第2.1讲 无线传感器网络技术-物理层

无线传感器网络------物理层

主讲:何丽莉电子邮箱：helili_jlu@

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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-1Km

100Km-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

d

3. 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

2

0202

2

)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(02022

21d

d 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 Shift

Keying）

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 Shift

Keying ):

相比于ASK需要更大的带宽

PSK (Phase Shift

Keying):

更复杂，但是具有较好的抗干扰

能力