物理层协议

r(t)=as(t)+n(t)
式中，a表示衰减因子。
4.3.4 实际无线信道
•
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。
考虑到比自由空间下更强的衰落，采用改进的Friss方程：
Pr
Pt
(
4d
0
)
2
(
d0 d
)
n
G1G2
n一般大于2.
衰落分贝表达式为：
目标点 hr
图 4- 3 two-ray model
d hthr 时
Pr
4Pt
((
4d
)2
G1G2
(
2ht hr d
)2
4.3.3 加性噪声信道
s(t)
r(t) as(t) n(t)
n(t)
• 如果噪声主要是由电子元件和接收放大器引入的，则为热噪声， 统计学上表征为高斯噪声。因此，该数学模型称为加性白高斯 噪声信道(AWGN,Additive White Gaussian Noise Channel)模型。 因该模型可以广泛地应用于许多通信信道，又由于它数学上易 处理，所以这是目前通信系统分析和设计中主要应用的信道模 型。信道衰减很容易结合进这个模型，当信号遇到衰减时，则 收到的信号为
第四章、物理层
内容提要
1. 概述 2. 频段分配 3. 通信信道 4. 调制与解调 5. 无线传感器网络物理层设计要点 6. 物理层非理想特性研究 7. 射频前端功耗分析与低功耗设计考虑
4.1 概述
4.1 概述
• Lan F. AkyildizD 提出了WSN协议栈的五层模 型，分别对应OSI参考模型的物理层、数据链路 层、网络层、传输层和应用层。
对流层散 量微波中继通
射通信
信(5850-
(700-
8500MHz);数
10000M 字
Hz);
通信; 卫星通
中容量微 信;国际海事
波通信
卫星通信
(1700- (1500-
2400MHz) 1600MHz)
毫米波 10mm-
1mm
空间波
再入大气 层时的通 信;波导 通信
（中国无线电管理机构的设置）
• ISM波段
• 无线传感器网络物理层主要负责数据的调制、发 送与接收，是决定WSN的节点体积、成本以及 能耗的关键环节，也是WSN的研究重点之一 。
4.1 概述
• 无线传感器网络物理层对节点能耗的影响： • Deborah Estrin 在Mobicom 2002 会议的特邀报告（Wireless
Sensor Networks，Part IV：Sensor Networks Protocols ）中 所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从图 可知，传感 器节点的大部分能量消耗在无线通信模块 。
米波
分米波
10m-1m 1m-0.1m
厘米波 10cm-1cm
空间波
空间波
空间波
电离层散 射(3060MHz); 流 星余迹通 信; 人造 电离层通 信(30144MHz); 对空间飞 行体通信; 移动通信
小容量微 大容量微波中
波中继通 继通信(3600-
信;(352- 4200MHz);大
420MHz); 容
4.2 频段分配
名称 符号 频率
甚低频 VLF
3-30KHz
低频
LF 30300KHz
4.2 频段分配
中频
高频
甚高频
MF
0.33MHz
HF
330MHz
VHF
30300MHz
超高频 UHF 0.3-3GHz
特高频 SHF
3-30GHz
极高频
EHF 30300GHz
波段 波长
传播 特性 主要 用途
超长波
4.2 频段分频
ISM波段的特点是 无须申请，利于降低 成本。
内容提要
4.3 通信信道
4.3 通信信道
• 4.3.1 自由空间信道 • 4.3.2 多径信道 • 4.3.3 加性噪声信道 • 4.3.4 实际物理信道
4.3.1 自由空间信道
自由空间信道是一种理想的无 线信道，它无阻挡、无衰落、 非时变的自由空间传播信道。
考虑到障碍物的情况下：
在dB表达式中模型中加入一均值为0，方差为σ2的高斯随机 变量, 等价于与一个对数正态分布相乘，故其对数正态衰落 表达式为：
PL(d )[dB]
PL(d0
)[dB]
10
log10 (
d d0
)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
X
[dB]
4.4 调制与解调 • 4.4.1 模拟调制 • 4.4.2 数字调制 • 4.4.3 UWB通信技术 • 4.4.4 扩频通信
4 调制与解调
• 4.1 模拟调制
s(t) A(t)sin(2f (t) (t))
基于正弦波的调制技术无外乎 对其参数幅度A(t)、频率f(t), 相位 φ (t)的调整。分别对应的调制方式 为幅度调制（AM）、频率调制 (FM)、相位调制(PM)。
4 调制与解调
图 4- 7给出了这几种调制方式的一般波形图。
• 物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互 连设备，为数据传输提供可靠的环境。物理层的 媒体包括同轴电缆、光纤、无线信道等。通信用 的互连设备指DTE和DCE间的互连设备。DTE既 数据终端设备，又称物理设备，如计算机、终端 等都包括在内。而DCE则是数据通信设备或电路 连接设备，如调制解调器等。数据传输通常是经 过DTE─DCE，再经过DCE─DTE的路径。
障碍物 ，例如楼房、高大建筑物或山丘等，对电波产 生反射、折射或衍射等，如图 4- 3。
图 4- 3 造成多径传播的原因
4.3.2 多径信道
到达接收天线的信号可能存在多种反射波（广 义地说，地面反射波也应包括在内），这种现象称为 多径传播。
源节点 ht
视距r1
地面反射路 径总距离r2 ψ 水平距离 d
1KKm100Km
空间波为 主
海岸潜艇 通信;远距 离通信;超 远距离导 航
长波
中波
10Km1Km
1Km100m
地波为主 地波与天 波
越洋通信; 船用通
中距离通 信; 业
信;地下 余无线
岩层通信; 电通信;
远距离导 移动通
航
信;中距
离导航
短波
100m10m
天波与 地波
远距离 短波通 信;国际 定点通 信
Friis传输公式：
发射源
d
Pr
PtG1G22 4d 2 4
PtG1G2
(4d )2
(w)
PtG1G2 L fs
(w)
接收机
图 4-2 无线信道传输
其中， Pt为天线辐射功率； L fs称为自由空间传播损耗
（path loss），只与 、d有
关。
4.3.2 多径信道 • 在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到
由于模拟调制自身的功耗较大且抗干扰能力及灵活性 差，所以正逐步被数字式调制技术替代。但当前，模拟调 制技术仍在上（下）变频处理中起着无可替代的作用。