無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第2章

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)第2章第一頁，共127頁。本章目標

理解頻率分配。

掌握通信信道的概念。

理解信號的調(diào)制與解調(diào)。

理解物理層的幀結(jié)構(gòu)。

理解物理層的功能和服務(wù)原語。

了解物理層的非理想特性。

了解射頻前端低功耗設(shè)計。第二頁，共127頁。學(xué)習(xí)導(dǎo)航第三頁，共127頁。

WSN協(xié)議棧的五層模型，分別對應(yīng)OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。OSI的物理層為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒質(zhì)及互聯(lián)設(shè)備，為數(shù)據(jù)的傳輸提供可靠的環(huán)境。WSN的物理層主要負責傳輸媒質(zhì)的選擇、頻段的選擇、數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，是決定WSN節(jié)點體積、成本以及能耗的關(guān)鍵因素，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能的決定因素。2.1概述第四頁，共127頁。本章主要研究物理層的一些關(guān)鍵問題，并進行節(jié)能優(yōu)化的探討，所以本章首先介紹無線通信的基礎(chǔ)知識：頻段的劃分、無線信道的調(diào)制解調(diào)，然后對物理層幀結(jié)構(gòu)和射頻前端低功耗性能進行深入的分析。第五頁，共127頁。

在無線通信系統(tǒng)中，頻率波段的選擇非常重要。由于6GHz以下頻段的波形可以進行很好的整形處理，能較容易地濾除不期望的干擾信號，所以目前大多數(shù)射頻系統(tǒng)都選擇采用這個范圍的頻段。2.2頻率分配第六頁，共127頁。無線電頻段的劃分和無線電波段的劃分相對應(yīng)。各個國家和地區(qū)對無線電設(shè)備使用的頻段、特定應(yīng)用環(huán)境下的發(fā)射功率等作了嚴格的規(guī)定。中國無線電管理機構(gòu)對無線電頻段的劃分如所示。第七頁，共127頁。

表2-1頻段劃分及主要用途第八頁，共127頁。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在頻段的選擇上也必須按照相關(guān)的規(guī)定來使用。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基本上都采用ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))波段。ISM頻段是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，發(fā)射功率要求在1W以下，無需任何許可證，其波段頻率說明如所示。第九頁，共127頁。

表2-2波段頻率說明第十頁，共127頁。盡管頻段的選擇由很多因素決定，但對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，必須根據(jù)實際應(yīng)用場合來選擇。因為頻率的選擇決定了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的天線尺寸、電感的集成度以及節(jié)點功耗。第十一頁，共127頁。

信道是信號傳輸?shù)拿劫|(zhì)。通信信道包括有線信道和無線信道。有線信道包括同軸電纜、光纖等。無線信道是無線通信發(fā)送端和接收端之間通路的形象說法，它以電磁波的形式在空間傳播。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層主要采用無線信道。2.3通信信道第十二頁，共127頁。2.3.1自由空間信道

自由空間信道是一種理想的無線信道，它是無阻擋、無衰落、非時變的自由空間傳播信道，如圖2-1所示。第十三頁，共127頁。

圖2-1自由空間信道模型第十四頁，共127頁。自由空間信道模型，假定A點是信號的發(fā)射源，B點是接收機，d是發(fā)射源與接收機之間的距離，信號發(fā)射源的天線輻射功率為Pt。在距離發(fā)射源A點d處的接收機B點的空間上任意一點(相當于面積為4πd2的球面的單位面積)的發(fā)射功率密度為P0：

(2-1)

式中，Pt/P0

=

4πd2，稱為傳播因子。

第十五頁，共127頁。在實際無線通信系統(tǒng)中，真正的全向性天線是不存在的，實際天線都帶有方向性，一般用天線的增益G來表示。如發(fā)射天線在某方向的增益為G1，則在該方向的功率密度增加G1倍。在1中相距A點d處單位面積接收功率可表示為

。

對于接收天線，增益可以理解為天線接收定向電波功率的能力，接收天線的增益G2與有效面積Ae和工作的電磁波長有關(guān)，接收天線增益與天線有效面積Ae的關(guān)系為第十六頁，共127頁。

(2-2)

則與發(fā)射機相距d的接收機接收到的信號載波功率為

(2-3)

將式(2-1)代入式(2-3)中得

(2-4)

令 ，那么式(2-4)可以變形為

(2-5)第十七頁，共127頁。這就是著名的Friis傳輸公式，它表明了接收天線的接收功率和發(fā)射天線的發(fā)射功率之間的關(guān)系。其中Lfs稱為自由空間傳播損耗，只與和d有關(guān)。考慮到電磁波在空間傳播時，空間并不是理想的，例如氣候因素的影響。假設(shè)由氣候影響帶來的損耗為La，此時接收天線的接收功率可以表示為

(2-6)

第十八頁，共127頁。收、發(fā)天線之間的損耗L可以表示為

(2-7)第十九頁，共127頁。2.3.2

多徑信道

多徑傳播是指無線電波在傳播時，通過兩個以上不同長度的路徑到達接收點，接收天線檢測的信號是幾個不同路徑傳來的電磁強度之和，如圖2-2所示。第二十頁，共127頁。

圖2-2無線多徑傳輸示意圖第二十一頁，共127頁。在無線通信領(lǐng)域，多徑是指無線電信號傳輸過程中會遇到障礙物的阻擋，從發(fā)射天線經(jīng)過幾個路徑抵達接收天線的傳播現(xiàn)象(這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在分米波、厘米波和毫米波段)，例如樓房或者高大的建筑物、山丘等，對電波產(chǎn)生反射、折射或者衍射等，如圖2-3所示。第二十二頁，共127頁。

圖2-3造成多徑傳播的原因第二十三頁，共127頁。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其通信大都是以節(jié)點間短距離、低功耗傳輸，且一般離地面較近，所以對于一般的場景(如走廊)，可以認為它主要存在三種路徑，即障礙物的反射、直射以及地面反射。

因為多徑傳播的不同路徑到達的電磁波射線相位不一致，引起信號在信道中傳輸時變形(多徑信道)，導(dǎo)致接收信號呈衰落狀態(tài)(衰落或者相移)，使信號產(chǎn)生誤碼，所以在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層時要考慮信號的多徑衰落。第二十四頁，共127頁。2.3.3加性噪聲信道

加性噪聲一般指熱噪聲(導(dǎo)體中自由電子的熱運動)、散彈噪聲(真空管中電子的起伏發(fā)射和半導(dǎo)體中載流子的起伏變化)，它們與信號之間的關(guān)系是相加的，不管有沒有信號，噪聲都存在。加性噪聲獨立于有用信號，但始終干擾有用信號，不可避免地對無線通信信道造成影響。

信道中的加性噪聲一般來源于以下三方面：

人為噪聲：來源于人類活動造成的其他信號源。例如：外臺信號、開關(guān)接觸噪聲、工業(yè)的點火輻射即熒光燈干擾等。第二十五頁，共127頁。

圖2-4加性噪聲信道數(shù)學(xué)模型第二十六頁，共127頁。

自然噪聲：來源于自然界存在的各種電磁波源。例如：閃電、大氣中的電暴、銀河系噪聲及其他各種宇宙噪聲等。

內(nèi)部噪聲：來源于系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲。例如：在電阻一類的導(dǎo)體中自由電子的熱運動和散彈噪聲及電源噪聲等。

最簡單的加性噪聲信道數(shù)學(xué)模型如圖2-4所示。

第二十七頁，共127頁。這是目前通信系統(tǒng)分析和設(shè)計中主要應(yīng)用的信道模型，其中s(t)為傳輸信號，n(t)為噪聲，為信道中的衰減因子，接收到的信號為

(2-8)第二十八頁，共127頁。2.3.4實際環(huán)境信道

實際環(huán)境中的無線信道往往比較復(fù)雜，除了自由空間損耗還伴有多徑、障礙物的阻擋等引起的衰落?？紤]到Friis方程主要針對遠距離理想無線通信，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Zigbee等短距離通信，工程上往往采用改進的Friis方程來表示實際接收到的信號強度，即

(2-9)

式中，d0為參考距離，短距離通信一般取1m；n的取值與傳輸環(huán)境有關(guān)。第二十九頁，共127頁。對于較為復(fù)雜的環(huán)境還需要進行精確的測試才能獲得準確的信道模型。研究者通過實際測量獲得了四種不同環(huán)境與距離的路徑損耗變化，即在1m

<

d

<

10m時n取2，在10m

<

d

<

20m時n取3，在20m

<

d

<

40m時n取6，在d

>

40m時n取12。

(2-10)第三十頁，共127頁。

調(diào)制與解調(diào)是為了能夠在可容忍的天線長度內(nèi)實現(xiàn)遠距離的無線信息傳輸，在通信系統(tǒng)中占有重要地位。調(diào)制與解調(diào)是通過射頻前端(詳見2.7節(jié))的調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)的。本節(jié)詳細介紹了模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、無需載波的UWB通信技術(shù)以及擴頻通信技術(shù)。2.4調(diào)制與解調(diào)第三十一頁，共127頁。2.4.1模擬調(diào)制

模擬調(diào)制作用的實質(zhì)是把各種信號的頻譜搬移，使它們互不重疊地占據(jù)不同的頻率范圍，即信號分別依托于不同頻率的載波，接收機可以分離出所需頻率的信號，避免互相干擾。第三十二頁，共127頁。模擬調(diào)制的目的：

信道傳輸頻率特征的需要。

實現(xiàn)信道復(fù)用。

改善系統(tǒng)的抗噪聲性能，或通過調(diào)制來提高系統(tǒng)頻帶的利用率。

采用不同的調(diào)制技術(shù)對系統(tǒng)性能將產(chǎn)生很大的影響。

以一個簡單的正弦波S(t)為例：

(2-11)第三十三頁，共127頁。式中，正弦波S(t)為載波，基于正弦波的調(diào)制技術(shù)即對其參數(shù)幅度A(t)、頻率f(t)和相位進行相應(yīng)的調(diào)整，分別對應(yīng)調(diào)制方式的幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。由于模擬調(diào)制自身的功耗較大且抗干擾能力及靈活性差，正在逐步被數(shù)字調(diào)制技術(shù)替代。但是當前模擬調(diào)制技術(shù)在上下變頻處理中起著無可代替的作用。第三十四頁，共127頁。2.4.2數(shù)字調(diào)制

數(shù)字調(diào)制就是將數(shù)字信號變成適合于信道傳輸?shù)牟ㄐ?，調(diào)制信號為數(shù)字基帶信號。調(diào)制的方法主要是通過改變幅度、相位或者頻率來傳送信息。用數(shù)字信號來進行ASK(幅度調(diào)制)、FSK(頻率調(diào)制)和PSK(相位調(diào)制)。每種類型又有很多不同的具體形式，如基于ASK變形的正交載波調(diào)制技術(shù)、單邊帶技術(shù)、殘留邊帶技術(shù)和部分響應(yīng)技術(shù)等；基于FSK的CPFSK(連續(xù)相位)與NCPFSK(非連續(xù)相位調(diào)制)以及基于PSK的多相PSK調(diào)制等。第三十五頁，共127頁。調(diào)制的基本原理是用數(shù)字信號對載波的不同參量進行調(diào)制，即

(2-12)

載波S(t)的參量包括幅度A、頻率w和初相位j，調(diào)制就是要使A、w或j隨數(shù)字基帶信號的變化而變化。其中，ASK調(diào)制方式是用載波的兩個不同振幅表示0和1；FSK調(diào)制方式是用載波的兩個不同頻率表示0和1；PSK調(diào)制方式是用載波的起始相位變化表示0和1。第三十六頁，共127頁。

圖2-5ASK調(diào)制電路結(jié)構(gòu)圖第三十七頁，共127頁。1.

ASK調(diào)制

ASK調(diào)制電路結(jié)構(gòu)圖如圖2-5所示，其中S(t)為載波，d(t)為數(shù)字信號。這種調(diào)制方式最大的特點是結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)。

ASK的調(diào)制波形即為載波S(t)與數(shù)字信號d(t)的乘積，其調(diào)制波形圖如圖2-6所示。第三十八頁，共127頁。

圖2-6ASK調(diào)制波形圖第三十九頁，共127頁。2.

FSK調(diào)制

FSK是信息傳輸中使用較早的一種調(diào)制方式。它的主要優(yōu)點是實現(xiàn)起來較容易，抗噪聲與抗衰減的性能比較好，因此在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。

FSK是利用兩個不同F(xiàn)1和F2的振蕩源(即載波F1和載波F2)來實現(xiàn)頻率調(diào)制，具體實現(xiàn)如下：

(2-13)

式中， ， )。第四十頁，共127頁。以2FSK(二進制FSK)調(diào)制為例，用數(shù)字信號的1和0分別去控制兩個獨立的振蕩源交替輸出。2FSK信號的產(chǎn)生原理框圖如圖2-7所示。其調(diào)制波形圖如圖2-8所示，其中d(t)為數(shù)字信號。第四十一頁，共127頁。

圖2-72FSK信號產(chǎn)生原理框圖第四十二頁，共127頁。

圖2-82FSK調(diào)制波形圖第四十三頁，共127頁。3.

PSK調(diào)制

PSK相移鍵控調(diào)制技術(shù)(調(diào)相技術(shù))在數(shù)據(jù)傳輸中，尤其是在中速和中高速(2400b/s～4800b/s)的數(shù)傳機中得到了廣泛的應(yīng)用。相移鍵控有很好的抗干擾性，在有衰落的信道中也能獲得很好的效果。第四十四頁，共127頁。在PSK調(diào)制時，載波的相位隨調(diào)制信號狀態(tài)的不同而改變。如果兩個頻率相同的載波同時開始振蕩，這兩個頻率同時達到正最大值、零值和負最大值，此時它們處于“同相”狀態(tài)；如果一個達到正最大值時，另一個達到負最大值，則稱為“反相”。一般把360°作為信號振蕩的一個周期。如果一個波和另一個波在同一時刻相比相差半個周期，此時兩個波的相位差為180°，即反相。當傳輸數(shù)字信號時，0控制發(fā)同相相位，1控制發(fā)反相相位。

以2PSK(二進制PSK)調(diào)制為例，載波相位只有0和π兩種取值，分別對應(yīng)調(diào)制信號的0和1。第四十五頁，共127頁。傳送信號1時，發(fā)起始相位為π的載波；當傳送信號0時，發(fā)起始相位為0的載波。2PSK的調(diào)制原理如圖2-9所示，調(diào)制波形圖如圖2-10所示，其中d(t)為數(shù)字信號。第四十六頁，共127頁。

圖2-92PSK的調(diào)制原理第四十七頁，共127頁。

圖2-102PSK調(diào)制波形圖第四十八頁，共127頁。2.4.3UWB通信技術(shù)

超寬帶(UltraWideBand，UWB)無線通信技術(shù)是近年來備受青睞的短距離無線通信技術(shù)，是一種可實現(xiàn)短距離高速信息傳輸?shù)募夹g(shù)，主要應(yīng)用于無線USB和音頻/視頻傳輸。由于其具有高傳輸速率、非常高的時間和空間分辨率、低功耗、保密性好、低成本及易于集成等特點，被認為是未來短距離高速通信最具潛力的技術(shù)之一。

美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對UWB的定義為：信號帶寬大于500Hz，或帶寬與中心頻率之比大于25%的帶寬為超寬帶。第四十九頁，共127頁。信號帶寬和中心頻率之比表達式為

(2-14)

式中，fc為帶寬與中心頻率之比，fH為系統(tǒng)最高頻率，fL為系統(tǒng)最低頻率。FCC還規(guī)定，UWB無線通信的頻率范圍是3.1GHz～10.6GHz。第五十頁，共127頁。UWB的收發(fā)機與傳統(tǒng)的無線收發(fā)機相比結(jié)構(gòu)相對簡單。UWB發(fā)射機直接發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)而不需要使用載波電路，經(jīng)調(diào)制后的數(shù)據(jù)與“偽隨機碼產(chǎn)生器”生成的偽隨機碼一起送入“可編程時延電路”，“可編程時延電路”產(chǎn)生的時延控制“脈沖信號發(fā)生器”的發(fā)送時刻。UWB發(fā)射機框圖如圖2-11所示。第五十一頁，共127頁。

圖2-11UWB發(fā)射機框圖第五十二頁，共127頁。在接收端采用相關(guān)器進行接收，如圖2-12所示為UWB接收機框圖，其中虛線部分為相關(guān)器。相關(guān)器由乘法器、積分器和取樣/保持三部分電路組成。第五十三頁，共127頁。

圖2-12UWB接收機框圖第五十四頁，共127頁。相關(guān)器用特定的模板波形與接收到的射頻信號相乘，再積分得到一個直流輸出電壓。接收機的基帶信號處理器從取樣/保持電路中解調(diào)數(shù)據(jù)，基帶信號處理器的輸出控制可編程時延電路，為可編程時延電路提供定時跟蹤信號，保證相關(guān)器正確解調(diào)出數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)的窄帶收發(fā)信機相比，UWB技術(shù)具有以下優(yōu)點：

占有頻帶寬，傳輸速率高。UWB使用的帶寬在1GHz以上，數(shù)據(jù)傳輸率高，目前在10m范圍內(nèi)其傳輸速率可以達到420Mb/s。第五十五頁，共127頁。

保密性好。UWB保密性表現(xiàn)在兩方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發(fā)送端擴頻碼才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)；另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低，對于一般的通信系統(tǒng)，UWB信號相當于白噪聲信號，用傳統(tǒng)的接收機無法接收。

抗多徑衰落。UWB每次發(fā)射的脈沖時間短，當發(fā)射波來時已經(jīng)接受完畢，因此抗多徑衰落能力較強。

無載波通信，功耗低，收發(fā)設(shè)備簡單。采用納秒級脈沖寬度的周期性非正弦高斯短脈沖信號傳輸信息，第五十六頁，共127頁。通信設(shè)備使用小于1mW的發(fā)射功率就能實現(xiàn)通信，不需要上、下變頻器，功率放大器和混頻器，接收端無需中頻處理，因此相對于傳統(tǒng)的窄帶信號來說簡化了收發(fā)設(shè)備。

第五十七頁，共127頁。2.4.4擴頻通信

1.概述

擴頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)經(jīng)偽隨機編碼擴頻處理后，再將頻譜擴展了的寬帶信號在信道上進行傳輸；接收端則采用相同的編碼序列進行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)出原始信息數(shù)據(jù)。典型的擴頻收發(fā)機結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。第五十八頁，共127頁。

圖2-13擴頻收發(fā)機結(jié)構(gòu)圖第五十九頁，共127頁。擴頻通信的理論基礎(chǔ)是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引申而來的，如信息論中的香農(nóng)公式為

(2-5)第六十頁，共127頁。式中，C是信道容量，B是信號頻帶寬度，S是信號功率，N是加性噪聲功率，S/N是信噪比。由式(2-15)可知，在給定的傳輸速率C不變的條件下，頻帶寬度B和信噪比S/N是可以互換的，即通過增加頻帶寬度的方法，在較低的信噪比(S/N)下傳輸信息。第六十一頁，共127頁。2.特點

擴頻通信相比于窄帶通信方式，主要特點包括以下兩點：

信息的頻譜在擴展后形成寬帶進行傳輸。

信息的頻譜經(jīng)過相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。

由于這兩大特點，使擴頻通信具有以下優(yōu)點：抗干擾、抗噪聲、抗多徑干擾、保密性好、功率譜密度低、具有隱蔽性和低的截獲概率、可多址復(fù)用和任意選址以及易于高精度測量等。第六十二頁，共127頁。3.分類

按照擴展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴頻通信系統(tǒng)可以分為以下幾類：

直接序列擴頻(DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS)工作方式，簡稱直擴(DS)方式。

跳變頻率(FrequencyHopping)工作方式，簡稱跳頻(FH)方式。第六十三頁，共127頁。

跳變時間(TimeHopping)工作方式，簡稱跳時(TH)方式。

寬帶線性調(diào)頻(ChirpModulation)工作方式，簡稱Chirp方式。

混合方式，即在幾種基本擴頻方式的基礎(chǔ)上組合起來，構(gòu)成各種混合方式，如DS/FH、DS/TH、DS/FH/TH。

直接序列擴頻和跳頻擴頻是使用最廣的兩種方式。第六十四頁，共127頁。

物理層(PhysicalLayer，PHY)的主要功能是在一條物理傳輸媒體上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路實體之間透明地傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流。它為鏈路層提供的服務(wù)包括：物理層連接的建立、維持與釋放，物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的傳輸，物理層管理，數(shù)據(jù)編碼。2.5物理層設(shè)計第六十五頁，共127頁。2.5.1相關(guān)概念

1.服務(wù)原語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是一種分層結(jié)構(gòu)，第N層向第N+1層提供一組操作(也叫服務(wù))，這種操作叫做服務(wù)原語，它一般通過一段不可分割的或不可中斷的程序?qū)崿F(xiàn)其功能。第N+1層調(diào)用第N層提供的服務(wù)原語以實現(xiàn)層和層之間的信息交流。第六十六頁，共127頁。

注意

這里要區(qū)分“服務(wù)原語”和“協(xié)議”的區(qū)別：“協(xié)議”是兩個需要通信的設(shè)備在同一層之間如何發(fā)送數(shù)據(jù)、如何交換幀的規(guī)則，是“橫向”的；而“服務(wù)原語”是“縱向”的層和層之間的一組操作。第六十七頁，共127頁。

2.服務(wù)訪問接口

服務(wù)訪問接口(ServiceAccessPoint，SAP)是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。這里所說的接口是指不同功能層的通信規(guī)則。服務(wù)訪問接口是通過服務(wù)原語實現(xiàn)的，其功能是為其他層提供具體服務(wù)的。物理層服務(wù)訪問接口是通過射頻固件和硬件提供給MAC層與無線信道之間的接口。第六十八頁，共127頁。2.5.2幀結(jié)構(gòu)

物理層數(shù)據(jù)幀稱為物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PHYProtocolDataUnit)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)目前還沒有一個統(tǒng)一的標準，目前最廣泛使用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4標準協(xié)議，其物理層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2-14所示，由同步頭、物理幀頭和PHY負載構(gòu)成。第六十九頁，共127頁。

圖2-14物理層幀結(jié)構(gòu)第七十頁，共127頁。同步頭包括前導(dǎo)碼和幀起始分隔符(Start-of-FrameDelimiter，SFD)，物理幀頭包括幀長度和保留位，PHY負載包括物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PHYServiceDataUnit，PSDU)。

前導(dǎo)碼由4個字節(jié)的0組成，用于收發(fā)器進行碼片或者符號的同步。

幀起始分隔符(SFD)域由1個字節(jié)組成，表示同步結(jié)束時，數(shù)據(jù)包開始傳輸。

幀長度由7位組成，表示物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的字節(jié)數(shù)。第七十一頁，共127頁。

PSDU域是變長的，攜帶PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)，包含介質(zhì)訪問控制協(xié)議(MAC)數(shù)據(jù)單元。PSDU域是物理層的載荷。第七十二頁，共127頁。2.5.3物理層功能

802.15.4標準的物理層所實現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、物理信道的能量檢測、射頻收發(fā)器的激活與關(guān)閉、空閑信道評估、鏈路質(zhì)量指示和物理層屬性參數(shù)的獲取與設(shè)置。這些功能是通過物理層服務(wù)訪問接口來實現(xiàn)的。

物理層主要有兩種服務(wù)接口：物理層管理實體服務(wù)訪問接口(PLME-SAP)和物理層數(shù)據(jù)實體服務(wù)訪問接口(PhyDataSAP，PD-SAP)。PLME-SAP除了負責在物理層和MAC層之間傳輸管理服務(wù)之外，第七十三頁，共127頁。還負責維護物理層PAN信息庫(PHYPIB)；PD-SAP負責在物理層和MAC層之間提供數(shù)據(jù)服務(wù)。PLME-SAP和PD-SAP通過物理層服務(wù)原語實現(xiàn)物理層的各種功能，如圖2-15所示。第七十四頁，共127頁。

圖2-15物理層參考模型第七十五頁，共127頁。1.數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收

數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是通過PD-SAP提供的PD-DATA原語來實現(xiàn)物理層與MAC子層的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MACProtocolDataUnit，MPDU)傳輸。802.15.4標準專門定義了三個與數(shù)據(jù)相關(guān)的原語：數(shù)據(jù)請求原語(PD-DATA.request)、數(shù)據(jù)確認原語(PD-DATA.comfirm)和數(shù)據(jù)指示原語(PD-DATA.indication)。第七十六頁，共127頁。數(shù)據(jù)請求原語由MAC子層產(chǎn)生，主要用于處理MAC子層的數(shù)據(jù)發(fā)送請求。語法如下：

PD-DATA.request(

psduLength,

psdu

)

其中，參數(shù)psdu為MAC層請求物理層發(fā)送的實際數(shù)據(jù)，psduLength為待發(fā)數(shù)據(jù)報文的長度。物理層在接收到該原語的時候，首先會確認底層的射頻收發(fā)器已置于發(fā)送打開狀態(tài)，然后控制底層射頻硬件把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。第七十七頁，共127頁。數(shù)據(jù)確認原語是由物理層發(fā)給MAC子層，作為對數(shù)據(jù)請求原語的響應(yīng)。語法如下：

PD-DATA.confirm(

status

)

其中，原語的參數(shù)status為失效的原因，即參數(shù)為射頻收發(fā)器置于接收狀態(tài)(RX_ON)或者未打開狀態(tài)(TRX_OFF)，然后將通過數(shù)據(jù)確認原語告知上層；否則視為發(fā)送成功，即參數(shù)為SUCCESS，同樣通過原語報告給上層。第七十八頁，共127頁。數(shù)據(jù)指示原語主要向MAC子層報告接收的數(shù)據(jù)。在物理層成功收到一個數(shù)據(jù)后，將產(chǎn)生該原語通告MAC子層。語法如下：

PD-DATA.indication(

psduLength,

psdu,

ppduLinkQuality

)第七十九頁，共127頁。其中，參數(shù)PsduLength、psdu、ppduLinkQuality分別為接收到的數(shù)據(jù)長度、實際數(shù)據(jù)和根據(jù)PPDU測得的鏈路質(zhì)量(LQI)。其中LQI與數(shù)據(jù)無關(guān)，是物理層在接收當前數(shù)據(jù)報文時鏈路質(zhì)量的一個量化值。上層可以借助這個參數(shù)進行路由選擇。第八十頁，共127頁。2.物理能量信道的檢測

協(xié)調(diào)器在構(gòu)建一個新的網(wǎng)絡(luò)時，需要掃描所有信道(在MAC層稱做ED_SCAN)，然后為網(wǎng)絡(luò)選擇一個空閑的信道，這個過程在底層是借助物理信道能量檢測來完成的。如果一個信道被別的網(wǎng)絡(luò)占用，那么體現(xiàn)在信道能量上的值是不一樣的。802.15.4標準定義了與之相關(guān)的兩個原語：能量檢測請求原語(PLME_ED.request)和能量檢測確認原語(PLED-ED.confirm)。第八十一頁，共127頁。能量檢測請求原語由MAC子層產(chǎn)生，為一個無參的原語。語法為：PLME-ED.request()。收到該原語后，如果設(shè)備處于接收使能狀態(tài)，PLME就指示物理層進行能量檢測(ED)。

能量檢測確認原語由物理層產(chǎn)生，物理層在接收到能量檢測原語后把當前信道狀態(tài)以及當前信道的能量值返回給MAC子層。語法如下：第八十二頁，共127頁。PLME-ED.confirm(

status,

EnergyLevel

)

其中，狀態(tài)參數(shù)status將指示能量檢測失敗的原因(TRX_OFF或TX_ON)，如果設(shè)備處于收發(fā)關(guān)閉狀態(tài)(TRX_OFF)或發(fā)送使能狀態(tài)(TX_ON)，則無法進行能量檢測。在具體實現(xiàn)中，一般射頻芯片會使用特定的寄存器存放當前的信道狀態(tài)以及信道的能量值。第八十三頁，共127頁。3.射頻收發(fā)器的激活與關(guān)閉

為了滿足低功耗要求，在不需要無線數(shù)據(jù)收發(fā)時，可以選擇關(guān)閉底層射頻收發(fā)器。802.15.4標準定義了相關(guān)的兩個原語：收發(fā)器狀態(tài)設(shè)置請求原語(PLME-SET-TRX-STATE.request)和收發(fā)器狀態(tài)設(shè)置確認原語(PLME-SET-TRX-STATE.confirm)。

收發(fā)器狀態(tài)設(shè)置請求原語由MAC子層產(chǎn)生。語法如下：

PLME-SET-TRX-STATE.request(

status

)第八十四頁，共127頁。其中，參數(shù)status為需要設(shè)置的目標狀態(tài)，包括射頻接收打開(RX_ON)、發(fā)送打開(TX_ON)、收發(fā)關(guān)閉(TRX_OFF)和強行收發(fā)關(guān)閉(FORCE_TRX_OFF)。

物理層在接收到該原語后，將射頻設(shè)置為對應(yīng)的狀態(tài)，并通過設(shè)置確認原語返回。語法如下：

PLME-SET-TRX-STATE.confirm(

status

)

其中，參數(shù)status的取值為SUCCESS、RX_ON、TRX_OFF、TX_ON、BUSY_RX或BUSY_TX。第八十五頁，共127頁。4.空閑信道評估(ClearChannelAssessment，CCA)

由于802.15.4標準的MAC子層采用的是CSMA/CA(載波偵聽多路訪問/沖突避免)機制(詳見3.1.1節(jié))訪問信道，需要探測當前的物理信道是否空閑，物理層提供的CCA檢測功能就是專門為此而定義的。定義的兩個與之相關(guān)的原語是：CCA請求原語(PLME-CCA.request)與CCA確認原語(PLME-CCA.confirm)。

CCA請求原語由MAC子層產(chǎn)生。語法為：PLME-CCA.request()。這是一個無參的請求原語，用于向物理層詢問當前的信道狀況。第八十六頁，共127頁。物理層收到該原語后，如果當前的射頻收發(fā)狀態(tài)設(shè)置為接收狀態(tài)，將進行CCA操作(讀取物理芯片中相關(guān)的寄存器狀態(tài))。

CCA確認原語由物理層產(chǎn)生。語法如下：

PLME-CCA.confirm(

status

)

通過CCA確認原語可返回信道空閑或者信道繁忙狀態(tài)。如果當前射頻收發(fā)器處于關(guān)閉狀態(tài)或者發(fā)送狀態(tài)，CCA確認原語將對應(yīng)返回TRX_OFF或TX_ON。第八十七頁，共127頁。5.鏈路質(zhì)量指示

高層的協(xié)議往往需要依據(jù)底層的鏈路質(zhì)量來選擇路由，物理層在接收一個報文的時候，可以順帶返回當前的LQI值，物理層主要通過底層的射頻硬件支持來獲取LQI值。MAC軟件產(chǎn)生的LQI值可以用信號接收強度指示器(RSSI)來表示。第八十八頁，共127頁。6.物理層屬性參數(shù)的獲取與設(shè)置

在協(xié)議棧里面，每一層協(xié)議都維護著一個信息庫(PANInformationBase，PIB)用于管理該層，里面具體存放著與該層相關(guān)的一些屬性參數(shù)，如最大報文長度等。在高層可以通過原語獲取或者修改下一層信息庫里的屬性參數(shù)。802.15.4物理層也同樣維護著這樣一個信息庫，并提供4個相關(guān)原語：屬性參數(shù)獲取請求原語(PLME-GET.request)、屬性參數(shù)獲取確認原語(PLME-GET.confirm)、屬性參數(shù)設(shè)置請求原語(PLME-SET.request)、屬性參數(shù)設(shè)置確認原語(PLME-SET.confirm)。第八十九頁，共127頁。2.5.4成本及功耗

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計中，仍然需要考慮以下兩個方面的因素。

1.成本

低成本是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本要求。只有低成本，才能將大量的節(jié)點布置在目標區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種優(yōu)點。

物理層的設(shè)計直接影響到整個網(wǎng)絡(luò)的硬件成本。節(jié)點最大限度地集成化設(shè)計、減少分離元件是降低成本的主要手段。天線和電源的集成化設(shè)計目前仍然是非常有挑戰(zhàn)性的研究工作。第九十頁，共127頁。隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字單元基本上已完全可以基于CMOS工藝實現(xiàn)，并且體積也越來越小。但是模擬部分，尤其是射頻單元的集成化仍需要占用很大的面積，所以盡量靠近天線的數(shù)字化射頻收發(fā)器的研究是降低當前通信前端電路成本的主要途徑。第九十一頁，共127頁。2.功耗

低功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層設(shè)計的另一重要指標。如果要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點壽命更長，就要求節(jié)點的平均能耗越低。物理層調(diào)制解調(diào)方式的選擇直接影響了收發(fā)機的結(jié)構(gòu)，也就決定了通信前端電路固定功耗。所以選擇合適的調(diào)制解調(diào)方法可以有效地降低功耗。第九十二頁，共127頁。

物理層實體主要包括基帶處理電路、射頻前端電路、傳輸媒質(zhì)。由于實際電子器件的非線性特性和媒質(zhì)隨周圍環(huán)境的時變性，使得物理層非理想現(xiàn)象給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來了額外的能量開銷，這些能量開銷在整個無線傳感器節(jié)點的能量消耗中占非常大的比重，所以物理層非理想特性的研究對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方面有著重要的意義。2.6非理想特性第九十三頁，共127頁。2.6.1來源

對于實際的無線傳感器節(jié)點平臺，物理層非理想特性具體表現(xiàn)為無線信號傳輸?shù)牟灰?guī)則性、較長的電路轉(zhuǎn)換時間以及較低的性能。

1.無線傳輸?shù)牟灰?guī)則性

由T.He等人提出的DOI(DegreeofIrregularity，不規(guī)則度)模型描述了無線傳輸?shù)牟灰?guī)則性。該模型的思想是將傳輸?shù)姆秶譃閮蓚€邊界，即上邊界和下邊界，如圖2-16所示，虛線分別表示上、下邊界。第九十四頁，共127頁。

圖2-16DOI模型第九十五頁，共127頁。DOI模型分為如下三種情況：

接收點與發(fā)送點的距離大于上邊界，此時所有節(jié)點都不在通信范圍之內(nèi)，接收方將接收不到數(shù)據(jù)，此時沒有通信。

接收點與發(fā)送點的距離小于下邊界，此時所有節(jié)點都在傳輸范圍之內(nèi)，接收方將會接收到可靠的數(shù)據(jù)。此時傳輸鏈路可以認為是對稱傳輸(雙向傳輸)的。第九十六頁，共127頁。

接收點與發(fā)送點的距離位于上、下邊界之間，接收性能將取決于不同方向的實際信號強度，有可能是對稱鏈路也有可能是非對稱鏈路(即有可能是單向傳輸)。此時傳輸鏈路是不規(guī)則傳輸。如圖2-17所示，當DOI

=

0時，傳輸鏈路是對稱的，此時傳輸是規(guī)則的；當DOI

=

0.02時，傳輸鏈路明顯顯示出不規(guī)則形狀。第九十七頁，共127頁。

圖2-17不規(guī)則傳輸DOI模型第九十八頁，共127頁。2.較長的電路轉(zhuǎn)換時間及較低的性能

物理層天線的非匹配以及連接線路的損耗都會帶來額外的能量損失，如圖2-18所示。所以必須確定天線的阻抗與饋線傳輸線的阻抗相匹配，以減少額外能量的損失。第九十九頁，共127頁。

圖2-18非匹配及連接線路引起的能量消耗第一百頁，共127頁。收發(fā)天線的極化方向性偏差也是引起非理想特性的一個重要原因，接收天線不僅和距離有關(guān)，和天線的極化方向關(guān)系也有很大關(guān)系。如圖2-19所示，天線極化方向的場強不同，所引起的接收模式的效率也不同。

第一百零一頁，共127頁。

圖2-19極化引起的接收模式效率的變化第一百零二頁，共127頁。在實際應(yīng)用中，電池的能量變化對實際的發(fā)射功率的影響也比較大，如圖2-20所示。

電池對傳輸性能的影響為，當電池的電量為1.32V時，接收機可收到的信號強度為-58.5dBm；當電池消耗到1.18V時，接收到的信號強度就衰落到-59.5dBm。第一百零三頁，共127頁。

圖2-20電池引起的不規(guī)則傳輸?shù)谝话倭闼捻?，?27頁。2.6.2影響

無線傳輸?shù)牟灰?guī)則性不可避免地造成了傳輸鏈路的非對稱性，對MAC層和路由層有著不同程度的影響。

1.對MAC層的影響

對于很多基于競爭的MAC協(xié)議(見3.2節(jié))，基本上都建立在可靠的CSMA及RTS/CTS基礎(chǔ)上。無線傳輸?shù)牟灰?guī)則性增大了載波偵聽協(xié)議中數(shù)據(jù)收發(fā)沖突的概率，如圖2-21所示。第一百零五頁，共127頁。這是一個MAC層載波偵聽的模型，節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點C不在節(jié)點A的通信范圍之內(nèi)，所以節(jié)點C不能收到節(jié)點A發(fā)送的信號指令。如果在節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，節(jié)點C也向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就在節(jié)點B發(fā)生沖突。如果傳輸是規(guī)則的(即對稱的)，節(jié)點C能收到節(jié)點A發(fā)送的信號指令，就不會出現(xiàn)以上的沖突。

以RTS/CTS握手信號為基礎(chǔ)的MAC協(xié)議中也存在類似的問題，如圖2-22所示。第一百零六頁，共127頁。

圖2-21對MAC載波偵聽的影響第一百零七頁，共127頁。

圖2-22對MAC握手信號的影響第一百零八頁，共127頁。節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送RTS信號，節(jié)點B在接收到RTS信號后返回CTS作為回應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)中所有接收到CTS信號的節(jié)點在節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)期間都將不會向節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)。由于無線傳輸?shù)牟灰?guī)則性，節(jié)點C接收不到節(jié)點B發(fā)送的信號，但是節(jié)點B可以接收到節(jié)點C發(fā)送的信號。所以節(jié)點C在節(jié)點A和節(jié)點B通信期間向節(jié)點B發(fā)送信號，也會給節(jié)點B帶來沖突。第一百零九頁，共127頁。2.對路由層的影響

物理層非理想特性對路由層的影響表現(xiàn)在反向路徑和鄰居發(fā)現(xiàn)。由于無線傳輸?shù)牟灰?guī)則性，使得反向路徑技術(shù)的路由協(xié)議在反向鏈路可能會出現(xiàn)斷鏈問題，如圖2-23所示。第一百一十頁，共127頁。

圖2-23對反向路徑的影響第一百一十一頁，共127頁。源節(jié)點A到目的節(jié)點D建立一條路徑，反向路徑技術(shù)要求在目的節(jié)點D到源節(jié)點A反向再建立一條反向鏈路。由于無線傳輸?shù)牟灰?guī)則性，在中間節(jié)點B和C之間，節(jié)點C可以接收節(jié)點B發(fā)來的信號，但是節(jié)點B卻接收不到節(jié)點C的信號，因此造成了反向路徑技術(shù)中反向鏈路的斷鏈。

鄰居發(fā)現(xiàn)技術(shù)是基于地理位置路由協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)。但是如果鏈路出現(xiàn)非對稱性，會使得路由表出現(xiàn)死區(qū)，如圖2-24所示。第一百一十二頁，共127頁。

圖2-24對鄰居路由的影響第一百一十三頁，共127頁。節(jié)點A首先廣播信標幀(Beacon)建立自己的路由表，然后在這個路由表的其他節(jié)點可以發(fā)送數(shù)據(jù)到節(jié)點A。由于無線傳輸?shù)姆菍ΨQ性，節(jié)點D可以接收到節(jié)點A的Beacon，成為節(jié)點A的鄰居節(jié)點，但是節(jié)點A接收不到節(jié)點D發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果節(jié)點D不嘗試加入其他的路由表，將會陷入死區(qū)。第一百一十四頁，共127頁。

射頻前端是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點物理層的重要單元之一，是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗的主要模塊。一般情況下，射頻前端集成在射頻芯片中。射頻前端功耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重要的研究方向之一。2.7射頻前端分析第一百一十五頁，共127頁。2.7.1射頻前端功耗

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的射頻前端由發(fā)射單元和接收單元組成。發(fā)射接收單元一般主要由功率放大器、混頻器、低噪聲放大器、鎖相環(huán)PLL、調(diào)制解調(diào)器和濾波器組成，如圖2-25所示。第一百一十六頁，共127頁。

圖2-25發(fā)送/接收單元結(jié)構(gòu)圖第一百一十七頁，共127頁。其中各部分的功能如下：

功率放大器：射頻通信前