2.2 物理層

無線傳感器網絡物理層可采用的傳輸介質多種多樣，包括無線電波、紅外線、光波、超聲波等，后三者由于自身通信條件的限制，如要求視距通信等，僅適用于特定的無線傳感器網絡應用環境。無線電波易于產生，傳播距離較遠，容易穿透建筑物，在通信方面沒有特殊的限制，能夠滿足無線傳感器網絡在未知環境中的自主通信需求，是目前無線傳感器網絡的主流，是被廣泛接受的傳輸方式。

2.2.1 物理層概述

物理層是TCP/IP網絡模型的第一層，它是整個通信系統的基礎，正如高速公路和街道是汽車通行的基礎一樣。物理層為設備之間的數據通信提供傳輸媒體及互連設備，為數據傳輸提供可靠的環境。

物理層的首要功能是為數據端設備提供傳送數據的通路，其次是傳輸數據。要完成這兩個功能，物理層規定了如何建立、維護和拆除物理鏈路。

如圖2-2所示的一個簡單計算機網絡模型中，物理層規定了信號如何發送、如何接收、什么樣的信號代表什么含義、應該使用什么樣的傳輸介質和什么樣的接口等。

信號的傳輸離不開傳輸介質，而傳輸介質兩端必然有接口用于發送和接收信號。因此，規定各種傳輸介質及接口與傳輸信號相關的一些特性，也是物理層的主要任務之一。

國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）對OSI參考模型中物理層的定義如下：物理層為建立、維護和釋放數據鏈路實體之間的二進制比特傳輸的物理連接提供機械的、電氣的、功能的和規程性的特性。

（1）機械特性

也叫物理特性，指通信實體間硬件連接接口的機械特點，如接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等，這很像平時常見的各種規格的電源插頭，其尺寸有嚴格的規定。

（2）電氣特性

規定了在物理連接上，導線的電氣連接及有關電路的特性，一般包括接收器和發送器電路特性的說明、信號的識別、最大傳輸速率的說明、與互連電纜相關的規則、發送器的輸出阻抗、接收器的輸入阻抗等電氣參數。

（3）功能特性

指物理接口各條信號線的用途，包括接口線功能的規定方法、接口信號線的功能分類（數據信號線、控制信號線、定時信號線和接地線四類）。

（4）規程特性

指利用接口傳輸比特流的全過程及各項用于傳輸的事件發生的合法順序，包括事件的執行順序和數據傳輸方式，即在物理連接建立、維持和交換信息時，DTE/DCE^[2]雙方在各自電路上的動作序列。

以上四個特性實現了物理層在傳輸數據時，對信號、接口和傳輸介質的規定。

物理層的主要技術包括介質的選擇、頻段的選擇、調制和解調技術以及擴頻技術。

1.介質的選擇

無線通信的介質包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信介質，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據波長的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光波等，其中無線電波的使用最廣泛。

目前無線傳感器網絡的通信傳輸介質主要是無線電波和紅外線。

1）無線電波容易產生，可以傳播很遠，可以穿過建筑物，因而廣泛用于室內或室外的無線通信。無線電波是全方向的，它能向任意方向發送無線信號，所以發射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確地對準。

2）紅外通信的優點是無須注冊，抗干擾能力強；缺點是穿透能力差，要求發送者和接收者之間存在視距關系，這導致紅外線難以成為無線傳感器網絡的主流傳輸介質，而只能在一些特殊場合得到應用。

2.頻段的選擇

無線電波的傳播特性與頻率相關，如果采用較低頻率，則能輕易地通過障礙物，但電波能量隨著與信號源距離r的增大而急劇減小，大致為1/r³；如果采用高頻傳輸，則趨于直線傳播，且受障礙物阻擋的影響。無線電波易受發動機和其他電子設備的干擾。

另外，由于無線電波的傳輸距離較遠，用戶之間的相互串擾也是需要關注的問題，所以每個國家和地區都有關于無線頻率管制方面的使用授權規定。

無線電波的通信限制較少，通常人們選擇“工業、科學和醫療”（Industrial，Scientific and Medical，ISM）頻段^[3]。ISM頻段的優點在于它是自由頻段，無須注冊，可選頻譜范圍大，實現起來靈活方便；缺點是功率受限，另外與現有無線通信應用存在相互干擾的問題。盡管傳感器網絡可以通過其他方式實現通信，比如各種電磁波（如射頻和紅外）、聲波，但無線電波仍是當前傳感器網絡的主流通信方式，在很多領域得到了廣泛應用。

3.調制和解調技術

因為是無線網絡，傳輸介質自然要選電磁波。不過，源信號要依靠電磁波傳輸，必須通過調制技術變成高頻信號，當抵達接收端時，又要通過解調技術還原成原始信號。目前采用的調制方法分為模擬調制和數字調制兩種，它們的區別就在于調制信號所用基帶信號的模式不同（一個為模擬，一個為數字）。

通常信號源的編碼信息（即信源）含有直流分量和頻率較低的頻率分量，稱為基帶信號?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘?，因而要將基帶信號轉換為頻率非常高的帶通信號，以便進行信道傳輸。通常將帶通信號稱為已調信號，而基帶信號稱為調制信號。

調制對通信系統的有效性和可靠性有很大的影響，采用什么方法調制和解調在很大程度上決定了通信系統的質量。根據調制中采用的基帶信號的類型，可以將調制分為模擬調制和數字調制：模擬調制是用模擬基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著模擬基帶信號的變化而變化；數字調制是用數字基帶信號對高頻載波的某一參量進行控制，使高頻載波隨著數字基帶信號的變化而變化。

目前通信系統都在由模擬制式向數字制式過渡，因此數字調制已經成為主流的調制技術。

（1）模擬調制

基于正弦波的調制技術無外乎對其參數幅度A（t）、頻率f（t）、相位φ（t）的調整，對應的調制方式分別為幅度調制（Amplitude Modulation，AM）、頻率調制（Frequency Modulation，FM）和相位調制（Phase Modulation，PM）。已調波可以表示為

基本原理是，將要傳送的調制信號（這里我們以音頻信號為例）從低頻搬移到高頻，使它能通過電離層反射進行傳輸；在遠距離接收端，用適當的解調裝置再把原信號不失真地恢復出來，達到傳輸音頻信號的目的，如圖2-3所示。

（2）數字調制

當數字調制信號為二進制矩形全占空脈沖序列時，由于該序列只存在“有電”和“無電”兩種狀態，因而可采用電鍵控制，也稱為鍵控信號，所以上述數字信號的調幅、調頻、調相又被分別稱為幅移鍵控（Amplitude Shift Keying，ASK）、頻移鍵控（Frequency Shift Keying，FSK）和相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）。圖2-4所示為二進制數字信號調制圖。

20世紀80年代以來，人們十分重視調制技術在無線通信系統中的應用，以尋求頻譜利用率更高、頻譜特性更好的數字調制方式。由于幅移鍵控信號的抗噪聲性能不夠理想，因而目前在無線通信中廣泛應用的調制方法是頻移鍵控和相移鍵控。

● ASK：結構簡單易于實現，對帶寬的要求?。蝗秉c是抗干擾能力差。

● FSK：相比于ASK需要更大的帶寬。

● PSK：更復雜，但是具有較好的抗干擾能力。

4.擴頻技術

信號僅經過調制是不行的，還需要進行擴頻。擴頻就是將待傳輸數據進行頻譜擴展的技術，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息需要的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，用編碼及調制的方法來實現，與所傳信息數據無關；在接收端用同樣的碼進行相關同步接收、解擴和恢復所傳信息數據。

擴頻技術按照工作方式的不同，可以分為以下四種：直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）、跳頻（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）、跳時（Time Hopping Spread Spectrum，THSS）和寬帶線性調頻擴頻（Chirp Spread Spectrum，Chirp-SS）。

擴頻技術的優點：易于重復使用頻率，提高了無線頻譜利用率；抗干擾性強，誤碼率低；隱蔽性好，對各種窄帶通信系統的干擾很小；可以實現碼分多址；抗多徑干擾；能精確地定時和測距；適合數字話音和數據傳輸，以及開展多種通信業務；安裝簡便，易于維護。

2.2.2 鏈路特性

無線傳感器網絡性能的優劣和無線信道的好壞是密不可分的。與傳統的有線信道不同，無線網絡接收器與發射器之間信號的傳播路徑是隨機性的，而且是非常復雜、難以分析的，數據包在傳輸過程中會遇到路徑損耗、多徑效應、噪聲干擾、鄰節點干擾、鏈路的非對稱性等情況，從而造成數據包的丟失。下面針對這些情況進行分析。

1.路徑損耗

在無線傳感器網絡中，發送節點發送的信號在傳播過程中的能量并不是恒定的，而是隨著距離的增加呈現衰減趨勢，這個過程稱為路徑損耗。典型的能耗衰減與距離的關系為

式中，k為常量；n的取值范圍為2<n<4，其大小一般與多個因素有關，如信號載頻或傳播環境等。當傳感器節點播撒在離地面很近的區域時，會受到很多障礙物的干擾，此時就需要增大n的值。此外，無線發射天線的選擇也會對信號產生一定影響。經常使用的路徑損耗模型有自由空間傳播模型、地面雙向反射模型、對數距離路徑損耗模型等。

2.多徑效應

多徑效應是指由無線信道中的多徑傳輸現象所引起的干涉延時效應。無線信號在傳輸的過程中，經過周圍物體或地面反射后，會通過多條不同的路徑到達接收端，接收端收到的信號是多個信號疊加在一起的，這些信號由于傳輸路徑的不同、延遲的不同以及路徑損耗的不同，它們的相位和振幅也就不同，這些信號混合在一起，會引起信號的衰落。就點對點通信鏈路來講，多徑效應會導致無線鏈路上數據包的損壞或丟失。

多徑效應與信號所處的環境緊密相關，在無線傳感器網絡中，節點位置發生變化或環境的變化都會改變信號的接收強度，而且不僅是在動態網絡中存在多徑效應，在靜態網絡中，由于環境的影響，多徑效應仍然存在。

3.噪聲干擾

在無線信號的傳輸過程中，接收端收到的不僅僅是包含信息的有用信號，還可能收到不含任何信息的無用信號，這些無用信號稱為噪聲。噪聲的來源可能是自然界（俗稱自然噪聲），也可能是人為干擾（俗稱人為噪聲），還有可能是來自芯片內部的熱噪聲。

接收端正確收到信號的前提是到達接收端信號的信噪比要高于所設定的信噪比閾值，當功率為定值時，接收端信噪比會隨著噪聲功率的增大而降低，信號校驗的準確性會降低，數據包丟失的概率也會增大。

4.鄰節點干擾

在無線傳感器網絡實際應用中，節點部署的密度通常都很大，當網絡中某個節點的數據進行發送時，其他節點也有可能在同頻率上進行數據的傳輸，這種情況下信號就會產生疊加，因此將這種不同于噪聲干擾的現象稱為鄰節點干擾。由于無線電信號采用的編碼方式基本相同，所以這種干擾對信號的準確性會產生很大的影響。為了避免上述干擾，研究者們根據無線傳感器網絡的協議特點提出了載波監聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）機制，它是一種介質訪問控制協議，目的是使網絡中的節點都能夠獨立地接收和發送數據。當一個節點準備發送數據時，首先要進行載波監聽來確定當前信道是否空閑，只有信道空閑時，才能進行數據的傳輸。這種控制協議的原理比較簡單，實現起來比較容易，可以有效降低節點間的干擾。

5.鏈路的非對稱性

在無線傳感器網絡中，由于節點所處的環境和性能基本相同，所以往往認為鏈路是對稱的，但事實并非如此。圖2-5是一個點對點的鏈路示意圖，這里用包接收率來量化鏈路特性，P₁代表節點A向節點B發送數據時，節點B的包接收率； P₂代表節點B向節點A發送數據時，節點A的包接收率。一般來說，當P₁-P₂ ≥0.25時，就會認為這兩個鏈路之間是非對稱性的。此外，多徑效應也可能會使鏈路之間的衰減存在差異。在無線傳感器網絡中，由于節點所處的環境和性能基本相同，所以往往認為鏈路是對稱的，但事實并非如此。圖2-5是一個點對點的鏈路示意圖，這里用包接收率來量化鏈路特性，P₁代表節點A向節點B發送數據時，節點B的包接收率；P₂代表節點B向節點A發送數據時，節點A的包接收率。一般來說，當P₁-P₂ ≥0.25時，就會認為這兩個鏈路之間是非對稱性的。此外，多徑效應也可能會使鏈路之間的衰減存在差異。在無線傳感器網絡中，由于節點所處的環境和性能基本相同，所以往往認為鏈路是對稱的，但事實并非如此。圖2-5是一個點對點的鏈路示意圖，這里用包接收率來量化鏈路特性，P₁代表節點A向節點B發送數據時，節點B的包接收率；P₂代表節點B向節點A發送數據時，節點A的包接收率。一般來說，當P₁-P₂ ≥0.25時，就會認為這兩個鏈路之間是非對稱性的。此外，多徑效應也可能會使鏈路之間的衰減存在差異。在無線傳感器網絡中，由于節點所處的環境和性能基本相同，所以往往認為鏈路是對稱的，但事實并非如此。圖2-5是一個點對點的鏈路示意圖，這里用包接收率來量化鏈路特性，P₁代表節點A向節點B發送數據時，節點B的包接收率；P₂代表節點B向節點A發送數據時，節點A的包接收率。一般來說，當P₁-P₂ ≥0.25時，就會認為這兩個鏈路之間是非對稱性的。此外，多徑效應也可能會使鏈路之間的衰減存在差異。

鏈路的非對稱性不僅會對上層協議的性能造成很大的影響，而且會使整個網絡的通信變得很不可靠，大大降低網絡的性能。

2.2.3 物理層設計

物理層的設計目標是以盡可能少的能量消耗獲得較大的鏈路容量，物理層設計的一些非常重要的問題如下：

1）低功耗問題。

2）低發射功率和小傳播范圍。

3）低占空比系數問題。

4）相對較低的數據率（一般來說每秒幾十或幾百kbit）。

5）較低的實現復雜度和較低的成本。

6）較小的移動速度。

在無線傳感器網絡的物理層設計中，面臨著以下挑戰。

（1）成本

低成本是無線傳感器網絡節點設計的基本要求，只有低成本，才能將節點大量地布置到目標區域內，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，節點最大限度的集成化設計和減少分立元件是降低成本的主要手段。

不過隨著CMOS工藝技術的發展，數字單元基本已完全基于CMOS工藝實現，并且體積也越來越?。坏悄M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。

（2）功耗

無線傳感器網絡推薦使用免許可證頻段ISM。在物理層技術選擇方面，環境的信號傳播特性、物理層技術的能耗是設計的關鍵問題。傳感器網絡的典型信道屬于近地面信道，其傳播損耗因子較大，且天線高度距離地面越近，其損耗因子就越大，這是物理層設計的不利因素。然而無線傳感器網絡的某些內在特征也存在有利于設計的方面。例如，高密度部署的無線傳感器網絡具有分集特性，可以用來克服陰影效應和路徑損耗。

2.2.4 低速物理層

1.IEEE 802.15.4

無線傳感器網絡中主要的通信技術是基于IEEE 802.15.4標準的無線個域網技術，它規定了面向低速無線個域網的物理層和介質訪問控制（MAC）層的規范。該規范的目標是面向10~100m的短距離應用，具有低速、容易布設、較為可靠的數據傳輸、短距離、低成本以及合理的電池生命周期等特點。IEEE 802.15.4標準工作組在ISM頻段定義了2.4 GHz頻段和868/915MHz頻段的兩個物理層規范，這兩種物理層規范均基于直接序列擴頻技術，對于不同頻段的物理層，其碼片的調制方式各不相同（見表2-1）。

2.UWB

超寬帶技術（Ultra Wide Band，UWB）是一種無載波通信技術，采用納秒至皮秒級的脈沖進行通信，所占頻譜非常寬，頻段范圍是3.1~10.6GHz，該技術在傳輸時的發射功率極低。雖然UWB的傳輸范圍在10m內，但速度能達到幾百Mbit/s至幾千Mbit/s。UWB最初主要用于美國軍方的軍用雷達中，現在該技術已被準許在民用領域使用。

由于UWB具有抗干擾能力強、極寬的帶寬、傳輸速率高、發射功率小等特點，其在室內無線通信、高速WLAN、安全監測等方面都具有廣泛的應用前景。

3.紅外通信技術

紅外通信技術是一種無線通信方式，可以進行無線數據的傳輸，適用于低成本、跨平臺、點對點的高速數據連接，尤其是嵌入式系統。紅外通信技術主要應用于設備互連，還可作為信息網關。設備互連后可完成不同設備內文件與信息的交換；信息網關負責連接信息終端和互聯網。紅外通信技術已被全球范圍內的眾多軟硬件廠商所支持和采用，廣泛應用于移動計算設備和移動通信設備中。

紅外傳輸是一種點對點的無線傳輸方式，適合于近距離傳輸，且需要對準方向，中間不能有障礙物，幾乎無法控制信息傳輸的速度。

2.2.5 中高速物理層

1.Wi-Fi

Wi-Fi（Wireless Fidelity）是IEEE 802.11b的別稱，即無線保真技術，是無線局域網聯盟的一個商標，目的是改善基于IEEE 802.11協議的無線產品之間的互通性，因此，現在基于IEEE 802.11協議的無線局域網被統稱為Wi-Fi網絡。Wi-Fi是以太網的一種無線擴展，具有部署方便、構建快速和靈活的特點，能夠與現有的有線網絡無縫連接，不需要額外的接入設備，Wi-Fi的工作頻段在ISM 2.4GHz頻帶上。Wi-Fi的主要特點是高速率，從最初的1Mbit/s和2Mbit/s傳輸速率，發展到目前廣泛使用的IEEE 802.11g協議，其最大數據傳輸速率為54Mbit/s。

IEEE 802.11支持帶寬的自動調節，在信號不好或信道受到干擾的情況下，網絡帶寬可在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s和1Mbit/s內變化；通信距離遠也是Wi-Fi的一大優勢，在空曠的室外能達到300m，室內也能達到100m，在監測區域能有效減少設備的使用，降低成本。

Wi-Fi設備剛面市時，價格是比較貴的，來自不同制造商的設備兼容性差、安全性不理想，使用不廣泛。但隨著研究的不斷深入，IEEE 802.11協議更加完善，硬件制造技術更加成熟，這些問題逐步得到了解決。近年來，Wi-Fi芯片廣泛應用在PDA、移動電話和其他便攜式設備。隨著各國政府對無線基礎設施的大力建設，在無線傳感器網絡中應用Wi-Fi技術已具備了相應的條件。

2.藍牙

藍牙（Bluetooth）是由愛立信公司提出的一種全球性的短距離無線通信標準，起初的目的是取代手機與其附件的一切電纜連接，實現更方便的無線通信。藍牙是一種典型的短距離無線通信技術，傳輸距離為10m左右，工作于2.4 GHz的ISM頻段，傳輸速率可達到10Mbit/s。藍牙支持點對點、點對多點的連接，可以方便靈活地實現安全可靠、快速的語音及數據業務的無線傳輸，但由于其通信范圍和網絡容量的限制，一個藍牙設備最多只能和7個藍牙設備進行通信，因此在很大程度上限制了藍牙在無線傳感器網絡中的應用。

3.WiMAX

全球微波接入互操作性（World Interoperability for Microwave Access，WiMAX），又稱威邁，是一項高速無線數據網絡標準，主要用于城域網絡（MAN），由WiMAX論壇提出并于2001年6月成形。

WiMAX能提供多種應用服務，包括“最后一公里”無線寬帶接入、熱點、小區回程線路，以及企業間作為商業用途的高速連線。通過WiMAX一致性測試的產品都能夠彼此建立無線連接并傳送互聯網分組數據。WiMAX在概念上類似Wi-Fi，但改善了其性能，支持更遠的傳送距離。

4.WCDMA

WCDMA指寬帶碼分多址，是由3GPP制定的，基于GSM MAP核心網，UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network的縮寫，其中UMTS是陸地無線接入網的簡稱）為無線接口的第三代移動通信系統。

WCDMA是國際電信聯盟（ITU）標準，采用直接序列擴頻碼分多址、頻分雙工（FDD）方式，碼片速率為3.84Mcps，載波帶寬為5MHz。WCDMA能夠支持移動手提設備之間的語音、圖像、數據及視頻通信，速率可達2Mbit/s（局域網）或384kbit/s（寬帶網）。輸入信號先被數字化，然后在一個較寬的頻譜范圍內以編碼的擴頻模式進行傳輸。