1、1 1第2章 物 理 層2.1 概述概述2.2 頻率分配頻率分配2.3 通信信道通信信道2.4 調制與解調調制與解調2.5 物理層設計物理層設計2.6 非理想特性非理想特性2.7 射頻前端分析射頻前端分析小結小結2 2本章目標 理解頻率分配。 掌握通信信道的概念。 理解信號的調制與解調。 理解物理層的幀結構。 理解物理層的功能和服務原語。 了解物理層的非理想特性。 了解射頻前端低功耗設計。3 3學習導航4 4WSN協議棧的五層模型，分別對應OSI參考模型的物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。OSI的物理層為設備之間的數據通信提供傳輸媒質及互聯設備，為數據的傳輸提供可靠的環境。WSN的物

2、理層主要負責傳輸媒質的選擇、頻段的選擇、數據的調制與解調及數據的發送與接收，是決定WSN節點體積、成本以及能耗的關鍵因素，是無線傳感器網絡協議性能的決定因素。2.1 概述概述5 5本章主要研究物理層的一些關鍵問題，并進行節能優化的探討，所以本章首先介紹無線通信的基礎知識：頻段的劃分、無線信道的調制解調，然后對物理層幀結構和射頻前端低功耗性能進行深入的分析。6 6在無線通信系統中，頻率波段的選擇非常重要。由于6 GHz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，所以目前大多數射頻系統都選擇采用這個范圍的頻段。2.2 頻率分配頻率分配7 7無線電頻段的劃分和無線電波段的劃

3、分相對應。各個國家和地區對無線電設備使用的頻段、特定應用環境下的發射功率等作了嚴格的規定。中國無線電管理機構對無線電頻段的劃分如所示。8 8表2-1 頻段劃分及主要用途9 9無線傳感器網絡在頻段的選擇上也必須按照相關的規定來使用。目前，無線傳感器網絡節點基本上都采用ISM(工業、科學、醫學)波段。ISM頻段是對所有無線電系統都開放的頻段，發射功率要求在1W以下，無需任何許可證，其波段頻率說明如所示。10 10表2-2 波段頻率說明11 11盡管頻段的選擇由很多因素決定，但對于無線傳感器網絡來說，必須根據實際應用場合來選擇。因為頻率的選擇決定了無線傳感器網絡節點的天線尺寸、電感的集成度以及節點功

4、耗。12 12信道是信號傳輸的媒質。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。無線傳感器網絡物理層主要采用無線信道。2.3 通信信道通信信道13 132.3.1 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。14 14圖2-1 自由空間信道模型15 15自由空間信道模型，假定A點是信號的發射源，B點是接收機，d是發射源與接收機之間的距離，信號發射源的天線輻射功率為Pt。在距離發射源A點d處的接收機B點的空間上任意一點(相當于面積為4d

5、2的球面的單位面積)的發射功率密度為P0： (2-1)式中，Pt/P0=4d2，稱為傳播因子。2t02(W/m )4PPd16 16在實際無線通信系統中，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，接收天線增益與天線有效面積Ae的關系為2t12(W/m )4PGd17 17 (2-2)則與發射機相距d的接收機接收到的信號載波功率為 (2-3)將式

6、(2-1)代入式(2-3)中得 (2-4)令，那么式(2-4)可以變形為 (2-5)22e4GAt1er2(W)4PG APd2t1212r22 (W)44(4 / )tPGGPGGPddt12rfs (W)PGGPL2fs(4 / )Ld18 18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射天線的發射功率之間的關系。其中Lfs稱為自由空間傳播損耗，只與和d有關。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)t12rafs (W)PGGPL L19 19收、發天線之間的損耗L可以表

7、示為 (2-7)tafsr12PL LLPGG20202.3.2 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。21 21圖2-2 無線多徑傳輸示意圖2222在無線通信領域，多徑是指無線電信號傳輸過程中會遇到障礙物的阻擋，從發射天線經過幾個路徑抵達接收天線的傳播現象(這種現象多出現在分米波、厘米波和毫米波段)，例如樓房或者高大的建筑物、山丘等，對電波產生反射、折射或者衍射等，如圖2-3所示。2323圖2-3 造成多徑傳播的原因2424對于無線傳感器網絡來說，其通信大都是以節點間短距離、低功耗傳輸，

8、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)，導致接收信號呈衰落狀態(衰落或者相移)，使信號產生誤碼，所以在設計無線傳感器網絡物理層時要考慮信號的多徑衰落。25252.3.3 加性噪聲信道加性噪聲一般指熱噪聲(導體中自由電子的熱運動)、散彈噪聲(真空管中電子的起伏發射和半導體中載流子的起伏變化)，它們與信號之間的關系是相加的，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

9、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、開關接觸噪聲、工業的點火輻射即熒光燈干擾等。2626圖2-4 加性噪聲信道數學模型2727 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。 內部噪聲：來源于系統設備本身產生的各種噪聲。例如：在電阻一類的導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學模型如圖2-4所示。2828這是目前通信系統分析和設計中主要應用的信道模型，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)( )( )( )r ta

10、s tn t29292.3.4 實際環境信道實際環境中的無線信道往往比較復雜，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。考慮到Friis方程主要針對遠距離理想無線通信，對于無線傳感器網絡、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1 m；n的取值與傳輸環境有關。20rt1204ndPPGGdd 3030對于較為復雜的環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境與距離的路徑損耗變化，即在1 md10 m時n取2，在10 md20 m時n取3，在20

11、 md40 m時n取12。 (2-10)fs20lg1 m10 m2030lg10 m20 m102960lg20 m40 m2047120lg40 m40ddddLLdddd31 31調制與解調是為了能夠在可容忍的天線長度內實現遠距離的無線信息傳輸，在通信系統中占有重要地位。調制與解調是通過射頻前端(詳見2.7節)的調制解調器實現的。本節詳細介紹了模擬調制、數字調制、無需載波的UWB通信技術以及擴頻通信技術。2.4 調制與解調調制與解調32322.4.1 模擬調制模擬調制作用的實質是把各種信號的頻譜搬移，使它們互不重疊地占據不同的頻率范圍，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

12、頻率的信號，避免互相干擾。3333模擬調制的目的： 信道傳輸頻率特征的需要。 實現信道復用。 改善系統的抗噪聲性能，或通過調制來提高系統頻帶的利用率。采用不同的調制技術對系統性能將產生很大的影響。以一個簡單的正弦波S(t)為例： (2-11)( )( )sin2 ( )( )S tA tf tt3434式中，正弦波S(t)為載波，基于正弦波的調制技術即對其參數幅度A(t)、頻率f (t)和相位進行相應的調整，分別對應調制方式的幅度調制(AM)、頻率調制(FM)和相位調制(PM)。由于模擬調制自身的功耗較大且抗干擾能力及靈活性差，正在逐步被數字調制技術替代。但是當前模擬調制技術在上下變頻處理中起

13、著無可代替的作用。35352.4.2 數字調制數字調制就是將數字信號變成適合于信道傳輸的波形，調制信號為數字基帶信號。調制的方法主要是通過改變幅度、相位或者頻率來傳送信息。用數字信號來進行ASK(幅度調制)、FSK(頻率調制)和PSK(相位調制)。每種類型又有很多不同的具體形式，如基于ASK變形的正交載波調制技術、單邊帶技術、殘留邊帶技術和部分響應技術等；基于FSK的CPFSK(連續相位)與NCPFSK(非連續相位調制)以及基于PSK的多相PSK調制等。3636調制的基本原理是用數字信號對載波的不同參量進行調制，即 (2-12)載波S(t)的參量包括幅度A、頻率w和初相位，調制就是要使A、 w

14、或隨數字基帶信號的變化而變化。其中，ASK調制方式是用載波的兩個不同振幅表示0和1；FSK調制方式是用載波的兩個不同頻率表示0和1；PSK調制方式是用載波的起始相位變化表示0和1。( )cos( )S tAtw3737圖2-5 ASK調制電路結構圖38381. ASK調制ASK調制電路結構圖如圖2-5所示，其中S(t)為載波，d(t)為數字信號。這種調制方式最大的特點是結構簡單、易于實現。ASK的調制波形即為載波S(t)與數字信號d(t)的乘積，其調制波形圖如圖2-6所示。3939圖2-6 ASK調制波形圖40402. FSK調制FSK是信息傳輸中使用較早的一種調制方式。它的主要優點是實現起來

15、較容易，抗噪聲與抗衰減的性能比較好，因此在中低速數據傳輸中得到了廣泛的應用。FSK是利用兩個不同F1和F2的振蕩源(即載波F1和載波F2)來實現頻率調制，具體實現如下： (2-13)式中， ， )。012( )() cos() cosnSnSe ta g tnTta g tnTtww11() cosnSFa g tnTtw22() cosnSFa g tnTtw41 41以2FSK(二進制FSK)調制為例，用數字信號的1和0分別去控制兩個獨立的振蕩源交替輸出。2FSK信號的產生原理框圖如圖2-7所示。其調制波形圖如圖2-8所示，其中d(t)為數字信號。4242圖2-7 2FSK信號產生原理框圖

16、4343圖2-8 2FSK調制波形圖44443. PSK調制PSK相移鍵控調制技術(調相技術)在數據傳輸中，尤其是在中速和中高速(2400 b/s4800 b/s)的數傳機中得到了廣泛的應用。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。4545在PSK調制時，載波的相位隨調制信號狀態的不同而改變。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；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

17、。當傳輸數字信號時，0控制發同相相位，1控制發反相相位。以2PSK(二進制PSK)調制為例，載波相位只有0和兩種取值，分別對應調制信號的0和1。4646傳送信號1時，發起始相位為的載波；當傳送信號0時，發起始相位為0的載波。2PSK的調制原理如圖2-9所示，調制波形圖如圖2-10所示，其中d(t)為數字信號。4747圖2-9 2PSK的調制原理4848圖2-10 2PSK調制波形圖49492.4.3 UWB通信技術超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)無線通信技術是近年來備受青睞的短距離無線通信技術，是一種可實現短距離高速信息傳輸的技術，主要應用于無線USB和音頻/視頻傳輸。由于其具

18、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之一。美國聯邦通信委員會(FCC)對UWB的定義為：信號帶寬大于500 Hz，或帶寬與中心頻率之比大于25%的帶寬為超寬帶。5050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為系統最高頻率，fL為系統最低頻率。FCC還規定，UWB無線通信的頻率范圍是3.1 GHz10.6 GHz。HLHLcHLHL22fffffffff51 51UWB的收發機與傳統的無線收發機相比結構相對簡單。UWB發射機直接發送納秒級脈沖來傳輸數據而不需要使用載波電

19、路，經調制后的數據與“偽隨機碼產生器”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”產生的時延控制“脈沖信號發生器”的發送時刻。UWB發射機框圖如圖2-11所示。5252圖2-11 UWB發射機框圖5353在接收端采用相關器進行接收，如圖2-12所示為UWB接收機框圖，其中虛線部分為相關器。相關器由乘法器、積分器和取樣/保持三部分電路組成。5454圖2-12 UWB接收機框圖5555相關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/保持電路中解調數據，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

20、證相關器正確解調出數據。與傳統的窄帶收發信機相比，UWB技術具有以下優點： 占有頻帶寬，傳輸速率高。UWB使用的帶寬在1 GHz以上，數據傳輸率高，目前在10 m范圍內其傳輸速率可以達到420 Mb/s。5656 保密性好。UWB保密性表現在兩方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發送端擴頻碼才能解出發射數據；另一方面是系統的發射功率譜密度極低，對于一般的通信系統，UWB信號相當于白噪聲信號，用傳統的接收機無法接收。 抗多徑衰落。UWB每次發射的脈沖時間短，當發射波來時已經接受完畢，因此抗多徑衰落能力較強。 無載波通信，功耗低，收發設備簡單。采用納秒級脈沖寬度的周期性非正弦高斯短脈沖信號傳

21、輸信息，5757通信設備使用小于1 mW的發射功率就能實現通信，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，因此相對于傳統的窄帶信號來說簡化了收發設備。 58582.4.4 擴頻通信1. 概述擴頻通信是將待傳送的信息數據經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及相關處理，恢復出原始信息數據。典型的擴頻收發機結構如圖2-13所示。5959圖2-13 擴頻收發機結構圖6060擴頻通信的理論基礎是從信息論和抗干擾理論的基本公式中引申而來的，如信息論中的香農公式為 (2-5)2log (1/)CBS N61 61式中，C是信道

22、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。62622. 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。 信息的頻譜經過相關處理后恢復成窄帶信息數據。由于這兩大特點，使擴頻通信具有以下優點：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、可多址復用和任意選址以及易于高精度測量等。63633. 分類按照擴展頻譜的方式不同，現有的擴頻通信系統可

23、以分為以下幾類： 直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)工作方式，簡稱直擴(DS)方式。 跳變頻率(Frequency Hopping)工作方式，簡稱跳頻(FH)方式。6464 跳變時間(Time Hopping)工作方式，簡稱跳時(TH)方式。 寬帶線性調頻(Chirp Modulation)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上組合起來，構成各種混合方式，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。6565物理層(Physical Layer，PHY)的主要功能是在

24、一條物理傳輸媒體上，實現數據鏈路實體之間透明地傳輸各種數據的比特流。它為鏈路層提供的服務包括：物理層連接的建立、維持與釋放，物理服務數據單元的傳輸，物理層管理，數據編碼。2.5 物理層設計物理層設計66662.5.1 相關概念1. 服務原語無線傳感器網絡協議棧是一種分層結構，第N層向第N+1層提供一組操作(也叫服務)，這種操作叫做服務原語，它一般通過一段不可分割的或不可中斷的程序實現其功能。第N+1層調用第N層提供的服務原語以實現層和層之間的信息交流。6767 注意 這里要區分“服務原語”和“協議”的區別：“協議”是兩個需要通信的設備在同一層之間如何發送數據、如何交換幀的規則，是“橫向”的；而

25、“服務原語”是“縱向”的層和層之間的一組操作。68682. 服務訪問接口服務訪問接口(Service Access Point，SAP)是某一特定層提供的服務與上層之間的接口。這里所說的接口是指不同功能層的通信規則。服務訪問接口是通過服務原語實現的，其功能是為其他層提供具體服務的。物理層服務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。69692.5.2 幀結構物理層數據幀稱為物理層協議數據單元(PHY Protocol Data Unit)。無線傳感器網絡物理層數據幀結構目前還沒有一個統一的標準，目前最廣泛使用的無線傳感器網絡的物理層和MAC層協議為IEEE802.15.4

26、標準協議，其物理層數據幀結構如圖2-14所示，由同步頭、物理幀頭和PHY負載構成。7070圖2-14 物理層幀結構71 71同步頭包括前導碼和幀起始分隔符(Start-of-Frame Delimiter，SFD)，物理幀頭包括幀長度和保留位，PHY負載包括物理服務數據單元(PHY Service Data Unit，PSDU)。 前導碼由4個字節的0組成，用于收發器進行碼片或者符號的同步。 幀起始分隔符(SFD)域由1個字節組成，表示同步結束時，數據包開始傳輸。 幀長度由7位組成，表示物理服務數據單元的字節數。7272 PSDU域是變長的，攜帶PHY數據包的數據，包含介質訪問控制協議(MAC

27、)數據單元。PSDU域是物理層的載荷。73732.5.3 物理層功能802.15.4標準的物理層所實現的功能包括數據的發送與接收、物理信道的能量檢測、射頻收發器的激活與關閉、空閑信道評估、鏈路質量指示和物理層屬性參數的獲取與設置。這些功能是通過物理層服務訪問接口來實現的。物理層主要有兩種服務接口：物理層管理實體服務訪問接口(PLME-SAP)和物理層數據實體服務訪問接口(Phy Data SAP，PD-SAP)。PLME-SAP除了負責在物理層和MAC層之間傳輸管理服務之外，7474還負責維護物理層PAN信息庫(PHY PIB)；PD-SAP負責在物理層和MAC層之間提供數據服務。PLME-S

28、AP和PD-SAP通過物理層服務原語實現物理層的各種功能，如圖2-15所示。7575圖2-15 物理層參考模型76761. 數據的發送與接收數據的發送和接收是通過PD-SAP提供的PD-DATA原語來實現物理層與MAC子層的MAC協議數據單元(MAC Protocol Data Unit，MPDU)傳輸。802.15.4標準專門定義了三個與數據相關的原語：數據請求原語(PD-DATA.request)、數據確認原語(PD-DATA.comfirm)和數據指示原語(PD-DATA.indication)。7777數據請求原語由MAC子層產生，主要用于處理MAC子層的數據發送請求。語法如下： PD

29、-DATA.request( psduLength, psdu )其中，參數psdu為MAC層請求物理層發送的實際數據，psduLength為待發數據報文的長度。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器已置于發送打開狀態，然后控制底層射頻硬件把數據發送出去。7878數據確認原語是由物理層發給MAC子層，作為對數據請求原語的響應。語法如下： PD-DATA.confirm( status )其中，原語的參數status為失效的原因，即參數為射頻收發器置于接收狀態(RX_ON)或者未打開狀態(TRX_OFF)，然后將通過數據確認原語告知上層；否則視為發送成功，即參數為SUCCESS，

30、同樣通過原語報告給上層。7979數據指示原語主要向MAC子層報告接收的數據。在物理層成功收到一個數據后，將產生該原語通告MAC子層。語法如下： PD-DATA.indication( psduLength, psdu, ppduLinkQuality )8080其中，參數PsduLength、psdu、ppduLinkQuality分別為接收到的數據長度、實際數據和根據PPDU測得的鏈路質量(LQI)。其中LQI與數據無關，是物理層在接收當前數據報文時鏈路質量的一個量化值。上層可以借助這個參數進行路由選擇。81 812. 物理能量信道的檢測協調器在構建一個新的網絡時，需要掃描所有信道(在MAC

31、層稱做ED_SCAN)，然后為網絡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絡占用，那么體現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)。8282能量檢測請求原語由MAC子層產生，為一個無參的原語。語法為：PLME-ED.request()。收到該原語后，如果設備處于接收使能狀態，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生，物理層在接收到能量檢測原語后把當前信道狀態以及當前信道的能量值返回給M

32、AC子層。語法如下：8383 PLME-ED.confirm( status, Energy Level )其中，狀態參數status將指示能量檢測失敗的原因(TRX_OFF或TX_ON)，如果設備處于收發關閉狀態(TRX_OFF)或發送使能狀態(TX_ON)，則無法進行能量檢測。在具體實現中，一般射頻芯片會使用特定的寄存器存放當前的信道狀態以及信道的能量值。84843. 射頻收發器的激活與關閉為了滿足低功耗要求，在不需要無線數據收發時，可以選擇關閉底層射頻收發器。802.15.4標準定義了相關的兩個原語：收發器狀態設置請求原語(PLME-SET-TRX- STATE.request)和收發器

33、狀態設置確認原語(PLME-SET-TRX-STATE.confirm)。收發器狀態設置請求原語由MAC子層產生。語法如下： PLME-SET-TRX-STATE.request( status )8585其中，參數status為需要設置的目標狀態，包括射頻接收打開(RX_ON)、發送打開(TX_ON)、收發關閉(TRX_OFF)和強行收發關閉(FORCE_TRX_OFF)。物理層在接收到該原語后，將射頻設置為對應的狀態，并通過設置確認原語返回。語法如下： PLME-SET-TRX-STATE.confirm( status )其中，參數status的取值為SUCCESS、RX_ON、TRX_

34、OFF、TX_ON、BUSY_RX或BUSY_TX。86864. 空閑信道評估(Clear Channel Assessment，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)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

35、狀況。8787物理層收到該原語后，如果當前的射頻收發狀態設置為接收狀態，將進行CCA操作(讀取物理芯片中相關的寄存器狀態)。CCA確認原語由物理層產生。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。如果當前射頻收發器處于關閉狀態或者發送狀態，CCA確認原語將對應返回TRX_OFF或TX_ON。88885. 鏈路質量指示高層的協議往往需要依據底層的鏈路質量來選擇路由，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軟件產生的LQI值可以用信號接收強度指示器(RSSI)

36、來表示。89896. 物理層屬性參數的獲取與設置在協議棧里面，每一層協議都維護著一個信息庫(PAN Information Base，PIB)用于管理該層，里面具體存放著與該層相關的一些屬性參數，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。802.15.4物理層也同樣維護著這樣一個信息庫，并提供4個相關原語：屬性參數獲取請求原語(PLME-GET.request)、屬性參數獲取確認原語(PLME-GET.confirm)、屬性參數設置請求原語(PLME-SET.request)、屬性參數設置確認原語(PLME-SET.confirm)。90902.5.4 成本及功

37、耗無線傳感器網絡物理層設計中，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絡節點的基本要求。只有低成本，才能將大量的節點布置在目標區域內，表現出無線傳感器網絡的各種優點。物理層的設計直接影響到整個網絡的硬件成本。節點最大限度地集成化設計、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計目前仍然是非常有挑戰性的研究工作。91 91隨著CMOS工藝技術的發展，數字單元基本上已完全可以基于CMOS工藝實現，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字化射頻收發器的研究是降低當前通信前端電路成本的主要途徑。92922.

38、功耗低功耗是無線傳感器網絡物理層設計的另一重要指標。如果要求無線傳感器網絡節點壽命更長，就要求節點的平均能耗越低。物理層調制解調方式的選擇直接影響了收發機的結構，也就決定了通信前端電路固定功耗。所以選擇合適的調制解調方法可以有效地降低功耗。9393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。由于實際電子器件的非線性特性和媒質隨周圍環境的時變性，使得物理層非理想現象給無線傳感器網絡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絡節能方面有著重要的意義。2.6 非理想特性非理想特性94942.6.1 來源對于實

39、際的無線傳感器節點平臺，物理層非理想特性具體表現為無線信號傳輸的不規則性、較長的電路轉換時間以及較低的性能。1. 無線傳輸的不規則性由T.He等人提出的DOI(Degree of Irregularity，不規則度)模型描述了無線傳輸的不規則性。該模型的思想是將傳輸的范圍分為兩個邊界，即上邊界和下邊界，如圖2-16所示，虛線分別表示上、下邊界。9595圖2-16 DOI模型9696DOI模型分為如下三種情況： 接收點與發送點的距離大于上邊界，此時所有節點都不在通信范圍之內，接收方將接收不到數據，此時沒有通信。 接收點與發送點的距離小于下邊界，此時所有節點都在傳輸范圍之內，接收方將會接收到可靠的

40、數據。此時傳輸鏈路可以認為是對稱傳輸(雙向傳輸)的。9797 接收點與發送點的距離位于上、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，此時傳輸是規則的；當DOI=0.02時，傳輸鏈路明顯顯示出不規則形狀。9898圖2-17 不規則傳輸DOI模型99992. 較長的電路轉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。100100圖2-

41、18 非匹配及連接線路引起的能量消耗101101收發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，和天線的極化方向關系也有很大關系。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。102102圖2-19 極化引起的接收模式效率的變化103103在實際應用中，電池的能量變化對實際的發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1.32 V時，接收機可收到的信號強度為-58.5 dBm；當電池消耗到1.18 V時，接收到的信號強度就衰落到-59.5 dBm。104104圖2-20 電池引起的不規則傳輸1051

42、052.6.2 影響無線傳輸的不規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協議(見3.2節)，基本上都建立在可靠的CSMA及RTS/CTS基礎上。無線傳輸的不規則性增大了載波偵聽協議中數據收發沖突的概率，如圖2-21所示。106106這是一個MAC層載波偵聽的模型，節點A向節點B發送數據，節點C不在節點A的通信范圍之內，所以節點C不能收到節點A發送的信號指令。如果在節點A向節點B發送數據的同時，節點C也向節點B發送數據，這樣就在節點B發生沖突。如果傳輸是規則的(即對稱的)，節點C能收到節點A發送的信號指令，就不

43、會出現以上的沖突。以RTS/CTS握手信號為基礎的MAC協議中也存在類似的問題，如圖2-22所示。107107 圖2-21 對MAC載波偵聽的影響108108 圖2-22 對MAC握手信號的影響109109節點A向節點B發送RTS信號，節點B在接收到RTS信號后返回CTS作為回應，網絡中所有接收到CTS信號的節點在節點A向節點B發送數據期間都將不會向節點B發送數據。由于無線傳輸的不規則性，節點C接收不到節點B發送的信號，但是節點B可以接收到節點C發送的信號。所以節點C在節點A和節點B通信期間向節點B發送信號，也會給節點B帶來沖突。1101102. 對路由層的影響物理層非理想特性對路由層的影響表

44、現在反向路徑和鄰居發現。由于無線傳輸的不規則性，使得反向路徑技術的路由協議在反向鏈路可能會出現斷鏈問題，如圖2-23所示。111111圖2-23 對反向路徑的影響112112源節點A到目的節點D建立一條路徑，反向路徑技術要求在目的節點D到源節點A反向再建立一條反向鏈路。由于無線傳輸的不規則性，在中間節點B和C之間，節點C可以接收節點B發來的信號，但是節點B卻接收不到節點C的信號，因此造成了反向路徑技術中反向鏈路的斷鏈。鄰居發現技術是基于地理位置路由協議的關鍵技術。但是如果鏈路出現非對稱性，會使得路由表出現死區，如圖2-24所示。113113圖2-24 對鄰居路由的影響114114節點A首先廣播

45、信標幀(Beacon)建立自己的路由表，然后在這個路由表的其他節點可以發送數據到節點A。由于無線傳輸的非對稱性，節點D可以接收到節點A的Beacon，成為節點A的鄰居節點，但是節點A接收不到節點D發送的數據。如果節點D不嘗試加入其他的路由表，將會陷入死區。115115射頻前端是無線傳感器網絡節點物理層的重要單元之一，是影響無線傳感器網絡節點能耗的主要模塊。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絡重要的研究方向之一。2.7 射頻前端分析射頻前端分析1161162.7.1 射頻前端功耗無線傳感器網絡節點的射頻前端由發射單元和接收單元組成。發射接收單元一般主要由功率放大器、

46、混頻器、低噪聲放大器、鎖相環PLL、調制解調器和濾波器組成，如圖2-25所示。117117圖2-25 發送/接收單元結構圖118118其中各部分的功能如下： 功率放大器：射頻通信前端主要功耗模塊之一，其主要作用是將輸入信號進行放大。假設功率放大器效率為，輸出功率為Pout，則功率放大器的平均功率為，其中Ppa為功率放大器的平均功率。 混頻器(Mixer)：射頻前端非常重要的部件之一，其功能是將接收的信號與本振產生的信號混頻，產生中頻信號。其性能直接影響接收機的接收性能。119119低功耗和高線性度是混頻器設計的主要指標。混頻器平均功率Pmixer可以表示為，其中Gmixer是混頻器的增益；Pmixer是混頻器噪