物理层《无线传感器网络技术》

多径信道模型
瑞利衰落 Rayleigh fading 莱斯衰落 Rician fading
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
存在直射信号的情况
瑞利衰落 莱斯衰落
Coherence bandwidth is a statistical measurement of the range of frequencies over which the 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.
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。
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。
数字调制
幅度
频率
相位
• 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。
• 直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS) • 跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) • 跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS) • 宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频)。
提供传送数据的通路 传输数据 其他管理功能
PPDU数据
Bit to Symbol
Symbol to Chip Modulator
RF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：
• • • • 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。
Friis free-space equation d：传输距离 λ ：波长 Gtx : 发送天线增益 Grx
接收天线增益
更为实际的信道模型
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
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
• 一些典型的信道 参数
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
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
– γ 路径损耗指数 – 阴影效应方差σ2 – 参考距离d0=1m
接收信号≠发送信号
Diffraction
Attenuation
Scattering
Doppler fading
Reflection
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 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 time） is the time duration over which the channel impulse response is considered to be not varying
Mica2/GAINS
Micaz/Tmote/GAINZ
射频前端芯片
CC1000
CC2420
调制方式
工作频率/Hz 工作电压/V
ASK/OOK
916.5M 3
FSK
300M~1000M 2.1~3.6
O-QPSK(DS)
2.4G 1.8~3.6
发射模式消耗电流/mA
12
16.5(在868MHz，0dBm)
•
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。
• BER - Bit error rate
e.g. 对于BPSK,
BER=
10-1
10-2
10-3
BER
10-4
10-5
10-6 10-7
10
SNR(dB)
20
30
40
QAM256 (8 Hale Waihona Puke Baidubps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps)
operating point
1. SNR decreases, BER increase as node moves away from base station 2. When BER becomes too high, switch to lower transmission rate but with lower BER
Diffraction Attenuation Scattering Doppler fading
Reflection
路径损耗 大尺度衰落 确定性的 只与距离有关
阴影衰落 大尺度衰落 随机性的 与地面空间障碍物有关
多径衰落 小尺度衰落 随机性的 是多条路径上信号的叠加
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
• Doppler 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 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。
-25~0
-94(250kBaud)
物理层帧结构
4B 前导码 同步头 1B SFD 1B 帧长度（7位） 保留位 帧的长度，最大为128B 可变长度 PSDU PHY负荷
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，Start Frame Denotation)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。
帧长度(Frame length)：物理帧 的负载长度可变，称之为物理服 务数据单元(PSDU，Physical service data unit)，一般承载物 理层负载。
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
接收信号≠发送信号
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。
• 通过调节三个参数可以表达信息
幅度调制 Amplitude shift keying e.g. MICA TR1000 频率调制 Frequency shift keying e.g. MICA2 CC1000
相位调制 Phase shift keying e.g. MICAz CC2420
扩频技术
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。
节点名称
WeC Mote/Medusa /MK-2/iBadge/Mica mote/EyEs TR1000
• 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
• • • • •
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
误码率 Bit Error Rate
• SINR-Signal to noise and interference ratio
17.4（0dBm）
接收模式消耗电流/mA
3.8（115.2kb/s） 1.8(2.4kb/s) OOK 30k ASK 115.2k
9.6(868MHz)
19.7
传输速率/(b/s)
<76.8k
250k
发射功率/dBm
接收机灵敏度/dBm
0
-97(115.2kb/s)
-20~10
-110(2.4kBaud)
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
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
• 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
• 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