无线传感网学习笔记（2）—— 无线信道传播

一、WSN的物理层

1、作用：① 提供无线链路，使WSN支持移动应用，也可以对节点进行灵活部署，即使在无法实现与有线节点连接的区域也可以进行，并且支持无间断的重新部署。 ② 提供点对点链路，实现多点网络的通信（涉及点对点无线数字通信）。
2、难点：①受限的带宽 ②受限的传输距离 ③数据包传输性能差（信号干扰等情况）

二、WSN无线信道信号传播

1、WSN中主要为短距离通信，通信过程采取信源编码（source encoding）、信道编码（channel encoding）和调制（modulator）等方法。

2、无线数字通信系统由三部分组成：发射机（transmitter）、传输信道（channel）、接收机（receiver）。

（注：图源自中国大学MOOC中的无线传感网课程）

3、在无线信道进行收发的过程中存在噪声影响，会导致信号失真。采取 扩频通信技术（Spread spectrum technique） 可以将发送的信号能量分散至更广的频谱带宽中，提升带宽的利用方式，从而降低噪声的影响。

4、WSN一般在ISM（工业、科学、医疗）频段中工作，使用频繁的频段是433.05 ~ 434.79MHZ 和 2.400 ~ 2.500GHZ，ISM频段的特点主要是：免费使用、全球有效、频谱较宽、低功率传输、低速率、短距离以及多设备共享。

三、无线信道信号传输功率损耗模型

 我们可以采取调节发射机和接收机上的参数，使模型函数 a(t) 的值变小，表示减少信号传输功率的损耗，从而来提高接收到的信号能量，达到降低噪声影响的效果。（信号X转为分贝的公式为DB = 10logX）

四、信源编码（传输有效性）

1、目的：将每一个量化元素映射为码元集对应在码本中的符号。

2、作用：① 数据压缩 ②将信源的模拟信号转为数字信号，实现模拟信号的数字化传输。

3、分类：① 无失真信源编码（保熵编码）：只对信源的冗余度进行压缩，不改变信源的熵。 ② 限失真信源编码（熵压缩编码）：对信息率进行压缩，且失真范围受限。

4、信源编码器：将模拟信号转换成数字序列（二进制数据），包括采样、量化和编码。

五、信道编码（传输可靠性）

1、目的：对传送的数据流进行处理，避免传送过程中误码的发生。

2、作用：增强系统的抗干扰能力和纠错能力，提高数据的传输效率和通信的可靠性。

3、信道编码器：对信息序列进行编码来提高接收机识别差错的能力。

六、唯一可译码UDC（Uniquely Decodable Code）

1、概念：信源编码的一种类型，表示一段任意有限长的码字序列都能恢复成唯一信源序列。

2、 前提：必须满足Kraft不等式，定义如下：
$$\sum _{i=1}^u(\frac{1}{r}{)}^l\le 1$$

七、信源编码器的编码效率

 概念：表示编码后的实际信息率与编码后的最大信息率之比。

$${\eta }_c=\frac{R}{R_{max}}=\frac{H(x)}{H_{max}(x)}=\frac{H(U)/\overline{l}}{logr}=\frac{H(U)}{\overline{l}logr}$$

上式中，${\eta }_c$ 表示编码效率，$H(U)$表示信源的信息熵， $\overline{l}$ 表示码元的平均码长，$r$ 表示码元的进制。

1、信息熵：与信源本身有关，与编码方案无关。定义如下： $$H(U)=-\sum _{i=1}^{n}P(i)lo{g}_{2}P(i)$$
2、码元：在数字通信中常使用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为码元。