第二章_WSN物理层技术2011
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n
10
2
2.3.2 多径信道
在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会 遇到障碍物，例如楼房、高大建筑物或山丘等。 对电波产生反射、折射或衍射等。 如图2-3所以。因此，到达接收天线的信号可 能存在多种反射波（广义地说，地面反射波也 包括在内），这种现象称为多径传播。可以用 图2-3表示这一现象。
天线和电源的集成化设计目的仍是非常有挑战性的研究工作。
30
几种调制技术性能比较
31
2.5 无线传感器网络物理层设计
无线传感器网络物理层的发展与当前的设计工艺水平 紧密相连的，随着最近几年射频CMOS工艺的发展，使 得无线传感器网络物理层的成本和功耗显著下降，表 2-6给出了当前主要无线感器网络节点物理层的主要性 能参数。
32
表2-6 目前主要无线传感器网络节点物理层参数
（1）低功耗问题。
（2）低发射功率和小传播范围。 （3）低占空系数问题。大多数硬件应用在大部分时间 内不工作或工作于低功耗的待机状态。 （4）相对较低的数据率。一般来说每秒几十或几百kb。 （5）较低的实现复杂度和较低的成本。
（6）较小的移动程度。
（7）对于全部节点来说，一个较小的形状系数。
直接序列扩频(DSSS，Derrect Sequence Spread Spectrum)工作 力式，简称直扩(DS)方式。
跳频扩频(FHSS，Frequency Hopping Spread Spectrum )工作方 式，简称跳频(FH)方式；
跳时扩频间(THSS，Time Hopping Spread Spectrum)工作方式， 简称跳时(TH)方式；
自由空间信道
Friis方程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，即为
d 0 P G G r P t t r d 0 d 4
21
2.4.2 数字调制（C）
其他调制方式还有MSK、QPSK、OQPSK、 MQAM等，
22
2.4.3 UWB通信技术
超宽带(UWB，Ultra wide Band)无线通信技术 是近年来备受青睐的短距离无线通信技术之一。 具有高传输速率、高的时间和空间分辨率、低 功耗、保密性好、低成本及易于集成等特点， 被认为是未来短距离高速通信最具潜力的技术。
23
2.4.3 UWB通信技术
UWB信号带宽应大于500 MHz或相对带宽大于 0.2。相对带宽定义为
fH fL fc 2 fH fL
信号带宽与中心频率比在0.01~0.2时称为宽带， 小于0.01时称为窄带。 UWB无线通信的频率范围是3.1~10.6GHz。
24
UWB技术的优点
26
UWB技术的优点（C）
(5)由于UWB信号的扩频处理增益比较大，即 使采用低增益的全向天线，也可使用小于1mw 的发射功率实现几千米的通信。
如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间，非 常适合移动通信设备的应用。 有研究表明，使用超宽带的手机待机时间可以达6 个月，而且低辐射功率可以避免过量的电磁波辐射 对人体的伤害。
e ( t ) a g ( t nT ) cos t a g ( t nT ) cos t 0 n s 1 n s 2
20
2.4.2 数字调制（C）
在2PSK中，载波的相位随着调制信号1和0而改 变，2PSK的时域表达式为
S a g ( t nT ) cos t BPSK n n c n
27
2.4.4 扩频调制技术
扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)扩频处理后，再将频谱扩展了的宽带信号在信道上进 行传输；接收端则采用相同的编码序列进行解调及相关处理后， 恢复出原始信息数据。
28
2.4.4 扩频调制技术
现有的扩频通信系统可以分为：
34
表2-7 物理层帧结构
35
2.5.2 物理层设计考虑
物理层主要负责数据的硬件加密、调制解调、 发送与接收，是决定WSN的节点体积、成本以 及能耗的关键环节，是WSN的研究重点之一。 物理层的设计目标是以尽可能少的能量消耗获 得较大的链路容量。
36
2.5.2 物理层设计考虑
物理层设计的一些非常重要的问题
(1)不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要 本地振荡器、功放和混频器等，因此体积相对 较小，系统结构也相对简单得多。而且，由于 UWB对信号的处理只需使用很少的射频或微波 器件，因而射频前端也比较简单，系统频率的 自适应能力强。另外，只要能将脉冲发射机和 接收机前端集成到一个芯片上，再加上时间基 和控制器，就可以构成一部UWB通信设备，因 此它的成本可以大大降低。
第二章 物理层技术
2.1 概述
2.2 频率分配
2.3 通信信道
2.4 调制解调技术
2.5 物理层设计
2.6 小节
1
2.1 概述
WSN协议栈的五层模型中，物理层主要负责数据的调制、发 送与接收，是决定WSN节点体积、成本以及能耗的关键环节。 传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和 无线通信模块。 从传感器节点各部分能量消耗的情况可以看出，传感器节点 大部分能量消耗在无线通信模块。 节点传输信息时要比执行计算时更消耗能量：
33
2.5.1 物理层帧结构
前导码：是物理帧的第一个字段，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：长度一般为一个字节， 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)：一般由一个字节的低7位表示，其值就是 帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127B，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MAC帧。
宽带线性调频（Chirp Modulation）工作方式，简称Chirp方式； 混合方式，即在以上三种基本扩频方式中的两种或多种组合起来， 便构成了一些混合扩频方式，如FH/DS，DS/TH，FH/TH等
29
2.4.4 扩频调制技术
IEEE 802.15.4定义的物理层采用的就是直接序 列扩频。 蓝牙物理层协议中使用的则是跳频扩频
25
UWB技术的优点（C）
(2)由于UWB信号采用了跳时扩频，其射频带宽可以达 到1GHz以上，它的发射功率谱密度很低，信号隐蔽在 环境噪声和其他信号之中，用传统的接收机无法接收 和识别，必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能 进行解调，因此增加了系统的安全性。 (3)UWB信号的衰落比较低，有很强的抗多径衰落能力。 (4)UWB信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于 UWB无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有 很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其 他的无线技术都高。
由于在6GHz以下频段的波形可以进行很好的整形处理，能较
容易地滤除不期望的干扰信号，所以当前大多数射频系统都 是采用这个范围的频段。
4
表2-1 频段划分及主要用途
5
表2-2 ISM波段频率
6
2.3 通信信道
2.3.1 自由空间信道
2.3.2 多径信道
2.3.3 加性噪声信道
7
自由空间信道
39
然而无线传感器网络物理层设计中，当前仍面 临着以下两个方面的挑战： 1．成本
Fra Baidu bibliotek
2．功耗
40
1．成本
低成本是无线传感器网络节点的基本要求。只有低成本，才能将 节点大量地布置到目标区域内，表现出无线传感器网络的各种优 点。
物理层的设计直接影响到整个网络的硬件成本。节点最大限度的集 成化设计、减少分离元件是降低成本的主要手段。 不过随着CMOS工艺技术的发展。数字单元基本已完全地以基于 CMOS工艺实现，并且体积也越来越小；但是模拟部分尤其射频单元 的集成化设计仍需占用很大的芯片面积，所以尽管靠近天线的数字 化射频收发机研究是降低当前通信前端电路成本的主要途径。
信道变化比基带信号慢
16
2.4 调制解调
2.4.1 模拟调制
2.4.2 数字调制
2.4.3 UWB调制
2.4.4 扩频调制
17
2.4.1 模拟调制
一个简单的正弦波可以表示为
s ( t ) A ( t ) sin( 2 f ( t ) ( t ))
调制方式为幅度调制（AM）、频率调制（FM） 和相位调制（PM） 目前模拟调制技术仍在上下变频处理中起着无 可代替的作用。
37
2.5.2 物理层设计考虑
挑战性的问题是寻找合适的调制方式和收发机 的体系结构。 这种调制方式和体系结构应用具有简单、低成 本的特性，并具有足够的韧性以提供所需要的 任务。
38
2.5.2 物理层设计考虑
物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段 等问题： ①编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发 机结构及功率等一系列技术参数。比较常见的编码调 制技术包括幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键 控(PSK)和各种扩频技术，如跳频(FHSS)、直接序列扩 频(DSSS)等； ②提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于 节能有一定的好处，但需要同时考虑提高网络速度对 误码的影响。
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。 随着集成电路工艺的发展，处理器和传感器模块的功耗越来越 少，通信模块能量消耗占的比重是越来越大。
2
图2-1 节点各单元功耗分布图
3
2.2 频率分配
对于一个无线通信系统来说，频率波段的选择非常重要。
（3）散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物时，如 传播波形碰到一个圆的表面时，则其可能发生多次反射，并弥散 到许多方向。
13
多径效应与衰落特性
瑞利衰落信道
多径信道，但无可视信道（NLOS）
有可视信道（LOS）的多径信道
赖斯衰落信道
14
多径传播中的衰落
平坦衰落：
相干带宽Bc大于信号带宽Bs（Bc>Bs)
时延扩展小于信号符号周期（σ <Ts) 相干带宽Bc小于信号带宽Bs（Bc<Bs)
频率选择性衰落
时延扩展大于信号符号周期（σ >Ts)
15
时变信道（多普勒扩展引起的衰落）
快衰落
多普勒扩展很高
相干时间小于符号周期（Tc<Ts) 信道变化比基带信号快
慢衰落
多普勒扩展低
相干时间大于符号周期（Tc>Ts)
自由空间信道是—种理想的无线信道，它是无 阻挡、无衰落、非时变的自由空间传播信道 如图2-2所示，假定信号发射源是一个点(a点)， 天线发射功率为，则与点a相距d的任一点上 (相当于面积为的球面上)的功率(通量)密度为：
P 2 t P ( W / m ) 0 2 4 d
8
自由空间信道
9
18
2.4.2 数字调制
窄带数字调制技术：ASK、FSK和PSK
ASK调制电路结构如图2-7(a)，解调结构如图 2-7(b)，这种调制方式最大的特点是结构简单 易于实现。
19
2.4.2 数字调制（C）
FSK调制是使用两个频点携带信息的技术，其表达式可表述为式 (2.15)。根据调制波形的相位连续性又分为CPFSK(相位连续性 FSK)和NCPFSK(相位非连续性FSK)
11
2.3.2 多径信道
图2-3 造成多径传播的原因
12
2.3.2 多径信道
（1）反射：当信号传播碰撞到，当一个信号波形在媒体A中传播 时，碰到另一个媒体B，且两个媒体的边界是平滑的，媒体B边长 大大地大于信号波长，则传播信号波形的一部分会被反射回媒体 A，另一部分则进入媒体B而其余的部分则被吸收掉了。究竟信号 的能量有多少被反射、传播或吸收，取决于媒体的材料和信号的 频率。 （2）衍射：依据惠更斯原理，波形上的任意一点可以被认为是 一个新的波源。如果一个传播的波形碰到一个尖锐的边缘，则其 可能传播到一个阴影区域。
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2.3.2 多径信道
在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会 遇到障碍物，例如楼房、高大建筑物或山丘等。 对电波产生反射、折射或衍射等。 如图2-3所以。因此，到达接收天线的信号可 能存在多种反射波（广义地说，地面反射波也 包括在内），这种现象称为多径传播。可以用 图2-3表示这一现象。
天线和电源的集成化设计目的仍是非常有挑战性的研究工作。
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几种调制技术性能比较
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2.5 无线传感器网络物理层设计
无线传感器网络物理层的发展与当前的设计工艺水平 紧密相连的，随着最近几年射频CMOS工艺的发展，使 得无线传感器网络物理层的成本和功耗显著下降，表 2-6给出了当前主要无线感器网络节点物理层的主要性 能参数。
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表2-6 目前主要无线传感器网络节点物理层参数
（1）低功耗问题。
（2）低发射功率和小传播范围。 （3）低占空系数问题。大多数硬件应用在大部分时间 内不工作或工作于低功耗的待机状态。 （4）相对较低的数据率。一般来说每秒几十或几百kb。 （5）较低的实现复杂度和较低的成本。
（6）较小的移动程度。
（7）对于全部节点来说，一个较小的形状系数。
直接序列扩频(DSSS，Derrect Sequence Spread Spectrum)工作 力式，简称直扩(DS)方式。
跳频扩频(FHSS，Frequency Hopping Spread Spectrum )工作方 式，简称跳频(FH)方式；
跳时扩频间(THSS，Time Hopping Spread Spectrum)工作方式， 简称跳时(TH)方式；
自由空间信道
Friis方程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，即为
d 0 P G G r P t t r d 0 d 4
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2.4.2 数字调制（C）
其他调制方式还有MSK、QPSK、OQPSK、 MQAM等，
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2.4.3 UWB通信技术
超宽带(UWB，Ultra wide Band)无线通信技术 是近年来备受青睐的短距离无线通信技术之一。 具有高传输速率、高的时间和空间分辨率、低 功耗、保密性好、低成本及易于集成等特点， 被认为是未来短距离高速通信最具潜力的技术。
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2.4.3 UWB通信技术
UWB信号带宽应大于500 MHz或相对带宽大于 0.2。相对带宽定义为
fH fL fc 2 fH fL
信号带宽与中心频率比在0.01~0.2时称为宽带， 小于0.01时称为窄带。 UWB无线通信的频率范围是3.1~10.6GHz。
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UWB技术的优点
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UWB技术的优点（C）
(5)由于UWB信号的扩频处理增益比较大，即 使采用低增益的全向天线，也可使用小于1mw 的发射功率实现几千米的通信。
如此低的发射功率延长了系统电源的使用时间，非 常适合移动通信设备的应用。 有研究表明，使用超宽带的手机待机时间可以达6 个月，而且低辐射功率可以避免过量的电磁波辐射 对人体的伤害。
e ( t ) a g ( t nT ) cos t a g ( t nT ) cos t 0 n s 1 n s 2
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2.4.2 数字调制（C）
在2PSK中，载波的相位随着调制信号1和0而改 变，2PSK的时域表达式为
S a g ( t nT ) cos t BPSK n n c n
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2.4.4 扩频调制技术
扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)扩频处理后，再将频谱扩展了的宽带信号在信道上进 行传输；接收端则采用相同的编码序列进行解调及相关处理后， 恢复出原始信息数据。
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2.4.4 扩频调制技术
现有的扩频通信系统可以分为：
34
表2-7 物理层帧结构
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2.5.2 物理层设计考虑
物理层主要负责数据的硬件加密、调制解调、 发送与接收，是决定WSN的节点体积、成本以 及能耗的关键环节，是WSN的研究重点之一。 物理层的设计目标是以尽可能少的能量消耗获 得较大的链路容量。
36
2.5.2 物理层设计考虑
物理层设计的一些非常重要的问题
(1)不需要正弦波调制和上、下变频，也不需要 本地振荡器、功放和混频器等，因此体积相对 较小，系统结构也相对简单得多。而且，由于 UWB对信号的处理只需使用很少的射频或微波 器件，因而射频前端也比较简单，系统频率的 自适应能力强。另外，只要能将脉冲发射机和 接收机前端集成到一个芯片上，再加上时间基 和控制器，就可以构成一部UWB通信设备，因 此它的成本可以大大降低。
第二章 物理层技术
2.1 概述
2.2 频率分配
2.3 通信信道
2.4 调制解调技术
2.5 物理层设计
2.6 小节
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2.1 概述
WSN协议栈的五层模型中，物理层主要负责数据的调制、发 送与接收，是决定WSN节点体积、成本以及能耗的关键环节。 传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和 无线通信模块。 从传感器节点各部分能量消耗的情况可以看出，传感器节点 大部分能量消耗在无线通信模块。 节点传输信息时要比执行计算时更消耗能量：
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2.5.1 物理层帧结构
前导码：是物理帧的第一个字段，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：长度一般为一个字节， 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)：一般由一个字节的低7位表示，其值就是 帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127B，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MAC帧。
宽带线性调频（Chirp Modulation）工作方式，简称Chirp方式； 混合方式，即在以上三种基本扩频方式中的两种或多种组合起来， 便构成了一些混合扩频方式，如FH/DS，DS/TH，FH/TH等
29
2.4.4 扩频调制技术
IEEE 802.15.4定义的物理层采用的就是直接序 列扩频。 蓝牙物理层协议中使用的则是跳频扩频
25
UWB技术的优点（C）
(2)由于UWB信号采用了跳时扩频，其射频带宽可以达 到1GHz以上，它的发射功率谱密度很低，信号隐蔽在 环境噪声和其他信号之中，用传统的接收机无法接收 和识别，必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能 进行解调，因此增加了系统的安全性。 (3)UWB信号的衰落比较低，有很强的抗多径衰落能力。 (4)UWB信号的高带宽带来了极大的系统容量，由于 UWB无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低，系统有 很高的增益和很强的多径分辨力，所以系统容量比其 他的无线技术都高。
由于在6GHz以下频段的波形可以进行很好的整形处理，能较
容易地滤除不期望的干扰信号，所以当前大多数射频系统都 是采用这个范围的频段。
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表2-1 频段划分及主要用途
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表2-2 ISM波段频率
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2.3 通信信道
2.3.1 自由空间信道
2.3.2 多径信道
2.3.3 加性噪声信道
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自由空间信道
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然而无线传感器网络物理层设计中，当前仍面 临着以下两个方面的挑战： 1．成本
Fra Baidu bibliotek
2．功耗
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1．成本
低成本是无线传感器网络节点的基本要求。只有低成本，才能将 节点大量地布置到目标区域内，表现出无线传感器网络的各种优 点。
物理层的设计直接影响到整个网络的硬件成本。节点最大限度的集 成化设计、减少分离元件是降低成本的主要手段。 不过随着CMOS工艺技术的发展。数字单元基本已完全地以基于 CMOS工艺实现，并且体积也越来越小；但是模拟部分尤其射频单元 的集成化设计仍需占用很大的芯片面积，所以尽管靠近天线的数字 化射频收发机研究是降低当前通信前端电路成本的主要途径。
信道变化比基带信号慢
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2.4 调制解调
2.4.1 模拟调制
2.4.2 数字调制
2.4.3 UWB调制
2.4.4 扩频调制
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2.4.1 模拟调制
一个简单的正弦波可以表示为
s ( t ) A ( t ) sin( 2 f ( t ) ( t ))
调制方式为幅度调制（AM）、频率调制（FM） 和相位调制（PM） 目前模拟调制技术仍在上下变频处理中起着无 可代替的作用。
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2.5.2 物理层设计考虑
挑战性的问题是寻找合适的调制方式和收发机 的体系结构。 这种调制方式和体系结构应用具有简单、低成 本的特性，并具有足够的韧性以提供所需要的 任务。
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2.5.2 物理层设计考虑
物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段 等问题： ①编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发 机结构及功率等一系列技术参数。比较常见的编码调 制技术包括幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键 控(PSK)和各种扩频技术，如跳频(FHSS)、直接序列扩 频(DSSS)等； ②提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于 节能有一定的好处，但需要同时考虑提高网络速度对 误码的影响。
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。 随着集成电路工艺的发展，处理器和传感器模块的功耗越来越 少，通信模块能量消耗占的比重是越来越大。
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图2-1 节点各单元功耗分布图
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2.2 频率分配
对于一个无线通信系统来说，频率波段的选择非常重要。
（3）散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物时，如 传播波形碰到一个圆的表面时，则其可能发生多次反射，并弥散 到许多方向。
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多径效应与衰落特性
瑞利衰落信道
多径信道，但无可视信道（NLOS）
有可视信道（LOS）的多径信道
赖斯衰落信道
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多径传播中的衰落
平坦衰落：
相干带宽Bc大于信号带宽Bs（Bc>Bs)
时延扩展小于信号符号周期（σ <Ts) 相干带宽Bc小于信号带宽Bs（Bc<Bs)
频率选择性衰落
时延扩展大于信号符号周期（σ >Ts)
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时变信道（多普勒扩展引起的衰落）
快衰落
多普勒扩展很高
相干时间小于符号周期（Tc<Ts) 信道变化比基带信号快
慢衰落
多普勒扩展低
相干时间大于符号周期（Tc>Ts)
自由空间信道是—种理想的无线信道，它是无 阻挡、无衰落、非时变的自由空间传播信道 如图2-2所示，假定信号发射源是一个点(a点)， 天线发射功率为，则与点a相距d的任一点上 (相当于面积为的球面上)的功率(通量)密度为：
P 2 t P ( W / m ) 0 2 4 d
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自由空间信道
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2.4.2 数字调制
窄带数字调制技术：ASK、FSK和PSK
ASK调制电路结构如图2-7(a)，解调结构如图 2-7(b)，这种调制方式最大的特点是结构简单 易于实现。
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2.4.2 数字调制（C）
FSK调制是使用两个频点携带信息的技术，其表达式可表述为式 (2.15)。根据调制波形的相位连续性又分为CPFSK(相位连续性 FSK)和NCPFSK(相位非连续性FSK)
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2.3.2 多径信道
图2-3 造成多径传播的原因
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2.3.2 多径信道
（1）反射：当信号传播碰撞到，当一个信号波形在媒体A中传播 时，碰到另一个媒体B，且两个媒体的边界是平滑的，媒体B边长 大大地大于信号波长，则传播信号波形的一部分会被反射回媒体 A，另一部分则进入媒体B而其余的部分则被吸收掉了。究竟信号 的能量有多少被反射、传播或吸收，取决于媒体的材料和信号的 频率。 （2）衍射：依据惠更斯原理，波形上的任意一点可以被认为是 一个新的波源。如果一个传播的波形碰到一个尖锐的边缘，则其 可能传播到一个阴影区域。