2.2　無線傳感器網絡物理層研究現狀及發展

作為一種無線網絡，無線傳感器網絡物理層協議涉及傳輸介質和頻段的選擇、調制、擴頻技術方式。目前的無線傳感器網絡中物理層的研究也主要集中在傳輸介質、頻率選擇和調制機制三個方面。

1. 傳輸介質

物理層的傳輸介質主要包括無線電波、光纖、紅外線和光波等。目前無線傳感器網絡的主流傳輸方式是無線電波。無線電波易于產生，傳播距離遠，且容易穿透建筑物，在通信方面沒有特殊的限制，比較適合無線傳感器網絡在未知環境中的自主通信需求。紅外線作為無線傳感器網絡的可選傳輸方式，其最大的優點是傳輸方式不受無線電波干擾，且紅外線的使用不受國家無線電管理委員會的限制；但是紅外線的缺點是對非透明物體的透過性極差，只能在一些特殊的無線傳感器網絡應用中使用。與無線電波傳輸相比，光波傳輸不需要復雜的調制/解調機制，接收器的電路簡單，單位數據傳輸功耗較小。光波與紅外線相似，通信雙方可能被非透明物體阻擋，因此只能在一些特殊的無線傳感器網絡應用中使用。

無線傳感器網絡一些不同尋常的應用要求使得傳輸介質的選擇更加具有挑戰性。例如，艦船應用可能要求使用水性傳輸介質（Aqueous Transmission Medium），如能穿透水面的長波；復雜地形和戰場應用會遇到信道不可靠和嚴重干擾等問題；此外，一些傳感器節點的天線可能在高度和發射功率方面不如周圍其他的無線設備，這就要求所選擇的傳輸介質支持健壯的編碼和解調機制。

2. 頻率選擇

在頻率選擇方面，目前一般選用工業、科學和醫療（ISM）頻段。表2.1列出了ISM應用中的可用頻段，其中一些頻率已經用于無繩電話系統和無線局域網的通信。選用ISM頻段的主要優點是ISM頻段是無須注冊的公用頻段、具有大范圍的可選頻段、沒有特定的標準可以靈活使用。面對傳感器節點小型化、低成本、低功耗的特點，A.Porret等人提出在歐洲使用433 MHz的ISM頻段，在美國使用915 MHz的ISM頻段，參考文獻[3-4]給出了基于這兩個頻段的無線收發器設計方法。

當然，選擇ISM頻段也存在一些問題，如功率限制以及與現有無線電應用之間的有害干擾等。目前主流的傳感器節點硬件是基于射頻電路設計的。μAMPS無線傳感器節點利用的是帶有集成頻率合成器的2.4 GHz藍牙兼容（Bluetooth Compatible）的無線電收發機。無線傳感器網絡結構采用的也是無線射頻通信。

3. 調制機制

在調制解調方面，傳統的無線通信系統需要考慮的重要指標包括頻譜效率、誤碼率、環境適應性，以及實現的難度和成本。在無線傳感器網絡中，由于傳感器節點能量受限，需要設計以節能和成本為主要指標的調制機制。

為了滿足無線傳感器網絡最小化符號率和最大化數據傳輸率的指標，M-ary調制機制被應用于無線傳感器網絡。然而，簡單的多相位M-ary信號將降低檢測的敏感度，為了恢復連接，則需要增加發射功率，這將導致額外的能量浪費。為了避免這個問題，準正交的差分編碼位置解調方案采用四位二進制符號，每個符號被擴展為32位偽噪聲CHIP，采用半正弦脈沖波形的偏移四相移鍵控（O-QPSK）調制機制，仿真實驗表明該方案的節能性比較好。M-ary調制機制通過單個符號發送多位數據的方法減少了發射的時間，降低了發射功耗，但是所采用的電路很復雜，無線發射器的功耗比較大。如果以無線收發器的啟動時間為主要條件，則Binary調制機制適用于啟動時間較短的系統。參考文獻[8]給出了一種基于直序擴頻-碼分多路訪問（DS-CDMA）的數據編碼與調制方法，該方法通過使用最小能量編碼算法來降低多路訪問沖突，可減少能量消耗。

此外，超寬帶技術由于采用基帶傳輸，無須載波，所以具有較低的傳輸功率和簡單的收發電路，這些都使得超寬帶技術成為無線傳感器網絡研究的一個熱點。未來無線傳感器網絡物理層研究工作應在低功耗的無線電設備方面進行創新，研發超帶寬技術并用于通信，開發出減少同步和能量損耗的調制機制，確定最佳的傳輸功率，建立更加節能的協議和算法。