物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)-無(wú)線傳感網(wǎng)-第二課-徐憲清74-wenkub
2023-02-04 19:48:16 本頁(yè)面
【正文】 點(diǎn)主要是功率受限，另外與現(xiàn)有多種無(wú)線通信應(yīng)用存在相互干擾問(wèn)題。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的特點(diǎn) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的一種類型，因此它包含了上述介紹的無(wú)線通信物理層技術(shù)的特點(diǎn)?？苟鄰礁蓴_ 。 擴(kuò)頻技術(shù)的 優(yōu)點(diǎn) 包括：易于重復(fù)使用頻率，提高了無(wú)線頻譜利用率 。 ?調(diào)制部分的目的是使經(jīng)信道編碼后的符號(hào)能在適當(dāng)?shù)念l段傳輸，通常使用的數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式分為振幅鍵控 ASK、頻移鍵控 FSK、移相鍵控 PSK。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 典型擴(kuò)頻通信的一般工作原理如圖 2所示。 CDMA蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)就是采用直擴(kuò)方式獲得擴(kuò)頻信號(hào)的。 在通常通信系統(tǒng)中，為了提高頻帶利用率，通常都是盡量采用大體相當(dāng)?shù)膸挼男盘?hào)來(lái)傳輸信息。由于振幅鍵控信號(hào)的抗噪聲性能不夠理想，因而目前在無(wú)線通信中廣泛應(yīng)用的調(diào)制方法是頻率鍵控和相位鍵控。 該參量可以是信號(hào)的幅度、頻率或相位 。根據(jù)調(diào)制中采用的基帶信號(hào)的類型，可以將調(diào)制分為 模擬調(diào)制 和 數(shù)字調(diào)制 。通常信號(hào)源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號(hào)。如果采用高頻傳輸，則它趨于直線傳播，且受障礙物阻擋的影響。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 無(wú)線電波是容易產(chǎn)生，可以傳播很遠(yuǎn)，可以穿過(guò)建筑物，因而被廣泛地用于室內(nèi)或室外的無(wú)線通信。電磁波是最主要的無(wú)線通信介質(zhì)，而聲波一般僅用于水下的無(wú)線通信。 ④ 規(guī)程特性 。它規(guī)定了在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流時(shí)，線路上信號(hào)電平高低、阻抗以及阻抗匹配、傳輸速率與距離限制。 ③其他管理工作。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (International Organization for Standardization, IOS)對(duì)開放系統(tǒng)互聯(lián) (Open System Interconnection， OSI)參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間的二進(jìn)制比特傳輸?shù)奈锢磉B接，提供機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程性的特性。集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) The Inter of Things Technology 徐憲清 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 通常傳感器節(jié)點(diǎn)的通信覆蓋范圍只有幾十米到幾百米，人們要考慮如何在有限的通信能力條件下，完成探測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。 從定義可以看出，物理層的特點(diǎn)是負(fù)責(zé)在物理連接上傳輸二進(jìn)制比特流，并提供為建立、維護(hù)和釋放物理連接所需要的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程的特性。 如信道狀態(tài)評(píng)估、能量檢測(cè)等等 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 通常物理接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理接口的四個(gè)特性進(jìn)行了描述： ① 機(jī)械特性 。 ③ 功能特性 。它定義了信號(hào)線進(jìn)行二進(jìn)制比特流傳輸線的一組操作過(guò)程，包括各信號(hào)線的工作規(guī)則和時(shí)序。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，電磁波分為無(wú)線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無(wú)線電波在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛。無(wú)線電波是全方向傳播信號(hào)的，它能向任意方向發(fā)送無(wú)線信號(hào)，所以發(fā)射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對(duì)準(zhǔn)。無(wú)線電波易受發(fā)動(dòng)機(jī)和其它電子設(shè)備的干擾?；鶐盘?hào)往往不能作為傳輸信號(hào)，因而要將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號(hào)，以便于進(jìn)行信道傳輸。 模擬調(diào)制 是用模擬基帶信號(hào)對(duì)高頻載波的某一參量進(jìn)行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號(hào)的變化而變化。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 根據(jù)原始信號(hào)所控制參量的不同，調(diào)制分為 幅度調(diào)制 （ Amplitude Modulation, AM）、 頻率調(diào)制 （ Frequency Modulation, FM）和 相位調(diào)制 （ Phase Modulation, PM）。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 (3)擴(kuò)頻技術(shù) 擴(kuò)頻又稱為擴(kuò)展頻譜，它的定義如下：擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)和恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。而擴(kuò)頻通信的信號(hào)帶寬與信息帶寬之比則高達(dá) 100～ 1000，屬于寬帶通信。這種很窄的脈沖碼序列（其碼速率很高）稱為擴(kuò)頻碼序列。 圖 2 典型的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型 擴(kuò)頻通信的工作原理 信道 由圖 2可看出，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)主要由原始信息、信息調(diào)制（信源編譯碼、信道編譯碼）、載波調(diào)制與解調(diào)、擴(kuò)頻調(diào)制與解調(diào)和信道六大部分組成。 ?擴(kuò)頻調(diào)制和解調(diào)是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力而進(jìn)行的信號(hào)頻譜展寬和還原?？垢蓴_性強(qiáng)，誤碼率低 。能精確地定時(shí)和測(cè)距 。 目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信傳輸介質(zhì)主要是 無(wú)線電波 、 紅外線 和 光波 三種類型。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 盡管傳感器網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)其它方式實(shí)現(xiàn)通信，譬如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無(wú)線電波是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流通信方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信的另一種手段是紅外技術(shù)。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 對(duì)于一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用情況，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)通信傳輸介質(zhì)可能有特別的要求。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 物理層幀結(jié)構(gòu) 物理幀的第一個(gè)字段是前導(dǎo)碼，字節(jié)數(shù)一般取 4，用于收發(fā)器進(jìn)行碼片或者符號(hào)的同步。 物理幀 PHY的負(fù)載長(zhǎng)度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元 (PHY Service Data Unite, PSDU)，攜帶 PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)， PSDU域是物理層的載荷 。一般用單個(gè)比特的收發(fā)能耗來(lái)定義數(shù)據(jù)傳輸對(duì)能量的效率，單比特能耗越小越好。目前基于該標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片也相繼推出，例如 Chipcon公司的 CC2420無(wú)線通信芯片，現(xiàn)在的SoC的 CC24 CC2530等。為了解決這些問(wèn)題，就需要設(shè)計(jì)介質(zhì)訪問(wèn)控制(Medium Access Control， MAC)協(xié)議。無(wú)線信道時(shí)分復(fù)用 (Time Division Multiple Access， TDMA)方式給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配固定的無(wú)線信道使用時(shí)段，避免節(jié)點(diǎn)之間相互干擾。 集成電路與物聯(lián)網(wǎng)工程 (3) 競(jìng)爭(zhēng)與固定分配相結(jié)合的接入方式 。在無(wú)線局域網(wǎng) IEEE MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式中，就采用了帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(wèn) (CSMA with Collision Avoidance， CSMA/CA)協(xié)議，它是基于競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)
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