WSN03 物理层设计¶

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基于RF通信的WSN物理层设计¶

物理层的作用：使用物理信号完成比特流传输

RF点对点通信框图¶

Overview

信道编码¶

传送门：

概念回顾：

码率 | 码距 | 线性分组码 | 模二加 | 汉明码
生成矩阵 | 监督矩阵 | 纠检错 | 矫正子与错误图样

调制¶

分为窄带、扩频(宽带)与超宽带

窄带特征：带宽远远小于中频
窄带调制：调幅、调频、调相

为解决QPSK跳变对硬件电路高压摆率的压力，增添OQPSK

延迟其中一路码元半个周期，使得最多只有1bit的变化

直接扩频 DSSS（回忆通信原理）
跳频扩频 FHSS

超宽带

Q&A

Q：什么是二进制调制？

A：二进制调制是一种基本的数字调制方式，它使用两种不同的波形分别表示二进制数字 1 和 0。常见的二进制调制方式包括幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等，这些方式都基于改变载波信号的幅度、频率或相位来区分 1 和 0。

Q：什么是M进制调制？

A：M 进制调制是一种更高级的数字调制技术，其中 M=2^n，n 表示每个符号所包含的比特数。例如，当 M=4 时，即 4 进制调制，每个符号可以表示 2 个比特的信息（因为 2^2=4）。

Q：比较二进制调制与M进制调制，对于设计一个节能的WSN，我们应该选取哪种调制？

A：在设计一个节能的无线传感器网络（WSN）时，需要综合考虑二进制调制和 M 进制调制的优缺点。二进制调制的电路简单，所需的发射功率较低，且在起振时间较长的情况下，其能量效率较高。而 M 进制调制虽然可以缩短发送时间，降低通信持续时间，但需要更高的发射功率和更复杂的收发机电路，且随着 M 的增加，调制电路与频率合成器的功率消耗会显著增加。因此在大多数情况下二进制调制更适合用于节能的 WSN 设计。

无线信道¶

EM波传播现象

即产生多径效应，表现为

多路叠加
衰减
接收信号/功率为随机变量（过程）

衰减计算

此事在无线通信中亦有记载

令发射信号功率、收发距离和接收信号平均功率分别为

定义路径损耗（Pass Loss）

\[\mathrm{PL}(d)=\frac{P_t}{P_r(d)}\]

用dB表示，有

\[\mathrm{PL}(d)[\mathrm{dB}]=10\mathrm{log}\frac{P_{t}}{P_{r}(d)}=10\mathrm{log}P_{t}-10\mathrm{log}P_{r}(d)=P_{t}[dB]-P_{r}(d)[\mathrm{dB}]\]

当用dB表示，则变换为加减

再变换，有

\[PL(d)[\mathrm{dB}]=PL(d_0)[\mathrm{dB}]+10\eta\log_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right)\]

其中，

\(PL(d_0)\)为参考位置路径损耗（距离\(d_0\)处的路径损耗）
\(\eta (2\leq \eta \leq 6)\)为路径损耗指数，随环境复杂度提高而上升

多径效应/衰落

衰落是指由于信道的变化导致接收信号的幅度发生随机变化的现象

多径下的随机接收功率模型

\[P_r(d)[\mathrm{dB}]=P_t[\mathrm{dB}]-\mathrm{PL}(d)[\mathrm{dB}]\]

\[PL(d)=PL(d_0)[\mathrm{dB}]+10\eta\log_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right)+X_{\sigma}（均值为0的高斯随机变量）\]

信道可靠性指标¶

BER描述调制信道环境，体现解调误码率
PER描述编码信道环境，体现译码误包率

要降低PER，需要降低BER | 使用更高效的纠检方法

给定BER计算PER¶

假设使用(n,k)分组码，一数据帧长度共L bit，且至多可纠t个错误

则有分组数\(\frac{l}{k}\)

那么一个分组仍然出错的概率就是

\[\sum_{i=t+1}^n\binom{n}{i}p_b^i(1-p_b)^{n-i}\]

只要有一个组出错，数据帧被视为出错；则一个数据帧出错的概率为

1-P{所有组都不出错}

\[1-(1-\sum_{i=t+1}^n\binom{n}{i}p_b^i(1-p_b)^{n-i})^{l/k}\]

第三次课后练习题

二进制调制所需要的能耗必然比M进制大（×，没有必然联系，甚至小一点 | 但误码率是最低的）
调频扩频通信不适合WSN（×，WSN调制方式有窄带、扩频和超宽带三种方式）
PL的定义为接收/发送信号功率（×，反了）
OQPSK与QPSK相比，可避免因两比特同时变换造成的信号幅值突变问题（√）
多径传输中，两个相近的接收天线的瞬时接收功率相近（×，考虑相位引起的波动 | 平均接收功率服从大尺度损耗，是相近的）
降低BER可以降低PER（√）

BER的决定性因素¶

接收SNR
包含信道衰减与多径效应
为随机变量
调制与解调方法

简化的信道模型¶

取随机过程的均值代替瞬时分析

圆盘图表单元模型

存在门限，用于区分可靠|不可靠通信

单位圆图模型（Unit Disk Graph Model）下有误码率

\[p_b^{udg}=\begin{cases}0&\mathrm{if}d\leq r_{comm}\\0.5&\mathrm{if}d>r_{comm}&\end{cases}\]

统计信道模型

添加模糊过渡区间

本课程所采纳的物理层标准¶

IEEE 802.15.4 物理层标准