第二章 无线自组网的物理 层技术许炜阳 weiyangxu@ 重庆大学通信工程学院 通信工程系第二章 无线自组网的物理层技术2.1 物理层技术概述 2.2 无线传输技术 2.3 无线传输自适应技术2.1 物理层技术概述物理层的定义ISO在OSI参考模型中对物理层的定义是：物理层为建 立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物 理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程的特性。

物 理层的媒体包括：架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道 等。

ISO在OSI参考模型中说明，物理层是第一层，是整个 开放系统的基础，向下直接与物理传输媒质相连接。

物理 层协议是各种网络设备互连时必须遵守的底层协议。

物理 层具有对数据链路层屏蔽物理传输介质的特征，以便对高 层协议有更大的透明性。

2.1 物理层技术概述物理层的主要功能为数据终端设备提供传送数据的通路：数据通路可以 是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。

一次 完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物 理连接。

所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要 在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。

传输数据：物理层要形成适合数据传输需要的实体， 为数据传送服务。

一是要保证数据能在其上正确通过，二 是要提供足够的带宽(是指每秒钟内能通过的比特数)，以 减少信道上的拥塞。

传输数据的方式能满足点到点，一点 到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输 的需要。

2.1 物理层技术概述无线自组网物理层标准到目前为止，Ad Hoc网络物理层主要参考来自构建 无线局域网的各种标准，其中包括IEEE802.11系列、蓝 牙、HiperLAN等标准定义的物理层。

无线自组网物理层设计重点无线通信频段的选择 无线传输技术 无线传输的自适应技术2.1 物理层技术概述无线自组网中的无线传输技术 OFDM DSSS FHSS UWB 正交频分复用 直接序列扩频 跳频扩频 超宽带 (802.11g, 11a) (802.11b) (Bluetooth) (802.15.3a)2.1 物理层技术概述无线自组网中的无线传输自适应技术自适应编码调制 功率控制 多天线技术 混合ARQ2.2 无线传输技术2.2.1 正交频分复用（OFDM） 2.2.1 正交频分复用（OFDM） 2.2.2 扩展频谱技术（DSSS、FHSS） 2.2.2 扩展频谱技术（DSSS、FHSS） 2.2.3 超宽带（UWB） 2.2.3 超宽带（UWB）2.2.1 正交频分复用（OFDM）无线通信的发展趋势More users, more servicesHigh data rate!!!2.2.1 正交频分复用（OFDM）多径时延扩展LOS: line of sight每条电波经过的距离各不相同，因而到达接收机的时 间、相位也都不同。

不同相位的信号叠加，使得信号幅度发 生剧烈变化，产生多径衰落（multipath fading）。

当信号速率较高，其带宽超过相干带宽时，通过信道后各频率分量的变化不一致，引起波形失真，发生频率选择性衰落；反之，当信号带宽远小于相干带宽时，可以近似认为通过信道后High bandwidth efficiency!!!QPSK16QAM 串并转换增大符号持续时间，可以有效对抗符号间干扰。

64QAM其中：N表示子载波的个数；T表示OFDM符号的持续时间；（i＝0,1,2,…,N-1）是分配给每个子信道的数据符di是第i个子载波的载波频率；rect(t)为矩形函数。

号；fisinc function接收端删除CP，用FFT对各个子载波信息流解调，转换为串行数据流后，再解调译码恢复信号。

当然，这样做牺牲了带宽，带来了能量损失（CP越长，能量损失就越大）。

2.2 无线传输技术2.2.1 正交频分复用（OFDM） 2.2.1 正交频分复用（OFDM） 2.2.2 扩展频谱技术（DSSS、FHSS） 2.2.2 扩展频谱技术（DSSS、FHSS） 2.2.3 超宽带（UWB） 2.2.3 超宽带（UWB）2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)Spread Spectrum基本概念通过扩展频谱的方法传输数据； 发射信号占有的频带宽度远大于所传信息所必需的最小 带宽； 频带的展宽是通过扩展功能(编码及调制)来实现的，与 所传信息数据无关，并只有发射机和接收机知道； 在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩以及恢 复所传信息数据； 标准的调制方式，比如频率调制也扩展了原始信号的频 谱，但它们不完全满足上述条件，因此不能称为扩频系 统。

2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)Spread Spectrum的优点窄带干扰抑制降低能量密度与传统方式相比较，扩频信号被扩展到很宽的频谱上，扩频信号好 像被“埋藏在噪声”中，因此很难被检测。

提高时间分辨率扩频信号可以用于精确测距和定位，利用脉冲在信道中的传输时延 计算出传播距离，测量的不确定度与脉冲信号带宽成反比。

2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)扩频技术的分类直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）所传送的信息符号经伪随机序列编码后对载波进行调制。

伪 随机序列的速率远大于要传送信息的速率，因而调制后的信号频谱 宽度将远大于所传送信息的频谱宽度。

频率跳变扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum）载波信号频率受伪随机序列的控制，快速地在给定的频段中跳 变，此跳变的频带宽度远大于所传送信息的频谱宽度。

跳时将时间轴分成周期性的时帧，每帧内分成许多时片。

在一帧 内哪个时片发送信号由伪码控制，由于时片宽度远小于信号持续时 间从而实现信号频谱的扩展。

混合扩频2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)直接序列扩频（DSSS）直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发 送端去扩展信号的频谱。

接收机用相同的扩频码序列去进行解 扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)直接序列扩频（续）2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)直接序列扩频（续）处理增益（Processing Gain）处理增益定义为扩频带宽与传输数据所需要最小带宽的 比值，也被称作扩频因子（Spreading Factor）：处理增益反映了扩频系统接收信噪比的改善程度。

它定量地 描述了扩频系统相对于原来系统的性能增益。

无论在何种用 途的扩频系统中，处理增益扩频系统相对于窄带系统优越性 的重要参数。

2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)直接序列扩频（续）2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)直接序列扩频（续）2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)直接序列扩频（续） Shannon equation:香农公式表明信道容量由信道带宽和信噪比决定。

在给定 的传输速率C（信道容量）不变的条件下，频带宽度W和信 噪比P／N是可以互换的。

即可通过增加频带宽度的方法， 在较低的信噪比情况下传输信息。

扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重 要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。

2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)跳频序列扩频（FHSS）扩频技术的另外一种实现方式称为跳频（FH－Frequency Hopping），它通常与M进制频移键控调制（MFSK）联合使 用。

具体思想是：用一定码序列进行选择的多频率频移键 控。

也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波 频率不断地跳变，所以称为跳频。

在常规的MFSK系统中，数据调制固定频率的载波；而跳频系 统则有几个、几十个、甚至上千个频率、由所传信息与扩频 码的组合去进行选择控制，不断跳变。

跳频扩频的带宽可达数吉赫兹，远远高于直接序列扩频所能 达到的带宽，所以有更高的处理增益。

2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)跳频序列扩频（续）举例：假设跳频带宽为900MHz，频率间隔为100KHz，那么频率字所 需的PN序列码片的最小数目为log2(9x108/105)=14。

2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)跳频序列扩频（续）快跳频（FFH）与慢跳频（SFH）快跳频是指在一个符号传输时间内有多个频率跳变；而 慢跳频则是指在一个跳变时间内有多个符号传输。

注意快跳 频可以提供频率分集，因此有更好的鲁棒性。

FFHSFH2.2.2 扩展频谱技术 (DSSS、FHSS)DSSS vs. FHSS扩频技术 应用 优点 缺点DSSSFHSS同 样 发 送 功 率 通 信 距 离 同样发送功率通信 远，民用产品丰富。

距离较近，多用于 军事。

抗干扰能力强，可以保证 抗干扰能力最强， 长 距 离 通 信 ， 传 输 速 率 频谱利用率稍高。

高。

保密性高，不会对其 他通信系统造成干扰。

占用频率资源比较多。

对 对其他通信系统有 超 过 容 限 的 干 扰 无 能 为 干扰。

力。

2.2.3 超宽带 (UWB)2.2.1 正交频分复用（OFDM） 2.2.1 正交频分复用（OFDM） 2.2.2 扩展频谱技术（DSSS、FHSS） 2.2.2 扩展频谱技术（DSSS、FHSS） 2.2.3 超宽带（UWB） 2.2.3 超宽带（UWB）2.2.3 超宽带 (UWB)UWB技术概述UWB技术是一种与常规无线电完全不同的通信方式，它采用极窄 的脉冲信号实现无线通信。

现代意义上的UWB技术出现于十九世纪六十年代，当时主要应用 于军事雷达和定位设备中。

到1989年，美国国防部将窄脉冲通 信正式命名为超宽带-UWB。

上世纪90年代以来，随着现代信号处理技术和集成电路的迅猛 发展，使UWB技术在商业和民用领域的广泛应用成为可能。

2002 年 2 月 UWB 技 术 首 次 获 得 了 美 国 联 邦 通 信 委 员 会 (FCC, Federal Communications Commission)的批准用于民用通信， 批准将3.1-10.6GHz的免授权频带分配给UWB使用。

自此之后， UWB技术开始引起业界的广泛关注，成为科研机构、大公司和高 等学校的研究热点。

2.2.3 超宽带 (UWB)UWB带宽的定义FCC对UWB的定义带宽大于500MHz，或相对带宽(-10dB带宽)大于20%美国国防高级研究计划署(DARPA)对UWB的定义相对带宽(-20dB带宽)大于25%相对带宽定义：2.2.3 超宽带 (UWB)UWB的两种实现方式脉冲UWB（IR-UWB，Impulse Radio UWB）IR-UWB采用窄脉冲序列携带信息，直接通过天线传输，不需 要对正弦载波进行调制，因而实现简单，是UWB技术早期采 用的方式。