传感器网络概论第2章 无线传感器网络的物理层
本章目录
2.1 无线传感器网络物理层概述 2.2 无线传感器网络物理层关键技术 2.3 物理层调制解调方式与编码方式
2.1 无线传感器网络物理层概述
2.1.1 物理层的基本概念
1. 物理层传输介质和互联设备
传输介质是承载网络上的各种设备数据收发业务的 通道。无线传感器网络物理层的传输介质主要包括电磁 波和声波。电磁波在无线传感器网络通信中应用较为广 泛，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不 同，电磁波分为无线电波、红外线、光波等。
LDPC码在深空通信、卫星数字广播、微波接入等众 多领域得到广泛应用，而且它也已应用于多项标准。如 全球微波互联接入（WiMax）系统对应的IEEE802.16e 标准、卫星数字广播对应的DVB-S2标准、近地应用和 深空应用的CCSDS标准以及GB20600标准等。
2.2 无线传感器网络物理层关键技术
目前最常用的信道编码是Turbo码和低密度奇偶校验 码（LDPC）。
2.2 无线传感器网络物理层关键技术
2.2.2 信道编码
1. Turbo码
Turbo码编码器主要由交织器、编码器、分量删余 矩阵和复接器组成，典型的Turbo码编码器结构框图如 下图所示。
2.2 无线传感器网络物理层关键技术
2.2.2 信道编码
这些短距离高速传输方式可以支持包括图像和视频 在内的多媒体传输。可以满足一些特殊工业控制中对传 输图像和视频的需求，更重要的是可以利用其速率快， 带宽宽的优势来弥补如误码率高等无线技术在工业环境 中的先天不足。
2.2 无线传感器网络物理层关键技术
2.2.1 频段的选择
对于一个特定的基于射频的无线传感器网络，需要 精心选择载波频率。这是因为载波频率决定了传输特性 以及信道的传输容量。由于单一频率不能提供信息的容 量，因此，对于通信问题来说，信号的电磁频谱要占据 一定的范围，通常称这个范围为频段。在射频通信中， 一般来说可用的无线电频率范围从最低的甚低频一直到 最高的极高频。
无线传感器网络中的通信原理与技术
无线传感器网络中的通信原理与技术无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由许多分布在广域范围内的自组织传感器节点组成的网络系统。
这些节点通过无线通信技术相互连接，协同工作以完成特定的任务。
本文将介绍无线传感器网络中的通信原理与技术。
一、无线传感器网络的通信原理无线传感器网络中的通信原理是基于信号传输和信息交换的。
无线传感器节点通过无线通信模块将感知到的环境信息转换为数字信号，并将信号传输给其他节点或基站。
传感器节点之间的通信依赖于以下几个原理：1.1 无线信号传输无线传感器节点之间的通信基于无线信号传输技术，通常使用的技术包括无线电频率、红外线和激光等。
其中，无线电频率是最常用的通信技术，它通过调制和解调技术将数字信息转换成无线电信号进行传输。
传感器节点通过接收和解码无线电信号来获取其他节点发送的信息。
1.2 自组织网络拓扑无线传感器网络中的节点是根据自组织网络拓扑原理进行组织和协同工作的。
自组织网络拓扑包括星形、网状和树状等结构。
其中，星形拓扑由一个中心节点连接多个传感器节点组成；网状拓扑是节点之间相互连接形成的网络结构；树状拓扑是由一个或多个父节点连接多个子节点组成的层次结构。
1.3 多跳通信由于无线传感器节点的通信范围有限，无法直接与所有其他节点进行通信。
所以，多跳通信原理被引入到无线传感器网络中。
节点通过与邻近节点的多次通信来实现与远距离节点的通信。
其中，中继节点起到重要的作用，它们负责将数据从一个节点传输到另一个节点。
二、无线传感器网络的通信技术无线传感器网络的通信技术涉及多个层次，包括物理层、数据链路层、网络层和应用层。
以下是其中几种常用的通信技术：2.1 低功耗无线通信技术由于无线传感器节点电量有限，低功耗无线通信技术被广泛应用。
其中，ZigBee是一种常见的低功耗无线通信技术，它适用于小范围、低速率的数据传输。
其他常用的低功耗通信技术包括Bluetooth Low Energy（BLE）和Z-Wave等。
无线传感器网络物理层
内容提要
1.
概述
2.
3.
频段分配
通信信道
4.
5. 6. 7.
调制与解调
无线传感器网络物理层设计要点 物理层非理想特性研究 射频前端功耗分析与低功耗设计考虑
4 调制与解调
• • • •
4.1 模拟调制 4.2 数字调制 4.3 UWB通信技术 4.4 扩频通信
4 调制与解调
• 4.1 模拟调制
s(t ) A(t ) sin(2f (t ) (t ))
通信单元在不同 工作状态下的功 耗
20 15 功耗(mW) 10 5 0
传感器 处理器 发送
接收
空闲
睡眠
内容提要
1.
概述
2.
3.
频段分配
通信信道
4.
5. 6. 7.
调制与解调
无线传感器网络物理层设计要点 物理层非理想特性研究 物理层功耗分析与高效能设计研究
2 频段分配
名称 符号 频率 波段 波长 甚低频 VLF 3-30KHz 超长波 1KKm100K m 空间波为主 海岸潜艇 通信; 远距离 通信; 超远 距离导航 低频 LF 30-300KHz 长波 10Km-1Km 中频 MF 0.3-3MHz 中波 1Km-100m 高频 HF 3-30MHz 短波 100m-10m 甚高频 VHF 30-300MHz 米波 10m-1m 超高频 UHF 0.3-3GHz 分米波 1m-0.1m 特高频 SHF 3-30GHz 厘米波 10cm-1cm 极高频 EHF 30-300GHz 毫米波 10mm-1mm
空间波 再入大气层 时的通信; 波导通信
2 频段分频
• ISM波段
ISM波段的特点是无 须申请，利于降低成 本。
无线传感器网络技术概述-2019年精选文档
无线传感器网络技术概述-2019年精选文档-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII无线传感器网络技术概述无线传感器网络被普遍认为是二十一世纪最重要的技术之一，是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，是由传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的网络。
在无线传感器网络中各传感器节点能够相互协作完成感知、采集网络覆盖区域内的各种环境或监测对象的信息，对这些信息进行处理，以获得详实而准确的信息，并通过无线多跳方式传送给需要这些信息的用户[2]。
可以说由计算机技术、传感器技术、无线通信技术相结合产生的无线传感器网络实现了物理世界、信息世界与人类社会三元世界的连通，将会对人类社会的生产和生活产生深远而积极的影响。
一、无线传感网络的体系结构（一）传感器节点结构。
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点以无线多跳通信方式形成的自组织网络系统，其中的传感器节点能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给用户。
无线传感器网络中最基本的组成要素是传感器节点，它由数据采集单元、处理器单元、数据传输单元和能量供应单元四部分组成[2]。
如图1所示。
数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，借助形式多样的传感部件，传感器节点能够感知温度、湿度、噪声、移动物体的大小、速度和方向等信息。
处理单元负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据信息。
数据传输单元负责与其他传感器节点交换控制信息和传输采集到的数据信息。
能量供应单元为传感器节点各部件提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
（二）网络体系结构。
无线传感器网络的体系结构如图2所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点[1]。
大量传感器节点随即部署在监测区域内部或附近，以自组织的方式构成网络。
传感器节点产生的数据以不同的路由方式沿着其他传感器节点逐跳传输，在传输的过程中，可能被多个节点处理，然后传输到汇聚节点。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.2 物理层
基带窄脉冲形式利用宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉冲序列进行通信。一般通过 脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）、脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation， PAM）等调制方式携带信息。窄脉冲可以采用多种波形，如 高斯波形、升余弦波形等。因为脉冲宽度很窄，占空比较小，所以具有很好的多径信道 分辨能力。因为不需要调制载波，所以收发系统结构简单，成本较低且功耗也很低。基 于以上特点，目前采用基带窄脉冲的UWB技术已广泛应用于雷达探测、透视、成像等 领域。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.2 物理层
扩频技术
与常规的窄带通信方式相比，DSSS具有较好的通信性能优势，主要体现在以下3 个方面。
① 抗干扰能力强。输入信息在频谱扩展后形成宽带信号传输，再在接收端通过解扩 恢复成窄带信号，由于干扰信号与扩频码不相关，在进行扩频处理后，通过窄带滤波器 使得干扰信号进入有用频带内的干扰功率得以降低，从而具有更好的抗干扰、抗噪声、 抗多径干扰能力。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.2 物理层 调制技术
为了满足无线传感器组网最大化数据传输速率和最小化符号率的指标 要求，多进制（M-ary）调制机制应用于无线传感器网络。与二进制数字 调制不同的是，M-ary调制利用多进制数字基带信号调制载波信号的幅度、 频率或相位，可形成相应的多进制幅度调制、多进制频率调制和多进制相 位调制。其中，多进制幅度调制可看成开关键控（On-Off Keying，OOK） 方式的推广，可获得较高的传输速率，但抗噪声能力和抗衰落能力较差， 一般适合恒参或接近恒参的信道；多进制频率调制可看成二进制频率键控 方式的推广，其需要占据较宽的频带，信道频率利用率不高，一般适合调 制速率较低的应用场所；多进制相位调制利用载波的多种不同相位或相位 差来表示数字信息。
《无线传感器网络与物联网通信技术》教学课件 第2章 无线传感器网络体系结构 2.4 网络层
2.4 网络层 按路由发现过程分类
根据路由发现 方式及其过程的不 同，可将路由协议 分为以位置为中心 的路由协议和以数 据为中心的路由协 议。
以位置为中心的 路由协议即地理位置 路由协议，将节点位 置信息作为路由选择 的依据，在某个需求 区域间进行数据传输， 可实现缩减传输范围， 降低路由的能耗，延 长网络的生命周期。
1．能量消耗 2．能量感知路由 3．能量多路径路由
无线传感器网络与物联网通信技术
2.4 网络层 能量消耗
在无线传感器网络中，能量的消耗主要体现在节点及系统的运行上。 分析无线传感器网络的运行过程，其能耗主要包含计算相关和通信相关 两大因素。
（1）计算相关因素的能耗 （2）通信相关因素的能耗
无线传感器网络与物联网通信技术
在层次路由协议中，网络被划分为多个簇，每个簇包含簇头 节点和簇内节点，簇内节点获取信息并传输给簇头节点，最后传 输至终端节点。层次路由协议的优势是扩展性好，适合大规模的 无线传感器网络，但簇头节点的维护开销远大于其他节点，所以 一般采用符合网络条件的节点来轮流担任簇头节点，以均衡簇头 节点能耗，降低簇头节点因能耗而失效的可能性。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.4 网络层 能量感知路由
需 要 说 明 的 是 ， 上 述 4 种 策 略 是 基 于 节 点 对 于 整 个 网 络 的 全 局 PA 是 已 知 的 ， 否 则 ， 无法进行策略判断。但在实际应用中，由于受到资源等条件的约束，使得节点只能获 取无线传感器网络的局部信息，难以掌控全局信息，因此，上述能量感知路由策略属 于理想的路由协议方法。图2-22 能量感知路由示意图
② 在数据传输过程中，节点通过概率计算选择下一跳节点，并转发相应的数据分组。 节点选择的概率与通信代价成反比，代价很高的路径将被舍弃，不加入其路由表中，只 有那些具有较低路径代价的邻居节点才可以被加入当前节点的路由表中。
无线传感器网络物理层设计ppt课件
3
内容提要
1.1.概述 1.2.无线通信的特点 1.3.无线通信的能耗 1.4.小结 1.5.主要参考文献
精选编辑ppt
4
概述
本章节研究无线传感器网络中无线通信的特点， 研究内容主要包括无线通信基本特性及无线传感通 信能耗特性两部分。利用无线通信传输信息是无线 传感器网络的基本特征，无线传感器网络的上层通 信协议设计往往对底层无线通信（物理层）做了许 多隐含的假设，这些假设都是对实际环境的一种近 似简化，本章节的目的在于提供面向上层协议研究 的无线通信基本特点、相关假设及这些假设存在的 问题，仅希望为上层协议设计提供一定帮助。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种 意义。
规程特性：指明对于不同功精能选编的辑p各pt 种可能事件的出现顺序。2
第三章
主要功能有：
为数据终端设备提供传送数据的通路，数据通路 可以是一个物理媒体,也可以是多个物理媒体连接而 成。
传输数据
其他管理 如信道状态的评估、能量检测等.
精选编辑ppt
X 1l0 g 2 t则X服从正态分布：
Pxx 22Xex px2 u2X X2
式中：UX为均值，有时称为精选长编辑区pp间t 中值
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接收信号强度分类
1.检测信号强度分类
衡量通信系统传输信息可靠程度的重要性能指标之一就是误比特 率和传输速率。
当前接收机和发送机恢复发送信息的通常做法就是首先建立同步， 然后才能解调。同步包括载波同步和时间同步，载波同步需要接收端 提供一个与发射段调制载波同频或同频、同相的载波；时间同步则需要 获取每个码元的起始时刻和有码元组成的帧结构的起始时刻，只有达到 一定的信干噪比（信号功率与噪声和干扰功率比），才能建立同步达到 需要的误比特率。根据接收信号的功率与噪声干扰功率的相对关系，可 以将接受信号分为以下四种情况：
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无线传感器网络------物理层主讲:何丽莉电子邮箱：helili_jlu@回顾无线传感器网络（WSN）由部署在监测区域内的大量、廉价、微型传感器节点组成，这些节点以无线通信的方式形成一个多跳的、自组织的网络系统，能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。
内容提要无线信道数字通信基础信道信号通信终端——收发机（transceivers）无线传感器网络对调制方式和收发机工作的影响1 概述物理层主要关心数字化数据的调制与解调无线传感器网络物理层设计主要挑战：收发机的体系结构，是决定节 确定调制方式调制方式、收发机的体系结构点大小、成本以及能耗的关键环节。
2 频段的分配电磁波的波谱2 频段的分配无线电频带和波段空间波空间波空间波空间波天波为主地波/天波地波为主传播特性10mm-1mm 10cm-1cm 1m-0.1m 10m-1m 100m-10m 1Km-100m 10Km-1Km100Km-10Km波长毫米波厘米波分米波米波短波中波长波甚长波波段30-300GHz 3-30GHz 0.3-3GHz 30-300MHz 3-30MHz 0.3-3MHz 30-300KHz 3-30KHz 频率范围EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF 符号极高频超高频特高频甚高频高频中频低频甚低频名称* 数据来自中国无线电频率划分规定（0.03Hz~3000GHz ，共14个频带）2 频段分频ISM波段ISM波段的特点是无须申请，利于降低成本。
3. 电磁波的传播直射由发射天线沿直线达到接收点自由空间模型 真空中、无障碍 反射通过地面或其他障碍物反射到达接收点两种密度不同的媒介、边界平滑可能引发相位差发射源接收机d3. 电磁波的传播衍射，也称绕射在传播过程中有一定的绕过障碍物的能力能力与波长相关绕射会使部分信号偏转散射电磁波通过粗糙表面发生多次反射，弥散到许多方向衰减与信道损失无线电波传播的实质是能量的传播信道损失（Path Loss ）是指无线信号波形在自由空间传播会随传播距离而产生一定的衰减。
Friis 自由空间方程P t 为发射信号功率；G t 和G r 分别是发射机和接收机的天线增益，λ是波长，L 是传输无关的系统损耗 d o 是取决于天线技术的参考距离202022)4()(⎟⎠⎞⎜⎝⎛⋅⋅=d d L d G G P d P t r t r πλ多径传输无线信号通过直射、反射、绕射、散射多种不同的路径，到达接收机例：不同环境的多径无线信号强度越明亮信号越强显然自由空间模型不足以描述全部效应©Jochen Schiller, FU Berlin通信信道实际环境中的无线信道往往比较复杂，除了自由空间损耗还伴有多径、阴影以及多普勒频移引起的衰落。
改进的Friss 方程：γ是信道损失指数，取值在2~6之间结论1：接收功率与信号的波长/频率有关结论2：接收功率与传播距离有关γπλ)()4(0202221dd L d G G P P t r =功率的相关概念dBm: Milliwatt decibel 毫瓦分贝用于表示功率大小的绝对值计算公式为举例2W=？dB ：decibel 分贝用于表征功率的相对比值，是倍数的对数表达式 计算公式为)1lg(10mw P )1Y (10lg )1X lg(10)Y X lg(10mw mw 功率功率功率功率−=4 调制与解调调制（Modulation）把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程；解调（Demodulation）调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来调制信号－指来自信源的信号载波－未受调制的周期性振荡信号载波调制－用调制信号去控制载波的参数的过程已调信号－载波受调制后称为已调信号调制和解调方式直接决定了收发机的结构、成本与功耗4 调制与解调——数字调制数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参数进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。
基带信号是符号（Symbols）的序列，每个符号均来自一个有限的字符集，称为信道字符集（Channel alphabet）。
调制过程中，来自信道字符集的每一个符号均被映射为一个或者有限多个波形（Waveforms），也称为码元，且波形长度相同。
承载信息量的基本信号单位。
符号持续期，也称符号周期，波形的长度二进制调制（Binary modulation）多进制调制（M-ary Modulation）从对载波参数的改变方式上可把调制方式分成三种类型：ASK、FSK和PSK。
ASK （Amplitude ShiftKeying）结构简单易于实现对带宽的要求小缺点是抗干扰能力差FSK （Frequency ShiftKeying ):相比于ASK需要更大的带宽PSK (Phase ShiftKeying):更复杂，但是具有较好的抗干扰能力多进制调制举例4进制幅度调制(4-ASK) 4-PSK用正弦载波的四个相位0、π/2、π、3π/2来传输信息关于调制的进一步概念符号速率（Symbol rate），也称码元传输速率、传码率，是符号周期的倒数单位为"波特"，又可以称为波特率,常用符号"Baud"表示，简写为"B"。
对于二进制调制而言，符号速率=“比特率”数据率（Data rate），是调制器能够接受的传输速率 二进制调制下，数据率=比特率M 进制调制下，数据率=符号速率*单个波形编码比特数噪声和干扰前面只提了“单发送端”情况多径传播噪声：也称“热噪声”，由导体内部的电子热运动引起的温度相关干扰：来自外部的不需要的信号同信道干扰Co-channel interference临信道干扰Adjacent-channel interference信噪比与误码率从失真的波形信号中提取有用的信息很容易出错 依赖于接收到的信号的强度与损失的比值SINR——Signal to Interference plus Noise Ratio»P 代表接收功率»I代表与信号同时送来的干扰信号的功率»N 代表噪声信号功率BER ——Bit Error Ratio 误码率•规定时间内误差比特数除以传送比特总数不同调制的误码率1e-071e-06 1e-05 0.0001 0.001 0.01 0.1 1-10-551015Coherently Detected BPSK Coherently Detected BFSKBERSNR 结论：1.为了达到某个确定的BER ，需要确定为了达到这个BER 在AWGN 信道条件下所需的最小SNR2.不同的调制方式所需的SNR 不同无线传感器网络物理层设计要点当前主要无线感器网络节点物理层的主要性能参数。
-94 dBm@250kBaud-110 dBm@2.4 kBaud-97dBm@115.2kbps-93dBm接收灵敏度-25 to 0dBm -20 to 10dBm 0dBm -7.5dBm 发射功率250K 最高可达76.8k OOK 30k / ASK115.2k1M 传输速率(bps)19.7 mA 9.6 mA@ 868MHz 3.8 mA@115.2 kbps1.8 mA @2.4kbps 27 mA 接收模式消耗电流17.4mA@0dBm16.5mA@868MHz,0dBm12 mA50 mA 发射模式消耗电流 1.8-3.62.1-3.633.0-5.5工作电压(V) 2.4G 300 to 1000M916.5M2.4G 工作频率(Hz)O-QPSK(DS)FSK ASK/OOK GFSK 调制方式CC2420CC1000TR1000LMAX3162射频前端芯片Micaz/Tmote/GAINZMica 2/GAINSWeC Mote/ MedusaMK-2/ iBadge/ Mica Mote /EyEsμAMPs -Ⅰ节点名称分组传输与同步接收机必须了解接收信号的特性信号的频率、相位、起止位符号、帧的起止 Training——提取发射机的频率和符号时间，获得初始同步检测数据帧的边界接收数据帧IEEE 802.15.4定义的物理层帧结构SFD start-of-frame delimiter PSDU PHY service data unitePHY 负载帧的长度(PHR)同步头(SHR)PSDU 保留位帧长度（7位）SFD前导码可变长度1字节1字节4字节物理层与收发机设计的考虑 关于能量辐射的能量典型值0dBm•低发射功率，小传播范围辐射1mW能量，收发机需10-100mW能量•Mica mote: 21mw/15mw•接收模式与发射模式能耗相当甚至更多 启动能量/时间(startup energy/time)也非常高•μAMPs-Ⅰ: 58mw / 466 μs通信量/通信模式/计算量进行折中物理层与收发机设计的考虑关于调制方式要多因素平衡：需要的数据率、已有的符号率、实现复杂度、目标BER 、信道差错模型等思考1：能耗对调制方式的依赖•IEEE 802.11b CCK方式比DBPSK和DQPSK消耗能量大 思考2：调制方式的功耗与符号率相关•“高”数据率，“低”符号率的m进制调制传得更快•但m进制调制电路更复杂，功率更高，且抗干扰能力差 思考3：数据量非常小的时候•启动时间/能耗>>传送时间总结无线射频通信给通信系统引入了许多的不确定性 处理这些不可避免发生的错误是无线通讯面临的主要挑战MANET和WSN在物理层有很多相似之处 主要区别在数据率以及相应的收发机复杂性思考题以下写法是否正确，如果正确，其含义是什么？ X dB+Y dBX dBm-Y dBX dBm+Y dBm传感网与环境智能研究室计算机楼A414室Email:helili_jlu@5483667@。