第二章_WSN物理层技术2011

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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2.3.2 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。

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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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

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。
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：

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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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
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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2.4.4 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：
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

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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
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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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。
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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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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。


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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。

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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




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。


（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。


（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)
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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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。
n
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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。