无线传感器网络------物理层主讲:何丽莉电子邮箱：helili_jlu@回顾无线传感器网络（WSN）由部署在监测区域内的大量、廉价、微型传感器节点组成，这些节点以无线通信的方式形成一个多跳的、自组织的网络系统，能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。
内容提要无线信道数字通信基础信道信号通信终端——收发机（transceivers）无线传感器网络对调制方式和收发机工作的影响1 概述物理层主要关心数字化数据的调制与解调无线传感器网络物理层设计主要挑战：收发机的体系结构，是决定节 确定调制方式调制方式、收发机的体系结构点大小、成本以及能耗的关键环节。
2 频段的分配电磁波的波谱2 频段的分配无线电频带和波段空间波空间波空间波空间波天波为主地波/天波地波为主传播特性10mm-1mm 10cm-1cm 1m-0.1m 10m-1m 100m-10m 1Km-100m 10Km-1Km100Km-10Km波长毫米波厘米波分米波米波短波中波长波甚长波波段30-300GHz 3-30GHz 0.3-3GHz 30-300MHz 3-30MHz 0.3-3MHz 30-300KHz 3-30KHz 频率范围EHF SHF UHF VHF HF MF LF VLF 符号极高频超高频特高频甚高频高频中频低频甚低频名称* 数据来自中国无线电频率划分规定（0.03Hz~3000GHz ，共14个频带）2 频段分频ISM波段ISM波段的特点是无须申请，利于降低成本。
3. 电磁波的传播直射由发射天线沿直线达到接收点自由空间模型 真空中、无障碍 反射通过地面或其他障碍物反射到达接收点两种密度不同的媒介、边界平滑可能引发相位差发射源接收机d3. 电磁波的传播衍射，也称绕射在传播过程中有一定的绕过障碍物的能力能力与波长相关绕射会使部分信号偏转散射电磁波通过粗糙表面发生多次反射，弥散到许多方向衰减与信道损失无线电波传播的实质是能量的传播信道损失（Path Loss ）是指无线信号波形在自由空间传播会随传播距离而产生一定的衰减。
Friis 自由空间方程P t 为发射信号功率；G t 和G r 分别是发射机和接收机的天线增益，λ是波长，L 是传输无关的系统损耗 d o 是取决于天线技术的参考距离202022)4()(⎟⎠⎞⎜⎝⎛⋅⋅=d d L d G G P d P t r t r πλ多径传输无线信号通过直射、反射、绕射、散射多种不同的路径，到达接收机例：不同环境的多径无线信号强度越明亮信号越强显然自由空间模型不足以描述全部效应©Jochen Schiller, FU Berlin通信信道实际环境中的无线信道往往比较复杂，除了自由空间损耗还伴有多径、阴影以及多普勒频移引起的衰落。
改进的Friss 方程：γ是信道损失指数，取值在2~6之间结论1：接收功率与信号的波长/频率有关结论2：接收功率与传播距离有关γπλ)()4(0202221dd L d G G P P t r =功率的相关概念dBm: Milliwatt decibel 毫瓦分贝用于表示功率大小的绝对值计算公式为举例2W=？dB ：decibel 分贝用于表征功率的相对比值，是倍数的对数表达式 计算公式为)1lg(10mw P )1Y (10lg )1X lg(10)Y X lg(10mw mw 功率功率功率功率−=4 调制与解调调制（Modulation）把信号转换成适合在信道中传输的形式的一种过程；解调（Demodulation）调制的逆过程，其作用是将已调信号中的调制信号恢复出来调制信号－指来自信源的信号载波－未受调制的周期性振荡信号载波调制－用调制信号去控制载波的参数的过程已调信号－载波受调制后称为已调信号调制和解调方式直接决定了收发机的结构、成本与功耗4 调制与解调——数字调制数字调制是指用数字基带信号对载波的某些参数进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化。
基带信号是符号（Symbols）的序列，每个符号均来自一个有限的字符集，称为信道字符集（Channel alphabet）。
调制过程中，来自信道字符集的每一个符号均被映射为一个或者有限多个波形（Waveforms），也称为码元，且波形长度相同。
承载信息量的基本信号单位。
符号持续期，也称符号周期，波形的长度二进制调制（Binary modulation）多进制调制（M-ary Modulation）从对载波参数的改变方式上可把调制方式分成三种类型：ASK、FSK和PSK。
ASK （Amplitude ShiftKeying）结构简单易于实现对带宽的要求小缺点是抗干扰能力差FSK （Frequency ShiftKeying ):相比于ASK需要更大的带宽PSK (Phase ShiftKeying):更复杂，但是具有较好的抗干扰能力多进制调制举例4进制幅度调制(4-ASK) 4-PSK用正弦载波的四个相位0、π/2、π、3π/2来传输信息关于调制的进一步概念符号速率（Symbol rate），也称码元传输速率、传码率，是符号周期的倒数单位为"波特"，又可以称为波特率,常用符号"Baud"表示，简写为"B"。
对于二进制调制而言，符号速率=“比特率”数据率（Data rate），是调制器能够接受的传输速率 二进制调制下，数据率=比特率M 进制调制下，数据率=符号速率*单个波形编码比特数噪声和干扰前面只提了“单发送端”情况多径传播噪声：也称“热噪声”，由导体内部的电子热运动引起的温度相关干扰：来自外部的不需要的信号同信道干扰Co-channel interference临信道干扰Adjacent-channel interference信噪比与误码率从失真的波形信号中提取有用的信息很容易出错 依赖于接收到的信号的强度与损失的比值SINR——Signal to Interference plus Noise Ratio»P 代表接收功率»I代表与信号同时送来的干扰信号的功率»N 代表噪声信号功率BER ——Bit Error Ratio 误码率•规定时间内误差比特数除以传送比特总数不同调制的误码率1e-071e-06 1e-05 0.0001 0.001 0.01 0.1 1-10-551015Coherently Detected BPSK Coherently Detected BFSKBERSNR 结论：1.为了达到某个确定的BER ，需要确定为了达到这个BER 在AWGN 信道条件下所需的最小SNR2.不同的调制方式所需的SNR 不同无线传感器网络物理层设计要点当前主要无线感器网络节点物理层的主要性能参数。
-94 dBm@250kBaud-110 dBm@2.4 kBaud-97dBm@115.2kbps-93dBm接收灵敏度-25 to 0dBm -20 to 10dBm 0dBm -7.5dBm 发射功率250K 最高可达76.8k OOK 30k / ASK115.2k1M 传输速率(bps)19.7 mA 9.6 mA@ 868MHz 3.8 mA@115.2 kbps1.8 mA @2.4kbps 27 mA 接收模式消耗电流17.4mA@0dBm16.5mA@868MHz,0dBm12 mA50 mA 发射模式消耗电流 1.8-3.62.1-3.633.0-5.5工作电压(V) 2.4G 300 to 1000M916.5M2.4G 工作频率(Hz)O-QPSK(DS)FSK ASK/OOK GFSK 调制方式CC2420CC1000TR1000LMAX3162射频前端芯片Micaz/Tmote/GAINZMica 2/GAINSWeC Mote/ MedusaMK-2/ iBadge/ Mica Mote /EyEsμAMPs -Ⅰ节点名称分组传输与同步接收机必须了解接收信号的特性信号的频率、相位、起止位符号、帧的起止 Training——提取发射机的频率和符号时间，获得初始同步检测数据帧的边界接收数据帧IEEE 802.15.4定义的物理层帧结构SFD start-of-frame delimiter PSDU PHY service data unitePHY 负载帧的长度(PHR)同步头(SHR)PSDU 保留位帧长度（7位）SFD前导码可变长度1字节1字节4字节物理层与收发机设计的考虑 关于能量辐射的能量典型值0dBm•低发射功率，小传播范围辐射1mW能量，收发机需10-100mW能量•Mica mote: 21mw/15mw•接收模式与发射模式能耗相当甚至更多 启动能量/时间(startup energy/time)也非常高•μAMPs-Ⅰ: 58mw / 466 μs通信量/通信模式/计算量进行折中物理层与收发机设计的考虑关于调制方式要多因素平衡：需要的数据率、已有的符号率、实现复杂度、目标BER 、信道差错模型等思考1：能耗对调制方式的依赖•IEEE 802.11b CCK方式比DBPSK和DQPSK消耗能量大 思考2：调制方式的功耗与符号率相关•“高”数据率，“低”符号率的m进制调制传得更快•但m进制调制电路更复杂，功率更高，且抗干扰能力差 思考3：数据量非常小的时候•启动时间/能耗>>传送时间总结无线射频通信给通信系统引入了许多的不确定性 处理这些不可避免发生的错误是无线通讯面临的主要挑战MANET和WSN在物理层有很多相似之处 主要区别在数据率以及相应的收发机复杂性思考题以下写法是否正确，如果正确，其含义是什么？ X dB+Y dBX dBm-Y dBX dBm+Y dBm传感网与环境智能研究室计算机楼A414室Email:helili_jlu@5483667@。