2011. 10. 9

1. 3 物理层设计 报告人：孙鹏飞 2011. 10. 9

2. 第三章 • 物理层：在物理传输介质之间为比特流传输所需物理连接的建立，维护和释放提供机械的、电气的、功能的和规程性的手段。 • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。这很像平时常见的各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定。 • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围 • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。 • 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 • 主要功能有： • 为数据终端设备提供传送数据的通路。 • 传输数据 • 其他管理 如信道状态的评估、能量检测等.

3. 第三章 • 主要功能有： • 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。 • 传输数据 • 其他管理 如信道状态的评估、能量检测等.

4. 内容提要 1.1.概述 1.2.无线通信的特点 1.3.无线通信的能耗 1.4.小结 1.5.主要参考文献

5. 概述 本章节研究无线传感器网络中无线通信的特点，研究内容主要包括无线通信基本特性及无线传感通信能耗特性两部分。利用无线通信传输信息是无线传感器网络的基本特征，无线传感器网络的上层通信协议设计往往对底层无线通信（物理层）做了许多隐含的假设，这些假设都是对实际环境的一种近似简化，本章节的目的在于提供面向上层协议研究的无线通信基本特点、相关假设及这些假设存在的问题，仅希望为上层协议设计提供一定帮助。

6. 内容提要 1.1.概述 1.2.无线通信的特点 1.3.无线通信的能耗 1.4.小结 1.5.主要参考文献

7. 无线通信的特点 • 无线信道的特性 • 接收信号功率与距离的关系分析 • 接收信号强度分类 • 几点结论 • 一些问题的探讨

8. 无线信道的特性 作为一种信息获取为目的无线通信网络，无线传感器网络性能在很大程度上受到无线信道特性的制约。由于无线传感器网络有非常广阔的应用前景，其信号传播路径也非常复杂，从简单的视线传播，到包括建筑、山脉等各种各样障碍物阻挡传播等。因此，其信道特性比较复杂且具有一定的随机性。主要有以下几个特点： （1）信道环境的复杂性 （2）信道环境的随机性 （3）信道环境的时变性

9. 1 无线传输媒体 传输媒体指的是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径。可以分为导向的（guided）和非导向性（unguided ）。对导向媒体而言，电磁波被引导沿某一固定媒体前进，例如双绞线、同轴电缆和光纤。非导向的媒体如大气层和外层空间，他们提供了传输电磁波信号的手段，但不引导他们传播，这种传播形式通常称为无线传播。 无线通信介质为电磁波，传播速度等于光速。可按频率或波长来分类和命名并具有不同的传输特性。

10. 2 电磁波 1.电磁波频谱 根据波长不同形成无线通信的多种类型 频率和波长的关系：波长=光速/频率 中波：沿地面传播，绕射能力强，广播和海上通信。 短波：较强的电离层反射能力，环球通信。 超短波和微波（频率高于300MHz）：绕射能力差，视距或超视距中继通信

11. 频段分配表

12. 无线通信系统使用的频段一般都必须要获得相应的无线电管理委员会授权，但是，只有ISM波段—工业、科学和医学频段例外。目前已报道的单信道无线传感器网络节点基本都采用ISM波段。主要是因为ISM波段属自由频段，无须注册，但是也存在功率的限制、相互干扰严重等。无线通信系统使用的频段一般都必须要获得相应的无线电管理委员会授权，但是，只有ISM波段—工业、科学和医学频段例外。目前已报道的单信道无线传感器网络节点基本都采用ISM波段。主要是因为ISM波段属自由频段，无须注册，但是也存在功率的限制、相互干扰严重等。 无线网络传感节点的硬件限制以及无线效率和功率消耗之间的权衡，使得无线传感器网载波频率难以选择超高频率段。欧洲人使用的433 （433~436） MHz ISM中心频率，在美国使用915 （902~928） MHz ISM中心频段。

13. ISM波段说明

14. 3 传播方式 表面波、天波、自由空间波、散射波和外层空间波等5种传播方式。 （1）表面波（地波）：电波沿着地球表面到达接收点的传播方式，波长与障碍物高度相当时，产生绕射。

15. 5种电磁波传播方式 ①地波 ②空间波 ③散射波 ④电离层波 ⑤外层空间波

16. 2）空间波 直接波—电磁波从发射天线直接传播到接收天线 反射波—经地面反射而到达接收天线 传播的距离受到地球曲率的影响，最大距离被限制在视线范围内，增加天线高度。 移动通信中，电波主要以空间波的形式传播。

17. （3）天波—电离层波 发射天线发出的电磁波，在高空被电离层反射回来到达接收点的传播方式。 电离层是指分布在地球周围的大气层中，60km以上的电离区域。

18. （4）散射波 利用大气层中对流层和电离层的不均匀性来散射传播的电波，使电波到达视线以外的地方。 对流层在地球上方约16公里处，反射指数随着高度的增加而减小。 通信距离可达300 km ~800km，适用于无法建立微波中继站的地区。

19. （5）外层空间波—自由空间波 电磁波在对流层和电离层以外的外层空间中的传播方式。又称为直达波，沿直线传播，用于卫星和外部空间的通信，以及陆地上的视距传播。 宇宙空间近似于真空状态，因此传输特性比较稳定。

20. 4 天线 天线是实现无线传输的最基本的设备。天线可以看做一条电子导线或导线系统，该导线系统或用于将电磁能辐射到太空或用于将电磁能辐射到太空中的电磁能收集起来。要传输一个信号，来自转发器的无线电频率电能通过天线转换成电磁能辐射到周围的环境。要接受一个信号撞击到天线上的电磁能转化为无线电频率的电能并合并成到接收器。在双向通信中同一天线既可以用于发射也可以用于接收。 天线类型主要包括： （1）偶级天线 （2）抛物反射天线

21. 1. 偶级天线 （a）半波偶级 （b）¼波偶级 2.抛物线反射天线

22. 接收信号功率与距离的关系分析 接收信号功率与发送功率有关、与传输距离有关、同时又与复杂的传播途径有关，下面讨论时假定发送功率固定。无线通信的传播模型可以分为路径损耗模型、阴影衰落模型和多路径衰落模型。 路径损耗模型：收/发信机之间距离上的信号强度变化。 阴影衰落模型：阻挡物后面阴影区域电波的强度。 多路径衰落模型：短距离或短时间内接收信号强度快速的变化。 这三种模型并不是相互独立的，在同一个无线信道中，即存在路径损耗衰落，也存在阴影衰落和多路径衰落。

23. 1 路径损耗 在自由空间中，接收信号的功率随路径长度的平方衰减，即接收信号的功率为; 式中：Pt为发射功率；GT和GR分别为发送和接收天线增益；d为无线电波路径长度； 波长，由于陆地无线系统的信号不存在自由空间传播，传播路径损耗也不仅仅取决于距离和波长，而且与收/发信机天线高度有关，同时和本地地理特征有关，无线电波传播特性使得对路径损耗理论预测变的很困难。

24. 在不考虑其他衰落因素的影响下，路径损耗可以用收/发功率之差来表示，即在不考虑其他衰落因素的影响下，路径损耗可以用收/发功率之差来表示，即 　　理论的传播模型和基于测量的传播模型都表明，无论室内无线信道还是室外无线信道，平均的接收信号功率取对数后随距离的增加而按对数规律减小，所以无线信道对信号功率损耗元素之一是与通信距离相关的路径损耗，通常情况下，任意发射－接收距离为ｄ平均路径损耗 表示成距离函数为： 为距离d0的参考信号强度，满足 其中df为Fraunhofer距离，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率，n值为依赖特定的传输环境。

25. 2 衰落损耗 接收信号功率衰减量主要包含通信距离相关损耗和无关损耗两部分，与通信距离无关的衰落损耗主要包括多路径衰落损耗和阴影损耗 1）多路径损耗 多路径产生的效应主要包括两个方面：多路径传播使得发射信号多个样本经不同路线到达接收天线，引起时间弥散和信号衰落。 无线信道中许多因素影响最终的多径效应，例如，收/发信机的运动速度、环境物体的运动速度和信号的传输带宽等。当信号通过无线信道时，其衰落类型取决于发送信号特性及信道特性。

26. 2）阴影衰落 除了路径损耗、多路径衰落之外，对于无线通信系统来说，由于电磁波在传播路径中遇到起伏地形、建筑物等障碍的阻挡时，在这些障碍物的后面会产生电磁场阴影，移动节点在通过不同节障碍物的阴影区时，会引起接收信号强度的衰落，这种衰落目前只能采用随机的方式来刻画，通常采用对数正态分布的随机变量来刻画，即令 则X服从正态分布： 式中：UX为均值，有时称为长区间中值

27. 接收信号强度分类 1.检测信号强度分类 衡量通信系统传输信息可靠程度的重要性能指标之一就是误比特率和传输速率。 当前接收机和发送机恢复发送信息的通常做法就是首先建立同步，然后才能解调。同步包括载波同步和时间同步，载波同步需要接收端 提供一个与发射段调制载波同频或同频、同相的载波；时间同步则需要获取每个码元的起始时刻和有码元组成的帧结构的起始时刻，只有达到一定的信干噪比（信号功率与噪声和干扰功率比），才能建立同步达到需要的误比特率。根据接收信号的功率与噪声干扰功率的相对关系，可以将接受信号分为以下四种情况：

28. 接收机无法检测 通常接收机距发射机太远，仅仅是路径损耗的原因就使的信号功率损耗殆尽。 • 接收机能够检测但是同步无法建立当接收机信号大到一定程度时，往往略高于噪声电平，此时接收机能够检测到信号来，但接受端信干噪比小于某一阀值，接收端的信号无法建立同步。 • 接收端同步完全建立而误比特率不满足当接收端信号进一步增大，接收端信干燥比高于某一阀时，接收端可以建立同步传输，但是误比特率较高 ，不能满足业务数据传输需要。 • 同步完全建立且误比特率满足业务传输要求接收端信号功率、信干燥比、误比特率同时满足。

29. 2. 接收机误比特率性能 无线传播环境是比较恶劣的，在空中传播的信号通常会受到路径损耗、多径衰落以及阴影衰落的影响，这些影响属于乘性干扰的范围，另外，信号还受到加性噪声和其他非期望信号干扰，这种干扰比较普遍，如热噪声、宇宙噪声以及其他通信信号干扰等。这两类干扰都会影响信号可靠性传输。

30. 几点结论 • 从前面几个部分的研究分析，可以总结和归纳出一下几点结论供上层研究时借鉴参考 • 无线通信系统性能受到无线信道的制约。一方面受收/发距离d有关的路径损耗；另一方面受收/发距离无关的多径衰落和阴影衰落影响。因此，接收功率不仅与距离有关，还受随机因素而随机波动。 • 接收机的误比特率性能不仅与接收信号功率有关，还受到接收机的噪声和其他信号干扰，接收机的信号与干扰、噪声之比决定了接收机的误比特性能。

31. 一些问题的探讨 1.可通与不可通问题 两个节点之间是否可通，是路由协议设计经常遇到的问题。传统的路由协议用是否可通来描述两个节点之间的链路，这是对物理层实际通信情况的简单抽象：节点的通信范围是以该节点为中心、半径为R的圆盘；如果两个节点之间的欧几里得距离小于R，则它们之间存在通信链路。 地理路由大多是在该模型假设下工作的。但是，有本章前面的分析可知，任意两个节点之间是否存在通信链路、该链路的质量都具有一定的随机性。因此，在地理路由中根据距离远近的判断是否能够通信，在实际中存在节点之间无法连通的风险。

32. 2载波侦听范围、发送范围和干扰范围 传统的无线覆盖模型中，距离是影响接收功率的唯一因素；当接收功率的要求给定时，载波侦听范围、发送范围以及干扰范围都可以等效为固定规则的地理区域进行描述，即圆盘模型。 • 如图所示：Rc 表示为节点A的载波侦听范围半径，Rt表示节点A的发送范围半径，Ri表示为节点B的干扰范围半径，则下面的情况成立： • 节点A的载波侦听范围内其他节点的发送，都会被节点A感知到，从而判断信道忙，进行退避； • 节点A发送范围内所有节点都能够以可接收误比特率接受节点A发送的分组，而此范围外的则不能；

33. · E ·D Ri B A ·H ·F Rt · · ·G ·C Rc • 当节点B在接受节点A发送的分组时，其干扰范围内任意节点的发 送都会导致节点B无法以可接受的误比特率接收到节点A的发送的分组 载波侦听范围、发送范围和干扰范围

34. 实际上 这并不符合无线信道传播的真实情况。接收机的性能唯一取决于接收节点接收信号功率与噪声及干扰功率之比，即接收信干比不能低于满足可接受误码率的信干比阀值： 为距离发送节点d 的接收节点接收到的信号功率； 为加性高斯白噪声； 为接收节点受到的干扰功率之和； 为以可以接受所需要满足的信干比阀值

35. 但是，干扰功率与当前接受节点周围其他节点的发送情况以及这些节点的分布相关，并不是能唯一确定的，需要建立随机模型来描述。 例如，假设接收功率唯一与距离d相关，并且各处噪声功率固定的假设下，当节点B接收时，若只有其干扰范围外的节点D发送，可能根本不会影响节点B的接受；但是，若节点D和节点C，或更多的干扰范围外的节点同时发送，也许就会干扰到节点B的接受。同理，发送范围也不是简单确定的。 信号在无线信道上的传播衰减具有一定的随机性，即网络各处或同一地方、不同时刻的衰减模型都是不同的，这使接收功率不仅与距离有关还受随机因素影响而随机波动。分布区域是一个随机变化的不规则区域，其变化规律所涉及的影响因素较为复杂，很难准确刻画。

36. 圆盘模型通过假设所有的节点以相同的功率发送，网络各处噪声和衰减模型都相同且固定，从而是接收功率成为唯一和发送距离有关的函数；从而避免了难以刻画的周围其他节点的分布和发送情况等复杂因素的影响。 优点：简化了无线覆盖模型，便于协议的设计和研究。 缺点：牺牲了一定的性能为代价的。 综上所述，若要进一步改善协议性能，首要问题则是结合信道衰减的统计分布，建立一种更为精细的无线覆盖模型。

37. 3. 链路的质量 为了获得链路质量，目前有两种方法常用：基于无线通信模型分析和基于结果估计。 基于无线通信模型分析：主要是对通信距离、发送功率、调制方式、信息传输速率噪声功率等进行计算,得出链路上分组递交率。 基于结果估计：是利用两个节点之间成功传输的分组数量，对链路质量进行估计。

38. 4. 单向链路 单向链路是路由设计经常提到的一个概念，其简略含义是单向可通，即通信双方，一方可以将信息发送给另一方，而另一方不能将信息发送给对方。 造成单向链路的主要因素：节点无线收/发信机的差异，和双方节点周围不同导致噪声功率的差异。 单向链路对于路由协议设计影响很大，当前主要采用探测 某一链路是否为单向，如为单向，则用回避链路的方式解决

39. 内容提要 1.1.概述 1.2.无线通信的特点 1.3.无线通信的能耗 1.4.小结 1.5.主要参考文献

40. 无线通信的能耗 无线传感器节点由电池供电，同时无线网络要求工作的时间较长，通常是几年甚至几十年，因此，受到电池容量的限制，提高能量的效率以延长工作时间成为无线传感网络设计准则之一 需要对无线传感网络的能耗模型进行研究。该部分内容主要研究无线传感网络单节点的能耗，重点讨论无线通信能耗兼顾其他能耗，并讨论提高无线传感网络单节点能耗效率的相关技术。还要简要分析整个网络的能耗分析

41. 数据采集模块 数据处理模块 无线通信模块 传感器 微处理器 无线收/发器 存储器 A/D 转换器 电源模块 无线传感网单节点能耗分析 下面主要对数据采集模块、数据处理模块、及无线通信模块的能耗特性分别进行分析。 无线传感器节点结构示意图

42. 无线传感器节点各部分的能量消耗图

43. 1.数据采集模块能耗特性 数据采集模块能耗主要由其传感器的特性决定，传感器种类很多，可以检测温/湿度、光照、噪声、振动等物理量。不同种类的传感器及其不同的性能要求会带来数据采集模块能耗特性的较大差异。比如图形传感器和温度传感器。 2.数据处理模块能耗特性 数据处理模块能耗主要包括微处理器能耗与存储器能耗两部分。从处理器的角度看无线传感器节点基本上可以分为两类：一类是以采用低端微控制器为代表的节点。该类节点的处理能力较弱，所以能量消耗也很小。另外一类是采用ARM处理器为代表的高端处理器。该类节点的能量消耗比采用微控制器大得多，同时其处理能力也强的多，适合大数据量、高处理速度的应用。

44. 3.无线通信模块能耗特性 无线通信模块能耗包括功率放大器能耗与电路能耗两部分。严格的上说功率放大器能耗也属于电路能耗，由于功率放大器能耗与通信距离及信道特性等有较大关系，为区别起见，称为功率放大器能耗。无线通信模块其他部分为电路能耗。这里以单位比特的能耗为指标进行研究。 一般来说功率放大器的能耗占无线通信模块能耗的比重较高。对于传统通信来说，只需要考虑无线通信模块功耗放大器能耗，这是因为功率放大器能耗占总的通信能耗绝大部分，相对而言通信中其他的能耗可以忽略不计。但是无线传感器网络节点的通信距离通常较近，功率放大器能耗占总能耗的比重有所下降，因此也需要考虑电路能耗。

45. 1） 功率放大器的能耗 为了达到通信可靠性的要求，接收信号误比特率需要满足一定指标，这对接收信号能量提出了相应的要求。而功率放大器能耗正是用于克服衰落信道等因素影响，使接收信号能量得到有效的保证，下面简单的对该能耗进行简单分析。 考虑无线信道衰落因素的影响，发射信号单位比特能量可以表示为： 单位比特的发射信号能量； 为接收端为了满足误比特率所需要的的单位比特能量； 为通信距离d处的天线 信道衰落，

46. 进一步，单位比特功耗放大器能耗与 关系可以表示成为： 式中： 其中： 为能量转化效率； 为信号功率峰平比，与调制方式等有关。 2） 无线通信模块电路能耗 无线通信模块电路损耗包括发射端电路能耗与接收端电路能耗两部分。发射端电路结构如图所示：

47. 除去功耗放大器PA的能耗对应发射端单位比特电路能耗表示为： 其中 、 、 、 分别为数/模转换器、混频器、发射端滤波器、发射端基带处理功率； 为比特信息速率。 接收端电路结构如图所示，对应接收端单位比特电路能耗表示为

48. DAC Base PA Filter Filter Mixer 无线信道 ADC Filter Filter LNA Filter Mixer IFA 无线信道 图 --发射端电路结构示意图 基带处理器 图 –接收端电路结构示意图

49. 接收端单位比特电路能耗表示为： 式中： 、 、 、 、 、 分别为低噪声放大器、混频器、中间频率放大器、接受滤波器、模/数转换器及接收端基带处理功率。接收端的基带处理过程与发射端基带处理过程相反。

50. 降低单节点能耗相关技术 对降低单节点的能耗的相关技术进行研究，主要包括两部分内容：一 设计阶段，主要指采用提高能量的效率的通信技术；二 是应用阶段，主要指休眠技术。 1、设计阶段 在无线传感器节点设计阶段采用的先进制造工艺、设计低功耗芯片是提高节点能量效率的重要方法，对于这些技术这里不做具体讨论。本文主要从通信的角度出发，研究提高节点能量效率的相关技术，主要包括调制技术与协作通信技术。