物理层

1 概述

1.1.1 基本知识

WSN（无线传感器网络）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、网络层和传输层、应用层。
物理层为设备间的数据通信提供传输媒体和互联设备，为数据传输提供可靠地环境。
物理层的媒体包括电缆、光纤、无线信道（最便宜）等。通信的互联设备指DTE和DCE间的互联设备。
DTE指数据终端设备，又称物理设备。
DCE指数据通信设备或者数据电路终端设备。

1.1.2 无限传感器网络物理层

主要负责数据的调制、发送与接收，是决定WSN的节点体积、成本及能耗的关键环节，也是WSN研究重点之一。
无线传感器网络物理层对节点能耗的影响——传感器节点的大部分能力消耗在无限通信模块。

2 频段分配

ISM波段
无需申请，使用方便，利于降低成本。

3 通信信道

3.1 自由空间信道

Friis弗里斯传输公式：

= （PtG1G2）/Lfs
其中 Lfs为自由空间传播损耗path loss，主要与d有关

3.2 多径信道

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等障碍物。对电波会产生反射、折射或衍射等等。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。
公式如下：

3.3 加性噪声信道

3.4 实际物理信道

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（人/（4πd0））²（d0/d）n次方G1G2
其中，n一般大于2。

4 调制与解调

4.1 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，模拟调制技术人在上（下）变频处理中起着无可替代的作用。

4.2 数字调制

把基带信号以一定的方式调制到载波上进行传输。从对载波参数的改变方式上可把调制方式分为三种:ASK、FSK、PSK
ASK：结构简单易于实现，对宽带的要求小，缺点是抗干扰能力差
FSK：相比于ASK需要更大的宽带
PSK：更复杂

4.3 UWB通信技术

超宽带（Ultra Wide Band：UWB）无限通信技术是近几年来备受青睐的短距离无线通信技术之一，其具有高传输速率，非常高的事件和空间分辨率，低功耗、保密性好、低成本及易于集成等特点，被认为是未来短距离高数据通信最具潜力的技术。依据FCC对UWB的定义，UWB信号宽带应该大于500MHZ或相对宽带大于0.2，
与传统的无限收发机结构相比，UWB的收发机结构相对简单。UWB系统直接通过脉冲调制发送信号，该系统可采用软件无线电的全数字硬件接收结构。
UWB技术最基本的工作原理——发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲。
接收机一直用一级前端交叉相关器就把脉冲序列穿换成基带信号，省去了传统通信设备的中频级。
UWB两个标准共存：
——摩托罗拉为代表的的DS-CDMA方案：即在每个超过1GHz的频带内用及短的时间没冲发送数据，其优势是硬件简单，频谱利用率高。
——德州仪器（TI）与Intel支持的多频带OFDM联盟的OFDM方案：优势是抗符号间干扰能力强，但硬件相对复杂

4.4 扩频通信

利用比原始信号（通信产生的信号）本身频带宽得多的射频信号的通信，全称是扩展频谱通信。
理论基础：香农Shannon在信息论研究中总结出的信道容量公式，即香农公式：
C = W ✖️ Log2（1+S/N）
C-信息的传输速率
W-频带宽度
S-有用信号功率
N-噪声功率

5 无线传感器网络物理层设计要点

当前节点物理层
无限传感器网络物理层的发展是与当前的设计工艺水平紧密联系的，随着近几年射频CMOS工艺的发展，使得无限传感器网络物理层的成本和功耗能够显著地降下来。

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