物理層物理層概述發(fā)送端：頻帶選擇，調(diào)制／擴頻，幀結(jié)構(gòu)信道：信號失真-無線信道接收端：BER收發(fā)器設計物理層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，提供具有機械的，電子的，功能的和規(guī)范的特性。簡單的說，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)BittoSymbolSymboltoChipModulatorRF信號物理接口標準通常物理接口標準對物理接口的四個特性進行了描述：①機械特性。它規(guī)定了物理連接時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。②電氣特性。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進制比特流時，線路上信號電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。③功能特性。它規(guī)定了物理接口上各條信號線的功能分配和確切定義。物理接口信號線一般分為數(shù)據(jù)線、控制線、定時線和地線。④規(guī)程特性。它定義了信號線進行二進制比特流傳輸線的一組操作過程，包括各信號線的工作規(guī)則和時序。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)包括介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴頻技術(shù)物理層物理層概述發(fā)送端：頻帶選擇，調(diào)制／擴頻，幀結(jié)構(gòu)信道：信號失真-無線信道接收端：BER收發(fā)器設計介質(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

優(yōu)點：無需注冊速度快

缺點：LoS傳輸干擾光感設備比較昂貴紅外線優(yōu)點：無須注冊，并且抗干擾能力強。缺點：穿透能力差，LoS傳輸。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：傳播距離遠、穿透性強、全向天線

缺點：干擾、衰落、不可靠鏈路；由于無線電波的傳輸距離較遠，無線電波易受發(fā)動機和其它電子設備的干擾；用戶之間的相互串擾也是需要關(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)、科學和醫(yī)療”(Industrial，ScientificandMedical,ISM)頻段。應用這些頻段無需許可證或費用，只需要遵守一定的發(fā)射功率（一般低于1W），并且不要對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：自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實現(xiàn)起來靈活方便。缺點：功率受限，另外與現(xiàn)有多種無線通信應用存在相互干擾問題。調(diào)制和解調(diào)技術(shù)通常信號源的編碼信息（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?；鶐盘柌贿m合長距離傳輸，因而要將基帶信號轉(zhuǎn)換為相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號，以便于進行信道傳輸。通常將帶通信號稱為已調(diào)信號，而基帶信號稱為調(diào)制信號。模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制

模擬調(diào)制是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化。模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制是用數(shù)字基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著數(shù)字基帶信號的變化而變化。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)三個參數(shù)可以表達信息幅度頻率相位幅度調(diào)制Amplitudeshiftkeyinge.g.MICATR1000頻率調(diào)制Frequencyshiftkeyinge.g.MICA2CC1000相位調(diào)制Phaseshiftkeyinge.g.MICAzCC2420擴頻技術(shù)信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息所需要的最小帶寬。頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴和恢復所傳信息數(shù)據(jù)。直接序列擴頻(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)跳頻(FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSS)跳時(TimeHoppingSpreadSpectrum,THSS)寬帶線性調(diào)頻擴頻(chirpSpreadSpectrum,chirp-SS，簡稱切普擴頻)。擴頻優(yōu)點易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用率抗干擾性強，誤碼率低隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小可以實現(xiàn)碼分多址抗多徑干擾能精確地定時和測距適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，以及開展多種通信業(yè)務安裝簡便，易于維護。節(jié)點名稱WeCMote/Medusa/MK-2/iBadge/Micamote/EyEsMica2/GAINSMicaz/Tmote/GAINZ射頻前端芯片TR1000CC1000CC2420調(diào)制方式ASK/OOKFSKO-QPSK(DS)工作頻率/Hz916.5M300M~1000M2.4G工作電壓/V32.1~3.61.8~3.6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/mA3.8（115.2kb/s）1.8(2.4kb/s)9.6(868MHz)19.7傳輸速率/(b/s)OOK30kASK115.2k<76.8k250k發(fā)射功率/dBm0-20~10-25~0接收機靈敏度/dBm-97(115.2kb/s)-110(2.4kBaud)-94(250kBaud)物理層幀結(jié)構(gòu)4B1B1B可變長度前導碼SFD幀長度（7位）保留位PSDU同步頭幀的長度，最大為128BPHY負荷幀長度(Framelength)：物理幀的負載長度可變，稱之為物理服務數(shù)據(jù)單元(PSDU，Physicalservicedataunit)，一般承載物理層負載。前導碼：第一個字段，其字節(jié)數(shù)一般取4，收發(fā)器在接收前導碼期間會根據(jù)前導碼序列的特征完成片同步和符號同步，當然字節(jié)數(shù)越多同步效果越好，但那需要更多的能量消耗。幀頭(SFD，StartFrameDenotation)字段：表示一個幀的開始。收發(fā)器接收完前導碼后只能做到數(shù)據(jù)的位同步，通過搜索SFD字段，才能同步到幀接收。物理層物理層概述發(fā)送端：頻帶選擇，調(diào)制／擴頻，幀結(jié)構(gòu)信道：信號失真-無線信道接收端：BER收發(fā)器設計路徑損耗陰影衰落多徑衰落大尺度衰落大尺度衰落小尺度衰落確定性的隨機性的隨機性的只與距離有關(guān)與地面空間障礙物有關(guān)是多條路徑上信號的疊加AttenuationDiffractionReflectionScatteringDoppler

fading接收信號≠發(fā)送信號

自由空間信道模型：

主要是針對遠距離理想無線通信，對于無線傳感器網(wǎng)絡、藍牙(Bluetooth)等短距離通信。工程上往往來用改進的Friis方程來表示實際接收到的信號強度

Friisfree-spaceequationd：傳輸距離λ：波長Gtx:發(fā)送天線增益Grx接收天線增益

考慮信道可能有更強的損耗：取γ>2

考慮陰影效應等影響：加入高斯變量更為實際的信道模型理想信道模型：假設發(fā)送功率、損耗是常值，噪聲是不相關(guān)高斯信號->固定的SNR一些典型的信道參數(shù)γ

路徑損耗指數(shù)陰影效應方差σ2參考距離d0=1mAttenuationDiffractionReflectionScatteringDoppler

fading接收信號≠發(fā)送信號多徑衰落延遲擴散(DelaySpread)：接收端可能會在一段時間內(nèi)接收到許多來自不同路徑的相同信號，這段時間稱為延遲擴散。即多徑信號最快和最慢的時間差相干帶寬(CoherenceBandwidth)：延遲擴散的倒數(shù).

isastatisticalmeasurementoftherangeoffrequenciesoverwhichthechannelcanbeconsidered"flat",orinotherwordstheapproximatemaximumbandwidthor

frequency

intervaloverwhichtwofrequenciesofasignalarelikelytoexperiencecomparableorcorrelatedamplitude

fading.相干時間（Coherencetime）

isthetimedurationoverwhichthechannelimpulseresponseisconsideredtobenotvaryingDopplerspread時間：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展引起的衰落：Coherencetime

~1/Dopplerspread多徑信道模型如果符號周期大于相干時間快衰落：信號幅度的瞬時變化，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。如果符號周期短于相干時間慢衰落：是信號幅度的長期變化，是傳播環(huán)境在較長時間、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的情況。瑞利衰落屬于小尺度的衰落效應，它總是疊加于如陰影、衰減等大尺度衰落效應上瑞利衰落Rayleighfading萊斯衰落Ricianfading存在直射信號的情況瑞利衰落萊斯衰落多徑信道模型如果相干帶寬Bc大于信號帶寬Bs（Bc>Bs)~平坦衰落如果相干帶寬Bc小于信號帶寬Bs（Bc<Bs)

~頻率選擇性衰落Coherencebandwidth

isastatisticalmeasurementoftherangeoffrequenciesoverwhichthechannelcanbeconsidered"flat",orinotherwordstheapproximatemaximumbandwidthor

frequency

intervaloverwhichtwofrequenciesofasignalarelikelytoexperiencecomparableorcorrelatedamplitude

fading.

WSN的特性小傳輸范圍~幾十米短傳輸延時~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=發(fā)送信號+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／擴頻，幀結(jié)構(gòu)信道：信號失真-無線信道接收端：BER收發(fā)器設計數(shù)字信道模型二元對稱信道（Binary

SymmetricChannel,BSC）:假設每個比特具有固定的錯誤概率，與其他比特不相關(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BitErrorRateSINR-SignaltonoiseandinterferenceratioBER-Biterrorrate

e.g.對于BPSK,BER=QAM256(8Mbps)QAM16(4Mbps)BPSK(1Mbps)10203040SNR(dB)BER10-110-210-310-510-610-710-4operatingpoint1.SNRdecreases,BERincreaseasnodemovesawayfrombasestation2.WhenBERbecomestoohigh,switchtolowertransmissionratebutwithlowerBER物理層設計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于執(zhí)行3000條計算指令消耗的能量。發(fā)送端需要20-100mW發(fā)送1mW的信號e.g.Micamote需要20mW接收端也需要相當?shù)哪芎乃邫C制是必要的狀態(tài)切換需要時間和能耗

成本問題e.g.天線、電源、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，但會帶來更大誤碼率等。一般用單個比特的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對能量的效率，單比特能耗越小越好。小結(jié)在低速無線個域網(wǎng)(LR-PAN)的802.15.4