《无线传感器网络》第2讲 物理层
一、无线传感器网络（WSN）概述
- 定义：由部署在监测区域内的大量、廉价、微型传感器节点组成，通过无线通信形成多跳、自组织的网络系统，协作感知、采集、处理信息并发送给观察者。
- 节点组成模块：传感器模块、处理模块、无线收发模块、能量供应模块。
- 协议栈（五层） ：
- 应用层
- 传输层
- 网络层
- 数据链路层
- 物理层
- 管理平台 ：能量管理、移动管理、任务管理。
二、WSN协议栈各层核心功能
1. 物理层（Physical Layer）
- 功能：负责比特流与适合传输的信号之间的转换。
- 关键任务 ：
- 选择传输媒体与频率（射频、光、超声波、磁感应，常用ISM频段）。
- 信号调制与解调（ASK、FSK、PSK）。
- 处理信号传播效应（直射、反射、衍射、散射、多径传输）。
2. 数据链路层（Data Link Layer）
- 功能：管理相邻节点间的可靠高效通信。
- 关键任务 ：
- 数据组帧
- 媒体访问控制（MAC）：竞争访问、分时访问
- 差错控制（不多、不少、有序、无错）
- 链路管理（发现、设置、拆除）
3. 网络层（Network Layer）
- 功能：负责路由发现、选择与维护，实现数据从源到汇聚点（sink）的传输。
- 特点：基于局部拓扑信息、以数据为中心。
- 设计要求 ：
- 能量高效（协议简单、开销小、能耗均衡）
- 可扩展性（网络范围、节点密度）
- 鲁棒性（应对节点与拓扑变化）
- 快速收敛性
4. 传输层（Transport Layer）
- 功能：实现sink与传感器节点间的可靠数据流传输。
- 关键机制：拥塞控制（如ESRT）。
- 重要性：当WSN需被Internet等外部网络访问时至关重要。
5. 应用层（Application Layer）
- 功能：通过标准化协议与接口，让应用程序便捷使用底层网络。
- 典型协议 ：
- 传感器管理协议（SMP）
- 任务分配和数据广播协议（TADAP）
- 传感器查询和数据分发协议（SQDDP）
三、物理层详解
1. 无线通信频段与波段
- 频谱资源：属国家所有，需许可使用（微功率短距离设备除外）。
- ISM频段 ：无需申请，常用频段如：
- 433--464 MHz（欧洲）
- 900--928 MHz（美洲）
- 2.4--2.5 GHz（WLAN/WPAN）
- 5.725--5.875 GHz（WLAN）
- 波段命名表 （0.03 Hz ~ 3000 GHz，共14个频带），如：
- LF（30--300 kHz，长波）
- HF（3--30 MHz，短波）
- UHF（300--3000 MHz，分米波）
- SHF（3--30 GHz，厘米波）
2. 无线电波传播特性
- 传播方式 ：
- 直射（自由空间模型）
- 反射（平滑界面，可能引发相位差）
- 衍射/绕射（绕过障碍物，与波长相关）
- 散射（粗糙表面，多方向反射）
- 多径效应：同一信号经不同路径到达，造成时延、幅度、相位差异，增加信号解析难度。
- 路径损耗（Path Loss） ：
- Friis自由空间方程 ：
- 线性形式：
Pr(d)=PtGtGrλ2(4π)2d2LP_r(d) = P_t \frac{G_t G_r \lambda^2}{(4\pi)^2 d^2 L}Pr(d)=Pt(4π)2d2LGtGrλ2 - 对数形式（dBm）：
Pr(dBm)=Pt(dBm)+Gt(dBi)+Gr(dBi)−20lg(4πdλ)P_r(dBm) = P_t(dBm) + G_t(dBi) + G_r(dBi) - 20\lg\left(\frac{4\pi d}{\lambda}\right)Pr(dBm)=Pt(dBm)+Gt(dBi)+Gr(dBi)−20lg(λ4πd) - 改进模型（引入路径损耗指数 γ，取值2~6）：
Pr=PtGtGrλ2(4π)2d02L(d0d)γP_r = P_t \frac{G_t G_r \lambda^2}{(4\pi)^2 d_0^2 L} \left( \frac{d_0}{d} \right)^{\gamma}Pr=Pt(4π)2d02LGtGrλ2(dd0)γ
- 线性形式：
- 结论 ：接收功率与波长（频率）和传播距离有关。
- Friis自由空间方程 ：
3. 功率相关概念
- 功率单位 ：
- dBm 毫瓦分贝 ：绝对功率值，10lg(P1mW)10\lg(\frac{P}{1mW})10lg(1mWP)
*EG：1W=10lg(1W1∗10−3W)=30dBm1W=10lg(\frac{1W}{1*10^{-3}W})=30dBm1W=10lg(1∗10−3W1W)=30dBm
- dB 分贝 ：相对功率比值，10lg(X功率Y功率)=10lg(X功率)−10lg(Y功率)10lg(\frac{X功率}{Y功率})=10lg(X功率)-10lg(Y功率)10lg(Y功率X功率)=10lg(X功率)−10lg(Y功率)
*EG：发射功率1W，接收功率0.001mW，损失为：10lg(1W0.001mW)=60dB10lg(\frac{1W}{0.001mW})=60dB10lg(0.001mW1W)=60dB
- dBm 毫瓦分贝 ：绝对功率值，10lg(P1mW)10\lg(\frac{P}{1mW})10lg(1mWP)
- 3 dB法则：±3 dB 对应功率加倍/减半。
4. 接收灵敏度
- 定义 ：接收端能正确解码信号的最小功率门限。
- 示例：ZigBee通常为-94 dBm；802.11b/g不同速率对应不同灵敏度（如1 Mbps对应-94 dBm）。
5. 调制与解调
- 基本概念 ：
- 基带信号（调制信号）
- 载波信号（高频周期信号）
- 已调信号（调制后的信号）
- 调制类型 ：
- 模拟调制：AM（调幅）、FM（调频）、PM（调相）
- 数字调制 ：
- ASK（幅移键控）：简单、带宽小、抗干扰差
- FSK（频移键控）：带宽较大
- PSK（相移键控）：复杂、抗干扰好
- 多进制调制：如4-ASK、4-PSK，一个符号代表多个比特。
- 符号速率（波特率Baud） vs 数据率（bps） ：
- 二进制调制：符号速率 = 比特率
- M进制调制：数据率 = 符号速率 × log₂M
6. 噪声、干扰与性能指标
- 噪声：热噪声（AWGN）
- 干扰类型 ：
- 多用户干扰
- 同信道干扰
- 邻信道干扰
- 性能指标 ：
- SNR（信噪比）：仅考虑噪声
- SINR（信干噪比）：考虑噪声+干扰
- BER（误比特率）：误码比特数 / 总传输比特数
- 结论 ：不同调制方式达到相同BER所需SNR不同（PSK通常优于FSK）。
7. 无线信号覆盖范围
- 通信区域：接收灵敏度与SINR满足要求，可正确解码。
- 侦测区域：可检测到信号，但误码率高，难以通信。
- 干扰区域：信号功率或SINR过低，无法解码，但可能造成干扰。
- 捕获效应：强信号可压制弱信号，被接收机解码。
8. 通信方式与同步
- 通信对象 ：点到点、点到多点、多点间。
- 通信方向 ：
- 单工（单向，如广播）
- 半双工（双向但不能同时，如对讲机）
- 全双工（双向同时，如电话）
- 同步机制：需保证码元同步、字符同步、帧同步。
- IEEE 802.15.4物理层帧结构 ：
- 前导码（4字节） + SFD（1字节） + 帧长度（1字节） + PSDU（可变）
- 前导码（4字节） + SFD（1字节） + 帧长度（1字节） + PSDU（可变）
9. 物理层设计要点与挑战
- 能耗特征 ：
- 接收能耗 ≈ 甚至 > 发射能耗
- 启动能耗/时间不可忽视
- 通信成本远高于计算成本（比例可达数千倍）
- 非理想特性 ：
- 链路质量 随空间变化（RSSI波动）
- 电池电压 下降导致发射功率 降低
习题
- (单选题) 无线传感器网络节点通常采用电池供电。以下说法正确的是（B）
A. 发射机的发射功率 与电池电量 消耗无关
B. 随着电池电量的消耗，发射机的发射功率会减小
C. 随着电池电量的消耗，发射机的发射功率会增大
D. 当射频通信模块休眠时，不消耗电池能量
- 非理想特性：
- 链路质量 随空间变化（RSSI波动）
- 电池电压 下降导致发射功率 降低
- (单选题) 两个节点间的通信符合自由空间模型.如果发射机的发射功率是10W，接收功率是0.0001mw，则信道损失是____dB？（D）
A. 9.9999
B. 40
C. 50
D. 80
dB 分贝 ：相对功率比值，10lg(X功率Y功率)=10lg(X功率)−10lg(Y功率)10lg(\frac{X功率}{Y功率})=10lg(X功率)-10lg(Y功率)10lg(Y功率X功率)=10lg(X功率)−10lg(Y功率)
10lg(10W0.0001mW)=10lg(104mW10−4mW)=10∗8dB=80dB10lg(\frac{10W}{0.0001mW})=10lg(\frac{10^4mW}{10^{-4}mW})=10*8dB=80dB10lg(0.0001mW10W)=10lg(10−4mW104mW)=10∗8dB=80dB