传感器物理层与信道接入技术

1.1
频率分配
1.2
物理层设计
1
物理层相关技术
1.1
频率分配
无线电波的定义
无线电波是指在自由 空间全方位传播的射 频频段的电磁波，可 以很容易产生，也可 以穿透建筑物体，因 此被广泛应用于无线 通信中。
无线电波的原理
导体中电流强弱的改变会产生 无线电波。利用这一现象，通 过调制可以将信息加载到无线 电波之上。当电波通过空间传 播到达收信端，电波引起的电 磁场变化又会在导体中产生电 流，通过调制将信息从电流变 化中提取出来，就达到信息传 递的目的。
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物理层相关技术
1.1
频率分配
ISM频段
一些常用的ISM波段频率及说明
频率
说明
13.553I指～S1M特5.5（6别7MI为nHdz工ust业ria、l- S科ci学en、tifi医c-M学e应dic用al）而频保段留是的
26.957频～2率7.28范3M围Hz。
40.66～IS40M.70频MH段z 是对所有无线电系统都开放的频
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物理层相关技术
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物理层相关技术
1.2 物理层设计
从天线长度的角度
在ISM 13.5MHz，如果采用λ/4对偶天线，
天线长度为5.6m，显然要求这么长的天线 很不适合小体积的无线传感器网络节点；
对于ISM 2.4GHz，其采用λ/4对偶天线，天
线长度为3.1cm，这么高的频率就可以将节 点做得很小，也有利于天线的MEMS集成。
1.2 物理层设计
由于无线传感器网络是一种面向应用的网络，所以针对不同 的实际应用，应该综合成本、功耗、体积等因素进行最优选 择；
美国联邦通信委员会FCC认为2.4GHz是当前工艺条件下，将 功耗需求、成本、体积等折中较好的一个频段，并且是全球 的ISM波段；
但是，这个频段也是现阶段不同应用设备可能造成相互干扰 最严重的频段：蓝牙、WLAN、微波炉设备、无绳电话等都 采用该频段的频率。
扩频 4 5 5 5 5 2 4 3
UWB 3 4 4 4 2 2 5 4
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1.2 物理层设计
2 通信速率
一般用单个比特的收发能耗来 定义数据传输对能量的效率。 比特能耗越小越好。
提高数据传输速率可以减少数 据收发时间，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。
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1.2
物理层相关技术 物理层设计
3 通信频率的选择
频率的选择是影响无 线传感器网络性能、 成本的一个重要参数.
考虑到无线传感器网络低 成本的要求，ISM波段是 首要的选择
ISM波段在高频和特高频 的频率范围上都有分布， 但信号在不同的频率上传 播特性、功率消耗以及对 器件性能和天线的要求却 有很大区别。
调 制来自百度文库
前 MA导C码层，更这好直将的接降协序低作信列。号扩的频隐(D蔽S性S，S所) 以需要
技
术
⑶超宽带UWB调制技术
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1.2 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
成本
3
功耗
2
低传输范围和低速率 3
抗干扰能力
1
抗背景噪声能力 2
同步难易度
3
频谱利用率
2
多播能力
1
船用通信，业余无线电通信，移动通信，中距离导航
远距离短波通信，国际定点通信 电离层散射，流星余迹通信，人造电离层通信，对空间飞行体通信， 移动通信 小容量微波中继通信，对流层散射通信，中容量微波通信 大容量微波中继通信，数字通信，大容量微波中继通信，卫星通信， 国际海事卫星通信 载入大气层时的通信，波导通讯
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物理层相关技术
1.2 物理层设计
从节点物理层集成化的角度
虽然当前的CMOS工艺已经成为主流， 但是对大电感的集成化还是一个非常 大的挑战，随着深亚微米工艺的进展， 更高的频率更易于电感的集成化设计， 这对于未来节点的完全SOC设计是有 利的，所以频段的选择是一个非常慎 重的问题。
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物理层相关技术
展后再传输; 接收端则采用相同的编码进行解调及相关
处理，恢复原AS始K信息数据。
常 见
扩频通信的特点：
⑴窄带调制技术与传统的窄F带S通K信方式相比，具有抗干扰、
的 编 码
抗数噪据声超、宽功带率U频W谱B调低制、技具术有是保一密种性无、需隐载蔽波
性的和调低制截技获术概P，S率其K等超特低点的。功耗和易于集成的特 ⑵扩频调制技术点 UW非B常需适要合较跳短长频距的(离F捕H通获S信S时)的间W，S即N应需用要，较但长的是
433～4段64M，H发z 射功率要求在欧1洲W标以准下，无需任何
902～9许28M可H证z 。
美国标准
2.4～2.5GHz
全球WPAN/WLAN
5.725～5.875GHz
全球WPAN/WLAN
24～24.25GHz
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物理层相关技术
1.1
频率分配
频段的选择
1
物理层相关技术
1.1 频率分配 1.2 物理层设计
课程目录
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物理层相关技术
2
信道接入技术
3
IEEE 802.15.4标准
4
ZigBee标准
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物理层相关技术
前言
在无线传感器网络中，物理层 是数据传输的最底层，向下直接 与传输介质相连；
物理层协议是各种网络设备进 行互联时必须遵循的底层协议；
物理层的设计是无线传感器网 络协议性能的决定因素。
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物理层相关技术
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物理层相关技术
1.2 物理层设计 物理层的设计目标
以尽可能少的能量消耗 获得较大的链路容量
物理层需要考虑的问题
编码调制技术 通信速率 通信频段
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物理层相关技术
扩频通信的工作原理：
1.2 物理层设计
在发送端将传送的信息用伪随机编码(扩频 序列Spread Sequence)调制，实现频谱扩
1 编码调制技术
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物理层相关技术
1.2 物理层设计
从功耗的角度
在传输相同的有效距离时，载波频率越高 消耗能量越多，这是因为频率载波越高， 对频率合成器的要求也越高，而在射频前 端发射机中的频率合成器是主要的功耗模 块; 根据自由空间无线传输损耗理论可以知道， 波长越短其传输损耗越大，也就意味着高 频率需要更大的发射功率来保证一定的传 输距离。
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物理层相关技术
1.1
频率分配
频率
3～30kHz 30～300kHz 0.3～3MHz 3～30MHz 30～300MHz 0.3～3GHz 3～30GHz 30～300GHz
中国无线电管理委员会的规定
应用范围
海岸潜艇通信，远程距离通信，超远程距离导航
越洋通信，中距离通信，地下岩层通信，远距离导航