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1、第五讲：WSN物理层,中国农业大学工学院 王新电话：010-62736591E-mail：,无线传感器技术 课程讲义,教学目标,基本概念：在计算机网络中物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上传输数据的比特流。国际标准化组织(International Organization for Standardization,IOS)对开放系统互联(Open System Interconnection，OSI)参考模型中物理层的定义如下：物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接，提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性。,5.1 物理层概述,5.1 物理层概述,利
2、用电话网络进行数据通信,通常物理接口标准对物理层的四个特性进行了描述：,5.2 物理层特性,机械特性：它规定了物理连接时使用的可接插连接器的形状和尺寸，连接器中的引脚数量和排列情况等。电气特性：它规定了在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电平高低、阻抗以及阻抗匹配、传输速率与距离限制。功能特性：它规定了物理接口上各条信号线的功能分配和确切定义。物理接口信号线一般分为数据线、控制线、定时线和地线。规程特性：它定义了信号线进行二进制比特流传输线的一组操作过程，包括各信号线的工作规则和时序。,5.3 物理层协议作用,DTE 数据终端设备（DataTerminal Equipment），具有一定
3、的数据处理能力和数据收发能力的设备。DCE 数据通信设备（Data Circuit-terminating Equipment），它在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放链路的连接。,5.4 机械特性,指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列方式，定义接插及锁紧方式等。以RS-232C接口为例：,RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，定义是“DTE和DCE之间串行二进制数据交换接口技术标准”。,5.4 机械特性,RS-232C（25针）接口机械特性：,RS-232（9针）接口机械特性：,5.5 电气特性,指明接口电缆的线路上出现的电压
4、、电流、传输距离等范围。逻辑电平在TXD和RXD上：逻辑1（MARK）=-3V-15V 逻辑0（SPACE）=+3V+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON 状态，正电压）=+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V-15V由以上定义可以看出，信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3V+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义。,5.5 电气特性,指明接口电缆的线路上出现的电压、电流、传输距离等范围。,传输距离 由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况
5、下，传输电缆长度应为15m，4%码元畸变指标相对保守，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变1020%的范围工作的，所以实际使用中距离会远超过15m,最大传输距离在50m左右。,5.6 功能特性,指明某条线上出现的某一电平的电压信号表示何种意义，通信过程中完成何种功能。,5.6 功能特性,引脚连接：,5.7 规程特性,指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序，是功能事件时序的描述。,RS-232C接口工作过程,5.8 USB接口,USB:Universal Serial Bus 通用串行总线 自带电源：输出5V，500mA 支持热插拔 速度快：12M、480M、4.8G 支持即插即用：驱动
6、通用 标准统一：USB1.1，2.0，3.0 支持级联：最高可连接至127个设备,5.8 USB接口,USB 1.0/1.1：低速：1.5M 全速：12MUSB 2.0：兼容 USB 1.0/1.1 low speed 1.5Mbps full speed 12Mbps high speed 480MbpsUSB 3.0 兼容USB 1.0/1.1/2.0：8线制 全双工接口 supper speed最高速度支持4.8Gbps,5.8 USB接口,USB 2.0 接口定义：1+5V2 DATA-数据-3 DATA+数据+GND 地USB 2.0 线缆红色：电源线+5V棕色：地线黄色：DATA+
7、蓝色：DATA-采用差动传输，带填充的反向不归零NRZI编码（1由不出现电平变化来表示，而0由电平发生变化来表示）USB接口分为A、B、mini 三种接头形式,5.8 USB接口,Type-A,Type-A,Type-B,Type-B 接口,mini USB 接口,非标准的 mini USB 接口,5.8 USB接口,5.8 USB 3.0 接口,Type-A 接口,5.8 USB 3.0 接口,Type-B 接口,5.8 USB 3.0 接口,USB 3.0 接口线样品,5.8 USB 3.0接口尺寸规范,USB控制器,Root hub,hub,hub,设备,hub,设备,设备,设备,hub
8、,hub,设备,设备,设备,可级联的菊花链式连接方式，至多连接127个设备,5.9 USB设备连接模式,控制传输：双向传输，数据量通常较小，主要用来进行查询、配置和给USB设备发送通用的命令。,5.10 USB传输模式,中断传输：单向的向主机输入，用于少量的、分散的、不可预测的数据传输。键盘、游戏杆和鼠标就属于这一类型。,批量传输：应用在没有带宽和间隔时间要求的大量数据的传送和接收，它要求保证传输。打印机和扫描仪属于这种类型。,5.10 USB传输模式,同步传输：用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒定的数据传送率的即时应用中。如语音、视频等。,当USB设备接入hub或roo
9、t hub后，主机控制器和主机软件读取，如vendor ID,product ID,interface工作方式，电源消耗量等一系列的数据用于确认设备特征。之后主机动态分配给,5.11 USB工作过程,外设一个单独的地址（各次可能不同）后对设备进行初始化，完成以后就可以对设备进行IO操作了。,5.12 USB接口总结,5.12 USB接口总结,无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制技术和扩频技术。介质的选择无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波在
10、无线网络中使用最广泛。目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波、红外线和光波三种类型。,5.12 无线通信物理层的主要技术,介质的选择无线电波是容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而被广泛地用于室内或室外的无线通信。无线电波是全方向,5.12.1 介质的选择,传播信号的，它能向任意方向发送无线信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确的对准。,红外通信无线传感器网络节点之间通信的另一种手段是红外技术。红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。红外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。这导致了红外难以成为无线传感器网络的主流传输介质，而只能在一些
11、特殊场合得到应用。,5.12.1 介质的选择,特殊场合对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对通信传输介质可能有特别的要求。例如，舰船应用可能要求使用水性传输介质，譬如能穿透水面的长波。复杂地形和战场应用会遇到信道不可靠和严重干扰等问题。另外，一些传感器节点的天线可能在高度和发射功率方面比不上周围的其它无线设备，为了保证这些低发射功率的传感器网络节点正常完成通信任务，要求所选择的传输介质能支持健壮的编码和调制机制。,5.12.1 介质的选择,无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小，大致为1/r3。如果采用高频传输，则
12、它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，所以每个国家和地区都有关于无线频率管制方面的使用授权规定。,5.12.2 频段的选择,无线电波的传播特性与频率相关。如果采用较低频率，则它能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小，大致为1/r3。如果采用高频传输，则它趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受发动机和其它电子设备的干扰。另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，所以每个国家和地区都有关于无线频率管制方面的使用授权规定。,
13、5.12.2 频段的选择,无线电波的通信限制较少，通常人们选择“工业、科学和医疗”(Industrial，Scientific and Medical,ISM)频段。ISM频段的优点在于它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便。ISM频段的缺点主要是功率受限，另外与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。尽管传感器网络可以通过其它方式实现通信，譬如各种电磁波（如射频和红外）、声波，但无线电波是当前传感器网络的主流通信方式，在很多领域得到了广泛应用。,5.12.2 频段的选择,5.12.2 频段的选择,5.12.2 频段的选择,ISM频段是各国挪出某一段频段主要开放给工业，科学和医
14、学机构使用。应用这些频段无需许可证或费用，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一。,调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为相对基带频率而言频率非常高的带通信号，以便于进行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。,5.13 调制技术,调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和解调往往在很大程度上决定着通信系统的质量。根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调
15、制分为模拟调制和数字调制。模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化。数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为了主流的调制技术。,5.13 调制技术,基于正弦波的调制技术无外乎对其参数幅度A(t)、频率f(t),相位(t)的调整。分别对应的调制方式为幅度调制（Amplitude Modulation,AM）、频率调制（Frequency Modulation,FM）和相位调制（Phase Modulation,PM）。,5.13.
16、1 模拟调制,调幅、调频、调相：使载波的幅值和频率、相位随调制信号而变化的过程分别为调幅和调频、调相。它们的已调波也就分别称为调幅波和调频波、调相波。,5.13.1 模拟调制,当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲序列时，由于该序列只存在“有电”和“无电”两种状态，因而可以采用电键控制，被称为键控信号，所以上述数字信号的调幅、调频、调相分别又被称为幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)和相移键控(Phase Shift Keying,PSK)。,5.13.2 数字调制,当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲
17、序列时，由于该序列只存在“有电”和“无电”两种状态，因而可以采用电键控制，被称为键控信号，所以数字信号的调幅、调频、调相分别又被称为幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)和相移键控(Phase Shift Keying,PSK)。20世纪80年代以来，人们十分重视调制技术在无线通信系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性更好的数字调制方式。由于振幅键控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无线通信中广泛应用的调制方法是频率键控和相位键控。,5.13.2 数字调制,ASK（Amplitude Shift
18、 Keying）结构简单易于实现 对带宽的要求小 缺点是抗干扰能力差 FSK（Frequency Shift Keying)相比于ASK需要更大的带宽PSK(Phase Shift Keying)更复杂，但是具有较好的抗干扰 能力,5.13.2 数字调制,扩频又称为扩展频谱，它的定义如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。,5.14 扩频技术,5.14 扩频技术,信源,信源编码,信道编码,载波调制,信
19、源编码,解扩频,符号解调,信道译码,信源译码,信息输出,信道,扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)、跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum,FHSS)、跳时(Time Hopping Spread Spectrum,THSS)和宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum,chirp-SS，简称切普扩频)。扩频通信与一般无线通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调。扩频技术的优点包括：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率;抗干扰性强，误码率低;隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小;可以实现码分多址;抗多径干扰;能精确地定时和测距;适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务;安装简便，易于维护。,5.14 扩频技术,思考题,1、简述物理层定义。2、物理层研究的主要内容是什么？研究哪四个特性？3、USB接口有何特点？有哪三组标准？各标准主要特征是什么？4、简述无线通信网络物理层的主要技术。,To Be Continue,
