2.2　无线传感器网络物理层研究现状及发展

作为一种无线网络，无线传感器网络物理层协议涉及传输介质和频段的选择、调制、扩频技术方式。目前的无线传感器网络中物理层的研究也主要集中在传输介质、频率选择和调制机制三个方面。

1. 传输介质

物理层的传输介质主要包括无线电波、光纤、红外线和光波等。目前无线传感器网络的主流传输方式是无线电波。无线电波易于产生，传播距离远，且容易穿透建筑物，在通信方面没有特殊的限制，比较适合无线传感器网络在未知环境中的自主通信需求。红外线作为无线传感器网络的可选传输方式，其最大的优点是传输方式不受无线电波干扰，且红外线的使用不受国家无线电管理委员会的限制；但是红外线的缺点是对非透明物体的透过性极差，只能在一些特殊的无线传感器网络应用中使用。与无线电波传输相比，光波传输不需要复杂的调制/解调机制，接收器的电路简单，单位数据传输功耗较小。光波与红外线相似，通信双方可能被非透明物体阻挡，因此只能在一些特殊的无线传感器网络应用中使用。

无线传感器网络一些不同寻常的应用要求使得传输介质的选择更加具有挑战性。例如，舰船应用可能要求使用水性传输介质（Aqueous Transmission Medium），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；此外，一些传感器节点的天线可能在高度和发射功率方面不如周围其他的无线设备，这就要求所选择的传输介质支持健壮的编码和解调机制。

2. 频率选择

在频率选择方面，目前一般选用工业、科学和医疗（ISM）频段。表2.1列出了ISM应用中的可用频段，其中一些频率已经用于无绳电话系统和无线局域网的通信。选用ISM频段的主要优点是ISM频段是无须注册的公用频段、具有大范围的可选频段、没有特定的标准可以灵活使用。面对传感器节点小型化、低成本、低功耗的特点，A.Porret等人提出在欧洲使用433 MHz的ISM频段，在美国使用915 MHz的ISM频段，参考文献[3-4]给出了基于这两个频段的无线收发器设计方法。

当然，选择ISM频段也存在一些问题，如功率限制以及与现有无线电应用之间的有害干扰等。目前主流的传感器节点硬件是基于射频电路设计的。μAMPS无线传感器节点利用的是带有集成频率合成器的2.4 GHz蓝牙兼容（Bluetooth Compatible）的无线电收发机。无线传感器网络结构采用的也是无线射频通信。

3. 调制机制

在调制解调方面，传统的无线通信系统需要考虑的重要指标包括频谱效率、误码率、环境适应性，以及实现的难度和成本。在无线传感器网络中，由于传感器节点能量受限，需要设计以节能和成本为主要指标的调制机制。

为了满足无线传感器网络最小化符号率和最大化数据传输率的指标，M-ary调制机制被应用于无线传感器网络。然而，简单的多相位M-ary信号将降低检测的敏感度，为了恢复连接，则需要增加发射功率，这将导致额外的能量浪费。为了避免这个问题，准正交的差分编码位置解调方案采用四位二进制符号，每个符号被扩展为32位伪噪声CHIP，采用半正弦脉冲波形的偏移四相移键控（O-QPSK）调制机制，仿真实验表明该方案的节能性比较好。M-ary调制机制通过单个符号发送多位数据的方法减少了发射的时间，降低了发射功耗，但是所采用的电路很复杂，无线发射器的功耗比较大。如果以无线收发器的启动时间为主要条件，则Binary调制机制适用于启动时间较短的系统。参考文献[8]给出了一种基于直序扩频-码分多路访问（DS-CDMA）的数据编码与调制方法，该方法通过使用最小能量编码算法来降低多路访问冲突，可减少能量消耗。

此外，超宽带技术由于采用基带传输，无须载波，所以具有较低的传输功率和简单的收发电路，这些都使得超宽带技术成为无线传感器网络研究的一个热点。未来无线传感器网络物理层研究工作应在低功耗的无线电设备方面进行创新，研发超带宽技术并用于通信，开发出减少同步和能量损耗的调制机制，确定最佳的传输功率，建立更加节能的协议和算法。