第二章_WSN物理层技术2011.ppt

移动通信--概述 移动通信--概述 第二章 物理层技术 2.1 概述 2.2 频率分配 2.3 通信信道 2.4 调制解调技术 2.5 物理层设计 2.6 小节 2.1 概述 WSN协议栈的五层模型中，物理层主要负责数据的调制、发送与接收，是决定WSN节点体积、成本以及能耗的关键环节。 传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。 从传感器节点各部分能量消耗的情况可以看出，传感器节点大部分能量消耗在无线通信模块。 节点传输信息时要比执行计算时更消耗能量： 传输1比特信息100m距离需要消耗的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。 随着集成电路工艺的发展，处理器和传感器模块的功耗越来越少，通信模块能量消耗占的比重是越来越大。 图2-1 节点各单元功耗分布图 2.2 频率分配 对于一个无线通信系统来说，频率波段的选择非常重要。 由于在6GHz以下频段的波形可以进行很好的整形处理，能较容易地滤除不期望的干扰信号，所以当前大多数射频系统都是采用这个范围的频段。 表2-1 频段划分及主要用途 表2-2 ISM波段频率 2.3 通信信道 2.3.1 自由空间信道 2.3.2 多径信道 2.3.3 加性噪声信道 自由空间信道 自由空间信道是—种理想的无线信道，它是无阻挡、无衰落、非时变的自由空间传播信道 如图2-2所示，假定信号发射源是一个点(a点)，天线发射功率为，则与点a相距d的任一点上(相当于面积为的球面上)的功率(通量)密度为： 自由空间信道 自由空间信道 Friis方程主要是针对远距离理想无线通信，对于无线传感器网络、蓝牙(Bluetooth)等短距离通信。工程上往往来用改进的Friis方程来表示实际接收到的信号强度，即为 2.3.2 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2-3所以。因此，到达接收天线的信号可能存在多种反射波（广义地说，地面反射波也包括在内），这种现象称为多径传播。可以用图2-3表示这一现象。 2.3.2 多径信道 2.3.2 多径信道 （1）反射：当信号传播碰撞到，当一个信号波形在媒体A中传播时，碰到另一个媒体B，且两个媒体的边界是平滑的，媒体B边长大大地大于信号波长，则传播信号波形的一部分会被反射回媒体A，另一部分则进入媒体B而其余的部分则被吸收掉了。究竟信号的能量有多少被反射、传播或吸收，取决于媒体的材料和信号的频率。 （2）衍射：依据惠更斯原理，波形上的任意一点可以被认为是一个新的波源。如果一个传播的波形碰到一个尖锐的边缘，则其可能传播到一个阴影区域。 （3）散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物时，如传播波形碰到一个圆的表面时，则其可能发生多次反射，并弥散到许多方向。 多径效应与衰落特性 瑞利衰落信道 多径信道，但无可视信道（NLOS） 赖斯衰落信道 有可视信道（LOS）的多径信道 多径传播中的衰落 平坦衰落： 相干带宽Bc大于信号带宽Bs（BcBs) 时延扩展小于信号符号周期（σTs) 频率选择性衰落 相干带宽Bc小于信号带宽Bs（BcBs) 时延扩展大于信号符号周期（σTs) 时变信道（多普勒扩展引起的衰落） 快衰落 多普勒扩展很高 相干时间小于符号周期（TcTs) 信道变化比基带信号快 慢衰落 多普勒扩展低 相干时间大于符号周期（TcTs) 信道变化比基带信号慢 2.4 调制解调 2.4.1 模拟调制 2.4.2 数字调制 2.4.3 UWB调制 2.4.4 扩频调制 2.4.1 模拟调制 一个简单的正弦波可以表示为 调制方式为幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM） 目前模拟调制技术仍在上下变频处理中起着无可代替的作用。 2.4.2 数字调制 窄带数字调制技术：ASK、FSK和PSK ASK调制电路结构如图2-7(a)，解调结构如图2-7(b)，这种调制方式最大的特点是结构简单易于实现。 2.4.2 数字调制（C） FSK调制是使用两个频点携带信息的技术，其表达式可表述为式(2.15)。根据调制波形的相位连续性又分为CPFSK(相位连续性FSK)和NCPFSK(相位非连续性FSK) 2.4.2 数字调制（C） 在2PSK中，载波的相位随着调制信号1和0而改变，2PSK的时域表达式为 2.4.2 数字调制（C） 其他调制方式还有MSK、QPSK、OQPSK、MQAM等， 2.4.3 UWB通信技术 超宽带(UWB，Ultra wide Band)无线通信技术是近年来备受青睐的短距离无线通信技术之一。 具有高传输速率、高的时间和空间分辨率、低功耗、必威体育官网网址性好、低成本及易于集成等特点，被认为是未来短距离高速通信最具