无线传感器网络物理层

一、概述

物理层主要负责数据的调制、发送、接收，是决定WSN结点体积、功耗、成本的关键。

物理层负责传输比特流

1、物理层主要功能

物理层的主要功能是为数据终端设备提供传输数据的通路、传输数据、其他管理工作。包括以下方面：

1. 信源编码
2. 信道编码：减少无线信道差错对信源产生的影响
3. 交织与调制
4. 无线信道传播
5. 信息处理

2、传输介质

传输层的无线介质主要包括无线电波、红外线、光波，红外线虽然不受无线电波干扰且使用不受限制，但其对非透明物体穿透性极差，WSN的主流传输方式是无线电波。

3、频率选择

在频率选择方面，一般选用ISM频段，其无需注册公用频段。考虑到WSN结点小型化、低成本、低功耗的特点，在欧洲使用433MHz频段，在美国使用915MHz频段。

二、调制解调技术

相比于传统无线通信系统，WSN要解决节能和成本问题。常用调制方式：

1、模拟调制

基于正弦波的调制技术主要是对其幅度、频率、相位的调整，分别称为：AM、FM、PM。由于模拟调制功耗较大、抗干扰能力弱、灵活性差，正逐步被数字调制替代。

2、数字调制

数字调制是把数字基带信号以一定方式调制到模拟载波上进行传输，从对载波参数的改变上可以分为：ASK、FSK、PSK。

(1)、B-ary调制

1. ASK
   结构简单易于实现，对带宽要求小，但抗干扰能力差。
2. FSK
   与ASK相比需要更大的带宽。
3. PSK
   复杂但具有较好的抗干扰能力。

(2)、M-ary调制

多进制调制分为多进制振幅调制、多进制频率调制、多进制相位调制。与二进制相比，多进制调制具有以下特点：

1. 在相同的码元传输速率条件下，M-ary调制的信息传输速率是B-ary调制的log₂M倍。
2. M-ary调制的电路更复杂，输入端需要增加2-M转换器，接收端需要增加M-2转换器。
3. M-ary调制需要更高的发射功率。
4. 在启动能量消耗较大的系统中，B-ary调制更加有效。
5. M-ary调制的误码率通常大于B-ary。

3、扩频通信

待传送的信息被伪随机码调制，实现频谱扩展后再传输。接收端则采用相同的编码进行解调，恢复原始指信息数据。用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽。

4、UWB通信技术

UWB通信技术是近年来发展较快的短距离无线通信技术之一。与普通二进制移相键控相比，UWB不利用余弦波进行载波调制而发送许多小于1ns的脉冲，其占用带宽非常之宽。UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10m左右的范围内实现数百Mbit/s到数Gbit/s的传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等优势。

三、信道特性

1、传播特性

无线信道效应包括：

1. 衰减
   随着信号波在空气中传播，信号强度随之衰减。
2. 反射与折射
   信号从一种介质进入另一种介质时，一部分弹回称为反射，另一部分穿过交界面继续传播，称为折射。
3. 衍射
   当信号波在陡峭的边缘传播，陡峭边缘形成一个波源。
4. 散射
   信号波遇到粗糙表面时，它会被散射到各个方向。

2、自由空间

Friis公式表明接收功率和发射功率的关系：
接收天线接收功率：

收发天线之间总损耗：

Pt：发射功率
G1：发射天线增益
G2：接收天线增益
L_fs：自由空间传播损耗
L_s：气候带来的损耗

3、多径传播

电波在传输过程中遇到障碍物，会产生反射、折射、衍射等。因此，到达接收天线的信号可能存在各种波。

4、噪声

噪声通俗来讲就是干扰，会造成信号失真，严重的会使通信无法有效进行。对于噪声通信信道，最简单的数学模型是加性噪声信道。

若果噪声主要由电子元件和接收放大器引入的，则称为热噪声，在统计学上表征为高斯噪声，所以该数学模型称为加性高斯白噪声信道模型。由于该模型可以广泛的应用于许多信道，且数学上易于处理，所以是目前通信系统分析和设计中主要应用的信道模型。信道衰减结合进这个模型，接收到的信号为：

a是衰减因子

四、物理层设计要点

物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路能量，需要考虑的要点有：

1. 结点的成本要求
   结点最大限度的集成化设计，减少分立元件是降低成本的主要手段。
2. 结点的功耗要求
   要求结点的功耗在几个uW，主要从以下两个方面入手：降低收发机电路自身的损耗、调制解调方式的选择
3. 通信速率的要求
4. 通信频段的选择
   当前频段的选择大都集中在433-464MHz、902-928MHz、2.4-2.5GHz的ISM频段。
5. 编码调制方式的选择
6. 物理帧结构