2.1 物理层：频段、信道、调制与速率

2.1 物理层：低功耗是怎么被压成数字的

本节摘要：物理层把"低功耗"翻译成可测量的硬参数——三个频段的信道数、调制方式、空中速率，加上能量检测与链路质量两项感知能力，以及发射功率与接收灵敏度的工程含义。本节承接第一章的双层分工（这两层属学会标准），为第三章之后的网络设计提供物理前提。

一、先看这张频率地图

物理层的第一个决定是"住在哪"。底层标准划定了三个频段：两点四吉赫全球通用频段、八百六十八兆赫欧洲频段、九百一十五兆赫北美频段。两点四吉赫段是这个家族的主场——全球统一、无需许可、可用信道多达十六个（编号十一到二十六），采用偏移四相移相键控调制，空中速率二百五十千比特每秒。欧洲与北美两个子吉赫段信道少（分别一个与十个信道）、速率低（二十到四十千比特每秒量级，取决于调制），但传播损耗小、穿墙好。

为什么主流生态几乎全押两点四吉赫？因为芯片规模效应：全球统一频段意味着一颗芯片卖全世界，成本摊薄压过了子吉赫的传播优势。这也是它与主打子吉赫的老对手（第九章会对照）在市场路线上最根本的分野。

图：三点四个信道在两点四吉赫频段中的分布与冲突区

二、速率二百五十千比特每秒意味着什么

这个数字经常被拿来和无线局域网比而显得寒酸，但对控制类业务完全是另一个故事。一次"关灯"指令的载荷不过十几个字节，加上各层帧头也就几十字节，按空口速率算占用信道时间不到两毫秒。换算下来，一秒钟理论上能塞几百次这样的指令——控制网络的负载天然是稀疏脉冲，不是连续洪流。真正的约束从来不是速率，而是冲突与重传，这正是下一节媒体访问控制层的主场。

反过来，这个速率也划出了能力边界：固件升级的镜像传输会明显吃力（几兆字节的镜像按有效吞吐每秒十几千字节算要几分钟）、无法承载数据流类业务。选型时先问业务是不是"稀疏脉冲型"，是则速率富余，否则应该考虑别的无线技术。

三、物理层的两个感官

物理层不只会收发，还会"看"环境，提供两项感知服务。能量检测：测量目标信道上的接收信号强度，返回一个八位整数（零到二百五十五，单位能量检测标度），建网前的信道扫描靠它挑最干净的信道。链路质量指示：伴随每个收到的帧给出，综合信号强度与信噪质量，用于路由选路时的链路代价评估——第三章的路由算法会持续消费这个值。

两者的区别记一句话：能量检测测的是"环境吵不吵"（不管信号是谁的），链路质量测的是"刚才那一帧听得清不清楚"。

四、发射功率、灵敏度与链路预算

工程上把可通联的范围叫链路预算，等于发射功率减去接收灵敏度再减传播损耗。典型商用芯片发射功率在零到几分贝毫瓦之间（上限依各地区法规，常见可到四点几分贝毫瓦以上），接收灵敏度在负九十几分贝毫瓦。室内传播损耗按距离的幂增长且受墙体、金属家具影响剧烈，所以"覆盖多少米"没有规范答案——同一颗芯片在开阔地能到几百米，在钢筋仓库里可能只剩一两跳。实践中评估覆盖用实测信号强度与丢包率，而不是官方宣传的距离数字。

💡 关键直觉：低功耗网络的覆盖从来不是物理层单独决定的，而是"物理层预算 + 网络层多跳接力"共同决定。这正是第三章网状拓扑存在的物理理由——单跳够不着，就让中间节点转一手。

本节要点回顾

• 三个频段：全球通用段十六信道为主场（十一到二十六），欧洲一信道、北美十信道为子吉赫补充路线；
• 速率定位：二百五十千比特每秒服务稀疏脉冲型控制业务富余，大镜像与流业务吃力，选型先判断业务形态；
• 两个感官：能量检测管环境噪声（建网扫信道），链路质量管帧质量（路由选路消费）；
• 链路预算：发射功率减灵敏度减传播损耗，覆盖距离必须实测，宣传数字不可作为设计依据；
• 本节坐标：物理前提就位，下一节解决"谁有权说话"。

物理层给了十六个房间，下一节的媒体访问控制层负责排队进门的规则。

延伸：频段选择的历史决策链

频段地图背后是一条清晰的决策链：免许可（进门口无门槛）、全球统一（芯片摊薄成本）、有足够带宽放多个信道（避让空间）。三点四吉赫全中，所以成为主场。子吉赫频段只在"穿透优先、速率不敏感、且接受分区供货"的场景赢回一城——这个权衡框架在物联网的每一次频段之争里都反复出现，记住它比记住频段编号本身更有用。

常见问题

能量检测值和实际功率怎么换算？

能量检测标度是相对刻度（零到二百五十五），不同芯片的映射系数不同，跨设备比较要看厂商换算表。工程实践里通常不换算成绝对功率，只在同一台协调器上做信道的相对排序——排序才是信道选择的输入，绝对值意义有限。

链路质量值多少算"可用"？

同样无绝对答案，与芯片实现相关。可行做法是部署时记录全网的链路质量分布，把长期处于分布尾部（如最低的一成）的链路标记为边际，作为加中继的候选清单——相对分布比绝对阈值可靠。

速查：三频段参数卡

配套记忆点：每信道占五兆赫；能量检测测环境 · 链路质量测帧；发射零到几分贝毫瓦 · 灵敏度负九十几分贝毫瓦；覆盖必须实测。

补 2.4GHz 拥挤问题的工程对策。2.4GHz 是全球免许可的黄金频段，但也是 Wi-Fi、蓝牙、微波炉的公共操场——Zigbee 的 16 个信道与 Wi-Fi 的信道重叠严重（一个 Wi-Fi 信道宽 20MHz，会盖住四到五个 Zigbee 信道）。工程对策按优先级：部署前做频谱扫描（用抓包器或频谱仪找干净的 Zigbee 信道，选与 Wi-Fi AP 错开的信道——Wi-Fi 常用 1、6、11 号信道，Zigbee 的 15、20、25、26 号信道正好落在 Wi-Fi 信道之间的缝隙）；网关支持信道切换（发现干扰后整网换信道——所有设备要跟着重新入网或跟随跳转，3.0 之后部分平台支持不停机换信道）；物理隔离（网关与 Wi-Fi AP 保持距离，金属外壳设备避开无线径路）。一个实测数字的感觉：干扰信道上的丢包率可以从百分之一恶化到三成以上——选信道不是可选项，是 Zigbee 部署的第一道工序。