传感器网络物理层设计优化方案

1）传输介质

目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电、红外线和光波等。

在无线电频率选择方面，ISM频段是一个很好的选择，因为ISM频段在大多数国家属于无需注册的公用频段。表3－5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。对于无线传感器网络来说，无线接收机需要满足体积小、成本低和功率小的要求。

表3－5　ISM应用中可用频段

使用ISM频段的主要优点有：ISM是自由频段，可用频带宽，并且在全球范围内都具有可用性；同时也没有特定的标准，给设计适合无线传感器网络的节能策略带来了更多的设计灵活性和空间。当然选择ISM频段存在一些使用上的问题，例如功率限制以及与现有的其他无线电应用之间存在相互干扰等。目前主流的传感器结点硬件大多是基于RF射频电路设计的。

无线传感器网络结点之间进行通信的另一种手段是红外技术。红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强；基于红外线的接收机成本更低，也很容易设计。目前很多便携式电脑、PDA和移动电话都提供红外数据传输的标准接口。红外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。这导致了红外线难以成为无线传感器网络的主流传输介质，而只能在一些特殊场合得到应用。

对于一些特殊场合的应用情况，传感器网络对通信传输介质可能有特别的要求，例如舰船应用可能要求使用水性传输介质，像是能穿透水面的长波；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。另外，一些传感器结点的天线可能在高度和发射功率方面比不上周围的其他无线设备，为了保证这些低发射功率的传感器网络结点正常完成通信任务，要求所选择的传输介质能支持健壮的编码和调制机制。(www.xing528.com)

2）物理层设计技术

物理层主要负责数据的硬件加密、调制解调、发送与接收，是决定传感器网络结点的体积、成本和能耗的关键环节。物理层的设计目标是以尽可能少的能量消耗获得较大的链路容量。为了确保网络运行的平稳性能，该层一般需要与MAC层进行密切交互。

物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题。

（1）编码调制技术影响占用频率带宽、通信速率、收发机结构和功率等一系列的技术参数。比较常见的编码调制技术包括幅移键控、频移键控、相移键控和各种扩频技术。

（2）提高数据传输速率可以减少数据收发的时间，对于节能具有意义，但需要同时考虑提高网络速度对误码的影响。一般用单个比特的收发能耗来定义数据传输对能量的效率，单比特能耗越小越好。

频段的选择需要非常慎重。由于无线传感器网络是面向应用的网络，所以针对不同应用应该在成本、功耗、体积等综合条件下进行优化选择。FCC组织指出，2.4GHz是在当前工艺技术条件下，功耗、成本、体积等指标的综合效果较好的可选频段，并且是全球范围的自由开放波段。但问题是现阶段不同的无线设备如蓝牙、WLAN、微波炉和无绳电话等都采用这个频段的频率，因而这个频段可能造成的相互干扰最严重。

尽管目前无线传感器网络还没有定义物理层标准，但是很多研究机构设计的网络结点物理层基本都是在现有器件工艺水平上开展起来的。例如，当前使用较多的Mica2结点主要采用分离器件实现结点的物理层设计，可以选择433 MHz或868 MHz两个频段，调制方式采用简单的2FSK／ASK方式。在低速无线个域网（LR－PAN）的IEEE 802.15.4标准中，定义的物理层是在868 MHz、915 MHz、2.4GHz三个载波频段收发数据，在这三个频段都使用了直接序列扩频方式。IEEE 802.15.4标准非常适合无线传感器网络的特点，是传感器网络物理层协议标准的最有力竞争者之一。目前基于该标准的射频芯片也相继推出，例如TI公司的CC2530无线通信芯片。

总的来看，针对无线传感器网络的特点，现有的物理层设计基本采用结构简单的调制方式，在频段选择上主要集中在433～464 MHz、902～928 MHz和2.4～2.5 GHz的ISM波段。