物理层协议复习课程.ppt

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1、物理层协议4.1概述4.1概述LanF.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。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。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

2、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：DeborahEstrin在Mobicom2002会议的特邀报告（WirelessSensorNetworks，PartIV：SensorNetworksProtocols）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。4.2频段分配4.2频段分配名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频符号VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率3-30KHz30-300KHz0.3-3MHz3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz3-3

3、0GHz30-300GHz波段超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波波长1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m100m-10m10m-1m1m-0.1m10cm-1cm10mm-1mm传播特性空间波为主地波为主地波与天波天波与地波空间波空间波空间波空间波主要用途海岸潜艇通信;远距离通信;超远距离导航越洋通信;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航船用通信;业余无线电通信;移动通信;中距离导航远距离短波通信;国际定点通信电离层散射(30-60MHz);流星余迹通信;人造电离层通信(30-144MHz);对空间飞行体通信;移动通信小容量微波中继通信;(352-420M

4、Hz);对流层散射通信(700-10000MHz);中容量微波通信(1700-2400MHz)大容量微波中继通信(3600-4200MHz);大容量微波中继通信(5850-8500MHz);数字通信;卫星通信;国际海事卫星通信(1500-1600MHz)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）4.2频段分频ISM波段ISM波段的特点是无须申请，利于降低成本。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Friis传输公式：其中，Pt为天线辐射功率；称为自由空间传播损耗

5、（pathloss），只与、d有关。发射源接收机d图4-2无线信道传输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。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。地面反射路径总距离r2视距r1hrht水平距离d源节点目标点ψ图4-3two-raymodel时4.3.3加性噪声信道如果噪声主要是由电子元件和接收放大器

6、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,AdditiveWhiteGaussianNoiseChannel)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r(t)=as(t)+n(t)式中，a表示衰减因子。s(t)n(t)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：n一

7、般大于2.衰落分贝表达式为：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：4.4调制与解调4.4调制与解调4.4.1模拟调制4.4.2数字调制4.4.3UWB通信技术4.4.4扩频通信4调制与解调4.1模拟调制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