物理层及信道接入技术

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1、无线传感器网络技术及其应用课程目录2.12.2物理层相关技术信道接入技术IEEE802.15.4标准2.32.4ZigBee标准2.1物理层相关技术前言在无线传感器网络中，物理层是数据传输的最底层，向下直接与传输介质相连，物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵循的底层协议。物理层的设计是无线传感器网络协议性能的决定因素。2.1物理层相关技术频率分配物理层设计2.1.12.1.22.1物理层相关技术频率分配导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可以将信息加载到无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变

2、化又会在导体中产生电流，通过调制将信息从电流变化中提取出来，就达到信息传递的目的。2.1.1无线电波的定义无线电波是指在自由空间全方位传播的射频频段的电磁波，可以很容易产生，也可以穿透建筑物体，因此被广泛应用于无线通信中。无线电波的原理2.1物理层相关技术频率分配ISM（Industrial-Scientific-Medical）频段是指特别为工业、科学、医学应用而保留的频率范围。ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，发射功率要求在1W以下，无需任何许可证。ISM频段频率说明13.553～15.567MHz26.957～27.283MH

3、z40.66～40.70MHz433～464MHz欧洲标准902～928MHz美国标准2.4～2.5GHz全球WPAN/WLAN5.725～5.875GHz全球WPAN/WLAN24～24.25GHzISM波段一些频率及说明2.1.12.1物理层相关技术频率分配2.1.1频段的选择频率的选择直接决定无线传感器网络节点的无线尺寸、电感的集成度以及节点功耗，对于无线传感器网络来说，必须根据实际应用场合来决定。2.1物理层相关技术频率分配物理层设计2.1.12.1.22.1物理层相关技术物理层设计2.1.2物理层的设计目标以尽可能少的能量消耗获得

4、较大的链路容量物理层需要考虑的问题编码调制技术通信速率通信频段2.1物理层相关技术物理层设计分类窄带扩频UWB成本343功耗254低传输范围和低速率354抗干扰能力154抗背景噪声能力252同步难易度322频谱利用率245多播能力134编码调制技术13种编码调制技术性能比较常见的编码调制技术⑴窄带调制技术⑵扩频调制技术⑶超宽带UWB调制技术2.1.22.1物理层相关技术物理层设计提高数据传输速率可以减少数据收发时间，对于节能有一定的好处，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。通信速率22.1.22.1物理层相关技术物理层设计通信频率的选择

5、32.1.2ISM波段是首要的选择ISM波段在高频和特高频的频率范围上都有分布，但信号在不同的频度上传播特性、功率消耗以及对器件性能和天线要求却是有很大区别。频率的选择是影响无线传感器网络性能、成本的一个重要参数.2.1物理层相关技术物理层设计2.1.2从天线长度的角度从功耗的角度从节点物理层集成化的角度在ISM13.5MHz，如果采用对偶天线，天线长度为5.6m，显然要求这么长的天线很不适合小体积的无线传感器网络节点；对于ISM2.4GHz，其采用对偶天线，天线长度为3.1cm，这么高的频率就可以将节点做的很小，也有利于天线的MEMS集成

6、。在传输相同的有效距离时，载波频率越高消耗能量越多;并且根据自由空间无线传输损耗理论可以知道，波长越短其传输损耗越大，也就意味着高频率需要更大的发射功率来保证一定的传输距离。从节点的物理层集成化的角度：虽然当前的CMOS工艺已经成为主流，但是对大电感的集成化还是一个非常大的挑战，随着深亚微米工艺的进展，更高的频率更易于电感的集成化设计，这对于未来节点的完全SOC设计是有利的，所以频段的选择是一个非常慎重的问题。课程目录2.12.2物理层相关技术信道接入技术IEEE802.15.4标准2.32.4ZigBee标准2.2信道接入技术无线传感器网

7、络信道接入技术概述基于竞争的信道接入技术基于固定分配的信道接入技术按需分配的信道接入技术无线传感器网络信道接入技术面临的挑战2.2.12.2.22.2.32.2.42.2.52.2信道接入技术无线传感器网络信道接入技术概述目前，对大多数传感器硬件平台而言，无线通信模块是传感器节点能量的主要消耗者，而MAC子层直接与物理层连接，所以MAC协议节能效率的好坏将严重影响网络的生命周期。在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：①能源的有效性②可扩展性⑤可靠性④分布式算法③性能的综合测评2.2.12.2信道接入技术无线传感器网络

8、信道接入技术概述小结无线传感器网络信道接入的研究，其关键就是设计出优秀的MAC协议。本书针对用户不同的应用需求将传感器网络的MAC协议分为3个大类。2.2.12.2信道接入技术无