物理層《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》

1、物理層 物理層概述 發(fā)送端：頻帶選擇，調(diào)制擴(kuò)頻，幀結(jié)構(gòu) 信道：信號(hào)失真-無線信道 接收端：BER 收發(fā)器設(shè)計(jì) 物理層 OSI模型規(guī)定：物理層為傳輸 數(shù)據(jù)所需要的物理鏈路創(chuàng)建、 維持、拆除，提供具有機(jī)械的， 電子的，功能的和規(guī)范的特性。 簡(jiǎn)單的說，物理層確保原始的 數(shù)據(jù)可在各種物理媒體上傳輸。 主要功能 提供傳送數(shù)據(jù)的通路 傳輸數(shù)據(jù) 其他管理功能 PPDU數(shù)據(jù) Bit to Symbol Symbol to Chip Modulator RF信號(hào) 物理接口標(biāo)準(zhǔn) 通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理接口的四個(gè)特性進(jìn)行了描述：通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理接口的四個(gè)特性進(jìn)行了描述： 機(jī)械特性機(jī)械特性。它規(guī)定了物理連接時(shí)使

2、用的可接插連接器的形狀和。它規(guī)定了物理連接時(shí)使用的可接插連接器的形狀和 尺寸，連接器中的引腳數(shù)量和排列情況等。尺寸，連接器中的引腳數(shù)量和排列情況等。 電氣特性電氣特性。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流時(shí)，線路。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流時(shí)，線路 上信號(hào)電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。上信號(hào)電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。 功能特性功能特性。它規(guī)定了物理接口上各條信號(hào)線的功能分配和確切。它規(guī)定了物理接口上各條信號(hào)線的功能分配和確切 定義。物理接口信號(hào)線一般分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時(shí)線和地線。定義。物理接口信號(hào)線一般分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時(shí)線和地線。 規(guī)

3、程特性規(guī)程特性。它定義了信號(hào)線進(jìn)行二進(jìn)制比特流傳輸線的一組操。它定義了信號(hào)線進(jìn)行二進(jìn)制比特流傳輸線的一組操 作過程，包括各信號(hào)線的工作規(guī)則和時(shí)序。作過程，包括各信號(hào)線的工作規(guī)則和時(shí)序。 無線通信物理層的主要技術(shù)無線通信物理層的主要技術(shù) 無線通信物理層無線通信物理層的主要技術(shù)包括的主要技術(shù)包括介質(zhì)的選介質(zhì)的選 擇擇、頻段的選擇頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù) 物理層 物理層概述 發(fā)送端：頻帶選擇，調(diào)制擴(kuò)頻，幀結(jié)構(gòu) 信道：信號(hào)失真-無線信道 接收端：BER 收發(fā)器設(shè)計(jì) 介質(zhì)選擇 電磁波：無線電波、微波、紅外線、光波 聲波：水下傳感網(wǎng) 常用的有無線電波、紅外線和光波 光波光波 優(yōu)點(diǎn)：

4、無需注冊(cè) 速度快 缺點(diǎn)：LoS傳輸 干擾 光感設(shè)備比較昂貴 紅外線紅外線 優(yōu)點(diǎn)：無須注冊(cè)，并且抗干擾能力強(qiáng)。 缺點(diǎn)：穿透能力差， LoS傳輸 。 無線電波無線電波 無線電波的傳播特性與頻率相關(guān)。如果采用較低頻率，則它能輕易地通過障礙物，但電波能量隨著 與信號(hào)源距離r的增大而急劇減小。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，且受障礙物阻擋的影響。 優(yōu)點(diǎn)：傳播距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)、全向天線 缺點(diǎn)：干擾、衰落、不可靠鏈路；由于無線電波的傳輸距離較遠(yuǎn)，無線電波易受發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子 設(shè)備的干擾； 用戶之間的相互串?dāng)_也是需要關(guān)注的問題，無線頻率管制方面的使用授權(quán)規(guī)定 無線頻譜 通常人們選擇“工業(yè)、科學(xué)和醫(yī) 療”(

5、Industrial，Scientific and Medical, ISM)頻段。 應(yīng)用這些頻段無需許可證或費(fèi)用，只 需要遵守一定的發(fā)射功率（一般低于 1W），并且不要對(duì)其它頻段造成干 擾即可。ISM頻段在各國的規(guī)定并不 統(tǒng)一。 優(yōu)點(diǎn)：自由頻段，無須注冊(cè)，可選頻 譜范圍大，實(shí)現(xiàn)起來靈活方便。 缺點(diǎn)：功率受限，另外與現(xiàn)有多種無 線通信應(yīng)用存在相互干擾問題。 調(diào)制和解調(diào)技術(shù)調(diào)制和解調(diào)技術(shù) 通常信號(hào)源的編碼信息（即信源）含有直 流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶 信號(hào)。 基帶信號(hào)不適合長距離傳輸，因而要將基 帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)基帶頻率而言頻率非常 高的帶通信號(hào)，以便于進(jìn)行信道傳輸。通 常將帶通信號(hào)

6、稱為已調(diào)信號(hào)，而基帶信號(hào) 稱為調(diào)制信號(hào)。 模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制 模擬調(diào)制模擬調(diào)制是用模擬基帶是用模擬基帶 信號(hào)對(duì)高頻載波的某一信號(hào)對(duì)高頻載波的某一 參量進(jìn)行控制，使高頻參量進(jìn)行控制，使高頻 載波隨著模擬基帶信號(hào)載波隨著模擬基帶信號(hào) 的變化而變化的變化而變化。 模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制 數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)高頻載波的是用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)高頻載波的 某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著數(shù)字某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著數(shù)字 基帶信號(hào)的變化而變化。目前通信系統(tǒng)都基帶信號(hào)的變化而變化。目前通信系統(tǒng)都 在由模擬制式向數(shù)字制式過渡，因此數(shù)字在由模擬制式向數(shù)字制式過渡，

7、因此數(shù)字 調(diào)制已經(jīng)成為了主流的調(diào)制技術(shù)。調(diào)制已經(jīng)成為了主流的調(diào)制技術(shù)。 數(shù)字調(diào)制 通過調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)可以表達(dá)信息 幅度頻率 相位 幅度調(diào)制 Amplitude shift keying e.g. MICA TR1000 頻率調(diào)制 Frequency shift keying e.g. MICA2 CC1000 相位調(diào)制 Phase shift keying e.g. MICAz CC2420 擴(kuò)頻技術(shù) 信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息所 需要的最小帶寬。頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè) 獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方 法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無

8、關(guān)；在接收法來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收 端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和 恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。 直接序列擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSSSpectrum, DSSS) ) 跳頻跳頻(Frequency Hopping Spread (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSSSpectrum, FHSS) ) 跳時(shí)跳時(shí)(Time Hopping Spread Spectrum, (Time

9、 Hopping Spread Spectrum, THSSTHSS) ) 寬帶線寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻性調(diào)頻擴(kuò)頻(chirp Spread (chirp Spread Spectrum, chirp-SSSpectrum, chirp-SS，簡(jiǎn)稱切普擴(kuò)頻，簡(jiǎn)稱切普擴(kuò)頻) )。 擴(kuò)頻優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)頻優(yōu)點(diǎn) 易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率易于重復(fù)使用頻率，提高了無線頻譜利用率 抗干擾抗干擾性強(qiáng)，性強(qiáng)，誤碼率低誤碼率低 隱蔽隱蔽性好，對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)性好，對(duì)各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小的干擾很小 可以實(shí)現(xiàn)碼分多址可以實(shí)現(xiàn)碼分多址 抗多徑干擾抗多徑干擾 能精確地定時(shí)和測(cè)距能精確地定時(shí)和測(cè)距 適合數(shù)字話音和數(shù)

10、據(jù)傳輸適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信以及開展多種通信 業(yè)務(wù)業(yè)務(wù) 安裝簡(jiǎn)便安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù)。，易于維護(hù)。 節(jié)點(diǎn)名稱 WeC Mote/Medusa /MK-2/iBadge/Mica mote/EyEs Mica2/GAINSMicaz/Tmote/GAINZ 射頻前端芯片TR1000CC1000CC2420 調(diào)制方式ASK/OOKFSKO-QPSK(DS) 工作頻率/Hz916.5M300M1000M2.4G 工作電壓/V32.13.61.83.6 發(fā)射模式消耗電流/mA1216.5(在868MHz，0dBm)17.4（0dBm） 接收模式消耗電流/mA 3.8（115.2kb/s

11、） 1.8(2.4kb/s) 9.6(868MHz)19.7 傳輸速率/(b/s) OOK 30k ASK 115.2k 2 考慮陰影效應(yīng)等影響：加入高斯變量 更為實(shí)際的信道模型 理想信道模型：假設(shè)發(fā)送功率、損耗是常值，噪聲是不相關(guān)高斯 信號(hào) -固定的SNR 一些典型的信道 參數(shù) 路徑損耗指數(shù) 陰影效應(yīng)方差2 參考距離d0=1m Attenuation Diffraction Reflection Scattering Doppler fading 接收信號(hào)發(fā)送信號(hào) 多徑衰落 延遲擴(kuò)散(Delay Spread)：接收端可能會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)接收 到許多來自不同路徑的相同信號(hào)，這段時(shí)間稱為延遲擴(kuò)散

12、。 即多徑信號(hào)最快和最慢的時(shí)間差 相干帶寬(Coherence Bandwidth) ：延遲擴(kuò)散的倒數(shù). 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 compa

13、rable or correlated amplitude fading. 相干時(shí)間（Coherence timeCoherence time） is the time duration over which the channel impulse response is considered to be not varying Doppler spread 時(shí)間：快衰落、慢衰落 空間：瑞利衰落、萊斯衰落 頻率：平坦性衰落、選擇性衰落 由多普洛擴(kuò)展引起的衰落： Coherence timeCoherence time 1/ Doppler spread 多徑信道模型 如果符號(hào)周期大于相干時(shí)間

14、快衰落：信號(hào)幅度的瞬時(shí)變化，與多徑傳播有關(guān)，又被稱為短期衰落、小尺度 衰落。慢衰落是快衰落的中值。 如果符號(hào)周期短于相干時(shí)間 慢衰落：是信號(hào)幅度的長期變化，是傳播環(huán)境在較長時(shí)間、較大范圍內(nèi)發(fā)生變 化的結(jié)果，比如天氣、季節(jié)、遮蔽等，因此又被稱為長期衰落、大尺度衰落。 多徑信道模型 不存在直射信號(hào)的情況。瑞利 衰落屬于小尺度的衰落效應(yīng)， 它總是疊加于如陰影、衰減 等大尺度衰落效應(yīng)上 瑞利衰落 Rayleigh fading 萊斯衰落 Rician fading 存在直射信號(hào)的情況 瑞利衰落 萊斯衰落 多徑信道模型 如果相干帶寬Bc大于信號(hào)帶寬Bs（BcBs) 平坦衰落 如果相干帶寬Bc小于信號(hào)帶寬

15、Bs（BcBs) 頻率選擇性衰落 Coherence bandwidthCoherence 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 co

16、mparable or correlated amplitude fading. WSN的特性 小傳輸范圍幾十米 短傳輸延時(shí)ns 平坦衰落 噪聲和干擾 干擾(Interference)：受其他共享相同頻譜的無線通 信影響 接收信號(hào)=發(fā)送信號(hào) + 信道失真 + 噪聲 + 干擾 噪聲(Noise) ：受溫度、天氣等因素影響 典型模型為均值為0、加性方差的高斯函數(shù) 物理層概述 發(fā)送端：頻帶選擇，調(diào)制擴(kuò)頻，幀結(jié)構(gòu) 信道：信號(hào)失真-無線信道 接收端：BER 收發(fā)器設(shè)計(jì) 數(shù)字信道模型 二元對(duì)稱信道 （Binary Symmetric Channel, BSC）:假設(shè)每個(gè)比特具有固定的錯(cuò)誤概率， 與其 他比

17、特不相關(guān) 使用馬爾科夫模型：不同狀態(tài)有不同的信道狀態(tài) E.g. Gilbert-Elliot模型 誤碼率 Bit Error Rate SINR-Signal to noise and interference ratio BER - Bit error rate e.g. 對(duì)于BPSK, BER= QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) 10203040 SNR(dB) BER 10-1 10-2 10-3 10-5 10-6 10-7 10-4 operating point 1. SNR decreases, BER increase a

18、s node moves away from base station 2. When BER becomes too high, switch to lower transmission rate but with lower BER 物理層設(shè)計(jì)原則 以最小的成本獲得最大的通信容量 能耗問題：傳輸要比感知、計(jì)算更消耗能量： 傳輸1比特信息100m距離需要消耗的能量大約相當(dāng)于 執(zhí)行3000條計(jì)算指令消耗的能量。 發(fā)送端 需要20-100mW發(fā)送1mW的信號(hào) e.g. Mica mote需要20mW 接收端也需要相當(dāng)?shù)哪芎?睡眠機(jī)制是必要的 狀態(tài)切換需要時(shí)間和能耗 成本問題 e.g. 天線、電源

19、、晶振 選擇合適的調(diào)制技術(shù)、速率和通信頻段等 e.g. 提高速率可以節(jié)能，但會(huì)帶來更大誤碼率 等。一般用單個(gè)比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳一般用單個(gè)比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳 輸對(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。輸對(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。 小結(jié) 在低速無線個(gè)域網(wǎng)在低速無線個(gè)域網(wǎng)(LR-PAN)(LR-PAN)的的802.15.4802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在標(biāo)準(zhǔn)中，定義的物理層是在 868MHz868MHz、915MHz915MHz、2.4GHz2.4GHz三個(gè)載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個(gè)頻段都使三個(gè)載波頻段收發(fā)數(shù)據(jù)。在這三個(gè)頻段都使 用了直接序列擴(kuò)頻方式。用了直接序列擴(kuò)頻方式。 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是傳感器網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是傳感器網(wǎng) 絡(luò)物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的最有力競(jìng)爭(zhēng)者之一。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)