第2章物理层技术
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1、第2章 物理层通信技术2.1 物理层技术概述n网络的物理层主要关心数字化数据的调制与解调问题，这个任务是由收发机来完网络的物理层主要关心数字化数据的调制与解调问题，这个任务是由收发机来完成的。在传感器网络中，主要的挑战性工作是确定调制方式和收发机的体系结构，成的。在传感器网络中，主要的挑战性工作是确定调制方式和收发机的体系结构，使之具有简单、低成本、低能耗的特性，并且能够提供所需要的足够稳健的服务。使之具有简单、低成本、低能耗的特性，并且能够提供所需要的足够稳健的服务。n由于无线传感网节点采用电池供电，能量有限，且不易更换。因此，能量效率是由于无线传感网节点采用电池供电，能量有限，且不易更换。
2、因此，能量效率是无线传感网无法回避的话题。从最基础的物理层开始到应用层，几乎所有的通信无线传感网无法回避的话题。从最基础的物理层开始到应用层，几乎所有的通信协议层的设计都要考虑到能效因素，保持高能效以延长网络的使用寿命是无线传协议层的设计都要考虑到能效因素，保持高能效以延长网络的使用寿命是无线传感网设计的重要前提。无线传感网使用无线通信，链路极易受到干扰，链路通信感网设计的重要前提。无线传感网使用无线通信，链路极易受到干扰，链路通信质量往往随着时间推移而改变，因此研究如何保障稳定高效的通信链路是必要的。质量往往随着时间推移而改变，因此研究如何保障稳定高效的通信链路是必要的。n从无线传感网三层体
3、系结构模型来分析，其上层可采用常见的远距无线通信方式，从无线传感网三层体系结构模型来分析，其上层可采用常见的远距无线通信方式，包括包括GPRS、EDGE、WiMAX、3G、4G等。其下层大多采用短距通信方式，典等。其下层大多采用短距通信方式，典型的短距无线通信技术包括蓝牙、型的短距无线通信技术包括蓝牙、Wi-Fi、IrDA、UWB、ZigBee等。无线传感网等。无线传感网大多采用了低功耗的短距通信方式，目前大多采用了低功耗的短距通信方式，目前ZigBee被公认为是典型的无线传感网通被公认为是典型的无线传感网通信技术，其物理协议层基于信技术，其物理协议层基于IEEE802.15.4标准。标准。2
4、.2 链路特征n无线传感器网络的链路特性主要从频率分配、无线传感器网络的链路特性主要从频率分配、无线通信信道和调制解调技术三方面进行描述。无线通信信道和调制解调技术三方面进行描述。2.2.1 通信频率通信频率n对于一个无线通信系统来说，频率波段的选择对于一个无线通信系统来说，频率波段的选择非常重要。由于在非常重要。由于在6GHz以下频段的波形可以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。用这个范围的频段。n目前，无线传感网节点基本上都是采用无
5、需许目前，无线传感网节点基本上都是采用无需许可证的可证的ISM（工业、科学、医学）波段，发射（工业、科学、医学）波段，发射功率要求在功率要求在1W以下。以下。n表表2-1给出了一些常用的给出了一些常用的ISM波段频率分配。波段频率分配。频频 率率说说 明明13.55313.567MHz26.95727.283MHz40.6640.70MHz433464MHz欧 洲902928MHz美 国2.42.5GHzWLAN/WPAN技术使用5.7255.875GHzWLAN技术使用2424.25GHzn选择频段时主要考虑以下两点。选择频段时主要考虑以下两点。q（1）在公用的ISM频段，由于没有使用限制，
6、任何系统可能会对其它系统使用（在同一频段内使用相同或不同的技术，）产生噪声干扰。例如，许多系统共用的2.4GHz的ISM频段。因此，在这些频段中的所有系统有强大的防干扰能力。共存需要涉及物理层和MAC层。但要求分配一些特定的适合传感网的独家频谱是相当困难的事情。q（2）在传输系统中的一个重要参数是天线的效率，其定义为天线辐射功率与总输入功率之比。外形小巧的无线传感器节点期望的只允许采用小型天线。例如，在2.4GHz的无线电波波长为12.5cm，比大多数传感器节点期望的尺寸要长。在一般情况下，由于天线尺寸小于波长，因此效率会有所降低，必须采取一定措施才能实现固定的辐射功率。2.2.2 通信信道通
7、信信道n无线传感网采用无线通信方式，传感网的数据信息可无线传感网采用无线通信方式，传感网的数据信息可以通过各种各样复杂的无线方式传送到目的节点。以通过各种各样复杂的无线方式传送到目的节点。n无线信道是无线通信发送端和接收端之间的通信链路，无线信道是无线通信发送端和接收端之间的通信链路，它们是以电磁波的形式在空间传播，信道的电波传播它们是以电磁波的形式在空间传播，信道的电波传播特性与电波所处的实际传播环境有关。特性与电波所处的实际传播环境有关。n以下就从自由空间信道，多径信道和加性噪声信道来以下就从自由空间信道，多径信道和加性噪声信道来简要介绍通信信道。简要介绍通信信道。2.2.2 通信信道通信
8、信道自由空间信道自由空间信道n自由空间信道是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。如图自由空间传播信道。如图2-1所示，假定信号发射源是一个点（所示，假定信号发射源是一个点（a点），点），天线发射功率为，则与点天线发射功率为，则与点a相距相距d的任一点上（相当于面积为的球面上）的任一点上（相当于面积为的球面上）的功率密度为：的功率密度为：)/(4220mWdPPt图2-1 无线信道结构2.2.2 通信信道通信信道多径信道多径信道n在超短波、微波波段，电波在传播过程中会遇到障碍物，例如楼房、高层建筑物在超短波、
9、微波波段，电波在传播过程中会遇到障碍物，例如楼房、高层建筑物或山丘等，将会对电波产生反射、折射、散射或衍射等现象，如图或山丘等，将会对电波产生反射、折射、散射或衍射等现象，如图2-2所示。因此，所示。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），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。可以用图这种现象称为多径传播。可以用图2-2表示这一现象。表示这一现象。图2-2 造成多径传播的原因2.2.2 通信信道通信信道多径信道多径信道n对于无线传感网来说，其通信大多是节点间短距离、低功率传输，且一般离地面对于无线传感
10、网来说，其通信大多是节点间短距离、低功率传输，且一般离地面较近，所以对于一般的场景可以认为它主要存在三条路径：即障碍物反射、直射较近，所以对于一般的场景可以认为它主要存在三条路径：即障碍物反射、直射以及地面发射。以及地面发射。n（1）反射与折射：当一个电磁波信号在从一种介质）反射与折射：当一个电磁波信号在从一种介质A传播到另一种介质传播到另一种介质B表面时，表面时，如果两种介质之间的边界是平滑的，且介质如果两种介质之间的边界是平滑的，且介质B的边长大大地大于信号波长，则传的边长大大地大于信号波长，则传播信号的一部分会被反射回介质播信号的一部分会被反射回介质A的现象称为发射。另一部分则可能进入介
11、质的现象称为发射。另一部分则可能进入介质B，称为发射波。而其余的部分则被吸收掉。究竟信号的能量有多少被反射、传播或称为发射波。而其余的部分则被吸收掉。究竟信号的能量有多少被反射、传播或吸收，取决于介质体的材料和信号的频率。吸收，取决于介质体的材料和信号的频率。n（2）散射：当信号波传播碰撞到小于信号波长障碍物时，如传播波形碰到一个）散射：当信号波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。圆的表面时，则其可能发生多次反射，并弥散到许多方向。n（3）衍射：依据惠更斯原理，信号波形上的任意一点可以被认为是一个新的波）衍射：依据惠更斯原理，信
