無線傳感網學習筆記（2）—— 無線信道傳播

一、WSN的物理層

1、作用：① 提供無線鏈路，使WSN支持移動應用，也可以對節點進行靈活部署，即使在無法實現與有線節點連接的區域也可以進行，並且支持無間斷的重新部署。 ② 提供點對點鏈路，實現多點網絡的通信（涉及點對點無線數字通信）。
2、難點：①受限的帶寬 ②受限的傳輸距離 ③數據包傳輸性能差（信號干擾等情況）

二、WSN無線信道信號傳播

1、WSN中主要爲短距離通信，通信過程採取信源編碼（source encoding）、信道編碼（channel encoding）和調製（modulator）等方法。

2、無線數字通信系統由三部分組成：發射機（transmitter）、傳輸信道（channel）、接收機（receiver）。

（注：圖源自中國大學MOOC中的無線傳感網課程）

3、在無線信道進行收發的過程中存在噪聲影響，會導致信號失真。採取 擴頻通信技術（Spread spectrum technique） 可以將發送的信號能量分散至更廣的頻譜帶寬中，提升帶寬的利用方式，從而降低噪聲的影響。

4、WSN一般在ISM（工業、科學、醫療）頻段中工作，使用頻繁的頻段是433.05 ~ 434.79MHZ 和 2.400 ~ 2.500GHZ，ISM頻段的特點主要是：免費使用、全球有效、頻譜較寬、低功率傳輸、低速率、短距離以及多設備共享。

三、無線信道信號傳輸功率損耗模型

 我們可以採取調節發射機和接收機上的參數，使模型函數 a(t) 的值變小，表示減少信號傳輸功率的損耗，從而來提高接收到的信號能量，達到降低噪聲影響的效果。（信號X轉爲分貝的公式爲DB = 10logX）

四、信源編碼（傳輸有效性）

1、目的：將每一個量化元素映射爲碼元集對應在碼本中的符號。

2、作用：① 數據壓縮 ②將信源的模擬信號轉爲數字信號，實現模擬信號的數字化傳輸。

3、分類：① 無失真信源編碼（保熵編碼）：只對信源的冗餘度進行壓縮，不改變信源的熵。 ② 限失真信源編碼（熵壓縮編碼）：對信息率進行壓縮，且失真範圍受限。

4、信源編碼器：將模擬信號轉換成數字序列（二進制數據），包括採樣、量化和編碼。

五、信道編碼（傳輸可靠性）

1、目的：對傳送的數據流進行處理，避免傳送過程中誤碼的發生。

2、作用：增強系統的抗干擾能力和糾錯能力，提高數據的傳輸效率和通信的可靠性。

3、信道編碼器：對信息序列進行編碼來提高接收機識別差錯的能力。

六、唯一可譯碼UDC（Uniquely Decodable Code）

1、概念：信源編碼的一種類型，表示一段任意有限長的碼字序列都能恢復成唯一信源序列。

2、 前提：必須滿足Kraft不等式，定義如下：
$\sum_{i=1}^u (\frac{1}{r})^l \leq 1$

七、信源編碼器的編碼效率

 概念：表示編碼後的實際信息率與編碼後的最大信息率之比。

$\eta_c = \frac{R}{R_{max}}=\frac{H(x)}{H_{max}(x)}=\frac{H(U)/\overline{l}}{logr}=\frac{H(U)}{\overline{l}\ logr}$

上式中，$\eta_c$ 表示編碼效率，$H(U)$表示信源的信息熵， $\overline{l}$ 表示碼元的平均碼長，$r$ 表示碼元的進制。

1、信息熵：與信源本身有關，與編碼方案無關。定義如下： $H(U)=-\sum_{i=1}^nP(i)\ log_2P(i)$
2、碼元：在數字通信中常使用時間間隔相同的符號來表示一個二進制數字，這樣的時間間隔內的信號稱爲碼元。