物理层的通信技术

1、物理层是无线传感网通信协议的底层，决定数据的发送和接收，是传感器节点能量消耗的主要部分

2、物理层的链路特征

①通信频率

由于在6GHz要以下频段的波形可以进行很好的整形处理，能较容易的滤除不期望的干扰信号，所以大多数射频系统都采用这个范围的频段，从而在选频主要考虑以下两点：

（1）在公用的ISM频段，由于没有使用限制，任何系统可能会对其它系统（在同一频段内使用相同或不同的技术）产生噪声干扰。因此，在这些频段中的所有系统有强大的防干扰能力。共存需要涉及物理层和MAC层，但要求分配一些特定的适合传感网的独家频谱是相当困难的事情

（2）在传输系统中的一个重要参数是天线的效率，其定义为天线辐射功率与总输入功率之比。外形小巧的无线传感器节点期望的是只允许采用小型天线。一般情况下，由于天线尺寸小于波长，因此效率会有所降低，必须采用一定措施才能实现固定的辐射频率

②无线通信通道

（1）自由空间信道

自由空间信道是一种理想的的无线信道，它是无阻挡、无衰落、非时变的自由空间传播信道

（2）多径信道

到达接收天线的信号可能存在多种反射波，这种现象称为多径传播，对于无线传感网来说，其通信大多是节点间短距离、低功率传输，且一般离地面较近，所以对于一般的场景可以认为它主要存在三条路径:障碍物反射、直射和地面发射

1）反射和折射：当一个电磁波信号从一种介质A传播到另一种介质B表面时，如果两种介质之间的边界是平滑的，且介质B的边长远远大于信号波长，则传播信号的一部分会被反射回介质A，此现象称为发射。另一部分可能进入介质B，称为发射波；而其余的部分则被吸收掉

2）散射：当信号传播碰撞到小于信号波长障碍物时，它可能发生多次反射，并弥散许多方向

3）衍射：依据惠根思定理，信号波形上的任意一点可以被认为是一个新的波源。当一个传播的波形碰到一个尖锐的边缘或孔隙时，会发生传播方向弯曲现象，即衍射。孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著

③调制解调技术

1）模拟调制

2）数字调制

3）UWB调制技术

4）扩频通信技术

3、物理层的设计

（1）物理层帧结构

物理帧的第一个字段是前导码，字节数一般取4，用于收发器进行码片或者符号的同步。第二个字段是帧头，长度通常为1字节，表示同步结束，数据包开始传输。帧头与前导码构成了同步头

帧长度字段通常由一个字节的低7位表示，其值就是后续的物理层PHY负载的长度，因此它的后续PHY负载的长度不会超过127个字节

物理帧PHY的负载长度可变，被称为物理服务数据单元，它携带PHY数据包的数据，PSDU域就是物理层的载荷

（2）物理层实计要素

1）设计需求

一、需要保持较小的发射频率

二、无线通信模块能够适应低准确度的晶振，可以克服较大的载波频偏和采样频偏

三、无线通信技术必须能够与上层的协议栈进行配合工作，以降低信息传输的功耗

四、无线传输模块在设计上不能过于复杂

五、重点解决网络的共存问题

4、典型的物理层通信技术

（1）近距离无线通信技术

1）ZigBee

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术，它主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反映时间数据传输的应用

2）红外通信技术

红外通信系统主要应用于设备互连，还可以作为信息网关

3）蓝牙

蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术

4）WiFi

5）UWB

（2）广域网无线通信技术

1）GPRS和EDGE

2）WiMAX

3）3G

4）LTE