超寬帶通信中的天線技術

圖1 傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧

　協(xié)議棧中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC層構成了傳感器網(wǎng)絡的硬件結構。物理層包括編碼調制技術、通信速率、通信功耗和通信頻段等問題，MAC層主要解決多節(jié)點通信沖突時信道資源的分配問題；二者目前均有多種技術可供選擇。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點自身的特點使其在實際應用中存在著能量供給時間限制與通信作用距離限制。為拓展網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域，傳感器網(wǎng)絡采用多跳路由的傳輸機制。由于通信距離的延長一般伴隨著能耗的增加。因此，在滿足通信連通度的前提下應盡量減少單跳通信距離。

　

　　低功耗、低成本、低復雜度和短距離是物理層標準的主要選擇指標，近年來，IEEE802.15正考慮將超寬帶通信技術作為無線傳感器網(wǎng)絡的物理層標準。IEEE802.15系列標準由IEEE協(xié)會的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（WirelessPersonal Area Network，WPAN）工作組主導制定。該系統(tǒng)標準主要應用于小范圍的無線網(wǎng)絡。

　

　　超寬帶無線技術是一種短距離、使用1GHz以上帶寬且信號功率譜密度低的最先進的無線通信技術。該技術最初由美國國防部1989年提出，2002年4月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）發(fā)布了UWB設備的初步規(guī)范。目前UWB技術在短距離無線通信中逐漸得到越來越多的應用。

　超寬帶定義的范疇包括任何使用超寬頻譜的系統(tǒng)。任何無線電系統(tǒng)，只要它滿足下面的條件之一就稱為超寬帶系統(tǒng)：

　　

?。?）、（2）兩式中，fH和fL分別是傳輸帶寬的高端頻率和低端頻率。

　超寬帶無線通信具有以下特點：

?。?）高傳輸速率。因為系統(tǒng)的頻帶很寬，根據(jù)香農(nóng)信道公式，在低信噪比的情況下，系統(tǒng)也可以在短距離上實現(xiàn)幾百兆比特每秒至1Gbit/s的傳輸速率。

?。?）高定位精度。因為采用持續(xù)時間極短的窄脈沖，時間、空間分辨能力都很強，所以UWB信號的多徑分辨率極高。超寬帶無線電通信可以將定位與通信合一，與GPS提供絕對地理位置不同，基帶窄脈沖形式的信號可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級。

　（3）共享頻譜。因為信號被擴展到很寬的頻譜上，所以系統(tǒng)發(fā)射的功率譜密度非常低，對于其他系統(tǒng)來說類似于背景噪音，因此可以與其他窄帶信號共享頻譜。

　（4）穿透力強。因為基帶窄脈沖中含有較多的低頻分量，所以可順利地穿過土地、混凝土、水體等介質進行探測。

　

　　在標準制定上，IEEE802.15.3標準組是采用UWB做為無線通信物理層標準的主要推動者。聯(lián)邦通信委員會（FederalCommunicationsCommission，F(xiàn)CC）推出超寬帶后，IEEE 802.15.3標準組織于2003年和2004年先后成立了802.15.3a和802.15.4a兩個任務組。前者用于擬定高速率通信標準，后者致力于擬定低速率通信標準。

　

　　IEEE802.15.3a任務組集中了UWB論壇和Wi-Media聯(lián)盟兩大陣營所各自倡導的標準：DS-UWB和MB-OFDM。主導DS-UWB的是Freescale，主導MB-OFDM的是Intel、Kodak、Microsoft、HP和TI等。DS-UWB提案采用擴頻技術，使用3.1～4.9GHz的低波段和6.2～9.7GHz的高波段，其中低波段的通信速率為28Mbit/s～1Gbit/s，高波段的通信速率為2Gbit/s。MB-OFDM提案采用OFDM技術，將UWB的頻譜劃分為14個波段，每個528MHz帶寬，它支持53～480Mbit/s的通信速率。為贏得未來的市場，UWB論壇和WiMedia聯(lián)盟致力于在全世界推廣各自所支持的技術標準。由于經(jīng)過多次投票表決，無法統(tǒng)一標準。在2006年1月份召開的IEEE802會議上，802.15.3a經(jīng)過投票，解散了任務組，這使得UWB在IEEE的標準化進程被終止；也使得目前存在著兩種不同的標準在全球市場進行競爭。802.15.4a任務組的工作則比較順利，一種基于擴頻的低速率UWB方案正在被草擬入標準之中，經(jīng)過2006年一年的準備，正式標準預計將于2007年發(fā)布。低速率UWB方案的任務要求包括10cm范圍內的定位精度，30m的通信距離和不低于1Mbit/s的傳輸速率。致力于推進IEEE802.15.4a低速率個人局域網(wǎng)技術標準的組織是ZigBee聯(lián)盟。

　目前超寬帶技術在無線傳感器網(wǎng)絡方面的研究主要集中在空間物理層接口設計、網(wǎng)絡節(jié)點定位設計和解決信道資源分配問題的MAC層算法設計等方面。

　

　　4.1物理層設計

　

　　物理層的設計目標是在各種應用場景中提供可靠通信，以有效的方式減輕移動通信中的多徑干擾，提供滿足系統(tǒng)實時性要求的點對點高速率視頻通信和音頻信號傳輸，解決由于傳感器網(wǎng)絡中的多跳傳輸造成的網(wǎng)絡吞吐量降低的問題。

　

　　提出了一種作用距離為100m，通信帶寬為1GHz，載波頻率為6GHz，支持10Mbit/s和40Mbit/s兩種碼速率的基于UWB的物理層方案。該方案采用16bit Walsh-Hadamard序列直接擴頻；采用多載波通信（MDM）減輕多徑干擾，即數(shù)據(jù)符號首先分組，然后映射到一套具有擴展了符號發(fā)送時間的正交序列上，這樣，碼間干擾（ISI）可以由于序列的正交性得到消除；為消除來自節(jié)點本身的發(fā)送自干擾和所接收到的來自其他節(jié)點的信號干擾的問題，在MAC層采用了具有正交特性的碼分體制；制定了三種通信模式，通過導頻符號對信道進行檢測估計和實現(xiàn)自適應調制。文獻[3]提出了一種將UWB做為物理層，采用PPM作為解調方式的WSN的接收器設計方案；文獻[4]在將UWB納入物理層標準的基礎上，以提高能量利用效率為目標，提出了一種跨網(wǎng)絡層次的傳感器網(wǎng)絡體系結構方案。

　　

　　4.2定位設計

　

　　在目標檢測、目標跟蹤、目標搜索、制導、路由等應用場景中，無線傳感器網(wǎng)絡要求傳感器節(jié)點能夠確定它們的物理位置。為了解決這一問題，近年來研究機構提出了許多定位方案?？偟膩碚f，這些方案共同點是認為首先應通過GPS或者人工初始配置的方式確定網(wǎng)絡中少數(shù)節(jié)點的地理位置；不同點是有的直接通過點對點的距離和角度定位，有的通過與鄰近節(jié)點的關系定位。相比較而言，前一類方法可以提供精確的定位，但由于需要執(zhí)行精確的距離與角度測量故對硬件有很高的要求；第二類方法定位精度低，但對硬件的要求也較低。

　

　　目前的方案大多數(shù)針對條件良好的應用場景設計。如果在戰(zhàn)場環(huán)境中，敵人有可能利用這些定位方案的缺點進行攻擊，從而破壞整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能。比如冒充被測節(jié)點、發(fā)送虛假應答信號、截獲來自被測節(jié)點的真實應答信號等。文獻[5]對現(xiàn)有的定位機制進行改進，通過在整個通信覆蓋區(qū)域添加空間可移動的傳感器節(jié)點提高了傳感器網(wǎng)絡定位的安全性，形成了基于UWB傳感器網(wǎng)絡的移動輔助的安全定位機制。與傳統(tǒng)的定位方法所不同是這種移動輔助的算法不需要每個傳感器節(jié)點準確地測量與簇頭的距離并進行最小均方估計（MMSE）只需對移動的節(jié)點信號進行應答，將距離測量和定位計算等任務被轉交給移動節(jié)點完成。文獻[6]建議采用UWB的傳感器網(wǎng)絡采用多天線收發(fā)進行定位以進一步提高精確度；文獻[7]在利用UWB進行定位的基礎上，建議針對不同鏈接情況采用不同的調制技術；文獻[8]利用UWB的精確定位功能進行靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡拓撲結構的確定，在此基礎上根據(jù)能量最省的原則推導了能量消耗與路由選擇之間的關系。

　

　　4.3MAC層設計

　

　　列舉了一個已經(jīng)應用于體育運動的設計方案，通過案例說明了將UWB應用于傳感器網(wǎng)絡的可能性以及由此帶來的效益。在設計方案中，傳感器節(jié)點被設計為移動節(jié)點和固定節(jié)點兩種，移動節(jié)點主要利用UWB的定位精度向固定節(jié)點實時發(fā)送坐標信息，而固定節(jié)點則用于信息的收集、融合以及與后端服務器的通信。UWB的低能量消耗的特點可以有效節(jié)約移動節(jié)點的有限能源從而延長其工作壽命。為解決多節(jié)點同時訪問同一目的節(jié)點而引發(fā)的共享信道的問題，該方案在MAC問題中采取了分時調用的方式。文獻[10]分析了MAC問題產(chǎn)生的原因，介紹Aloha和CSMA（CarrierSenseMultipleAccess）兩種主要的MAC協(xié)議并指出為了適用于多跳傳輸應當在具體應用中對這兩種協(xié)議進行修改。以Aloha為例分析了網(wǎng)絡覆蓋面積與總吞吐量之間的關系，提出對網(wǎng)絡的整體性能采用總吞吐量作為指標進行衡量，對單個鏈接的性能采用傳輸損耗概率進行衡量；分析了衡量MAC問題的指標與UWB作用下的網(wǎng)絡半徑的之間關系。通過分析指出即使增加網(wǎng)絡節(jié)點間通信的跳數(shù)，小的覆蓋半徑依然可以減少多路訪問問題造成的干擾。

　

　　超寬帶技術憑借帶寬、功耗、定位精度等方面的優(yōu)勢成為無線通信領域一個非常有前景的技術。由于滿足了無線傳感器網(wǎng)絡低功耗、低成本、結構簡單、高定位精度等要求，超寬帶技術將會成為無線傳感器網(wǎng)絡物理層最理想的通信協(xié)議之一并將為無線傳感器網(wǎng)絡的應用提供新的發(fā)展機遇。