2.3.2　頻率的選擇

頻率的選擇是影響無線傳感器網絡性能、體積和成本的一個重要參數。

（1）從節點功耗的角度考慮自身能耗、傳播損耗與工作頻率的關系。在傳輸相同的有效距離時，載波頻率越高則消耗能量越多，這是因為載波頻率越高對頻率合成器的要求也就越高。射頻前端收發機中頻率合成器可以說是其主要的功耗模塊，并且根據自由空間無線傳輸損耗理論也可知，波長越短其傳播損耗越大，這意味著高頻率需要更大的發射功率來保證一定的傳輸距離。

（2）從節點物理層集成化程度、成本的角度來考慮。雖然當前的CMOS工藝已經成為主流，但是對大電感的集成化還是一個非常大的挑戰，隨著深亞微米工藝的進展，更高的頻率更易于電感的集成化設計，這對于未來節點的完全SoC設計是有利的，所以頻段的選擇是一個非常重要的問題。由于無線傳感器網絡是一種面向應用的網絡，所以針對不同的實際應用應該在綜合成本、功耗、體積的條件下進行一個最優的選擇。美國聯邦通信委員會（FCC）給出了2.4 GHz是當前工藝條件下，將功耗、成本、體積等折中較好的一個頻段，并且是全球ISM頻段。但是這個頻段是現階段不同應用設備可能造成相互干擾最嚴重的頻段，因為藍牙、WLAN、微波爐設備及無繩電話等都采用該頻段的頻率。

無線傳感器網絡物理層設計當前仍面臨著以下兩個方面的挑戰。

1）成本

低成本是無線傳感器網絡節點的基本要求，只有低成本，才能將節點大量地布置在目標區域內，表現出無線傳感器網絡的各種優點。物理層的設計直接影響到整個網絡的硬件成本，節點最大限度地集成化設計，減少分立元件是降低成本的主要手段。天線和電源的集成化設計目前仍是非常有挑戰性的工作。不過隨著CMOS工藝技術的發展，數字單元部分已完全可以基于CMOS工藝實現，并且體積也越來越小，但是模擬部分尤其是射頻單元的集成化設計仍需占用很大的芯片面積，所以盡量靠近天線的數字化射頻收發機的研究是降低當前通信前端電路成本的主要途徑。

另外，由于無線傳感器網絡中大規模的節點布置和時間同步的要求，使得整個網絡對物理層頻率穩定度的要求非常高，一般低于5 p/m，所以晶體振蕩器是物理層設計中必須考慮的一個部件。盡管隨著MEMS技術的發展，MEMS諧振器的研究已經取得了很大的進展，但是仍然無法滿足當前頻率穩定度的要求。晶體振蕩器仍是影響當前物理層成本的一個重要因素。

2）功耗

低功耗是無線傳感器網絡物理層設計的另一重要指標。要使無線傳感器網絡節點壽命達到2至7年，就要求節點的平均功耗在幾微瓦，雖然可以采用duty-cycle的工作機制來降低平均功耗，但是當前商業化通信芯片的功耗仍在幾十毫瓦，這對于能源受限的無線傳感器網絡節點來說，仍是難以接受的。由于當前射頻出去的能量遠遠小于收發機電路自身的能量消耗，所以如何有效地降低收發機電路自身的功耗，是當前無線傳感器網絡物理層設計需要解決的主要問題之一。

物理層調制/解調方式的選擇直接影響了收發機的結構，也決定了通信前端電路的固定功耗。超寬帶技術是一種無須載波的調制技術，其超低的功耗和易于集成的特點非常適合短距離通信的無線傳感器網絡應用。PicoRadio的Rabacy等人開展了以超寬帶技術為物理層的研究。但是由于超寬帶需要較長的捕獲時間，即需要較長的前導碼，這將降低信號的隱蔽性，所以需要MAC層更好的協作。