超寬帶通信中的天線(xiàn)技術(shù)

圖1 傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧

　協(xié)議棧中的物理層和數據鏈路層中的MAC層構成了傳感器網(wǎng)絡(luò )的硬件結構。物理層包括編碼調制技術(shù)、通信速率、通信功耗和通信頻段等問(wèn)題，MAC層主要解決多節點(diǎn)通信沖突時(shí)信道資源的分配問(wèn)題；二者目前均有多種技術(shù)可供選擇。傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)自身的特點(diǎn)使其在實(shí)際應用中存在著(zhù)能量供給時(shí)間限制與通信作用距離限制。為拓展網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域，傳感器網(wǎng)絡(luò )采用多跳路由的傳輸機制。由于通信距離的延長(cháng)一般伴隨著(zhù)能耗的增加。因此，在滿(mǎn)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(lái)，IEEE802.15正考慮將超寬帶通信技術(shù)作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的物理層標準。IEEE802.15系列標準由IEEE協(xié)會(huì )的無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )（WirelessPersonal Area Network，WPAN）工作組主導制定。該系統標準主要應用于小范圍的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

　

　　超寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)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(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。該技術(shù)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(huì )（FCC）發(fā)布了UWB設備的初步規范。目前UWB技術(shù)在短距離無(wú)線(xiàn)通信中逐漸得到越來(lái)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。任何無(wú)線(xiàn)電系統，只要它滿(mǎn)足下面的條件之一就稱(chēng)為超寬帶系統：

　　

?。?）、（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(wú)線(xiàn)通信具有以下特點(diǎn)：

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

?。?）高定位精度。因為采用持續時(shí)間極短的窄脈沖，時(shí)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(wú)線(xiàn)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。

?。?）共享頻譜。因為信號被擴展到很寬的頻譜上，所以系統發(fā)射的功率譜密度非常低，對于其他系統來(lái)說(shuō)類(lèi)似于背景噪音，因此可以與其他窄帶信號共享頻譜。

?。?）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(guò)土地、混凝土、水體等介質(zhì)進(jìn)行探測。

　

　　在標準制定上，IEEE802.15.3標準組是采用UWB做為無(wú)線(xiàn)通信物理層標準的主要推動(dòng)者。聯(lián)邦通信委員會(huì )（FederalCommunicationsCommission，FCC）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(gè)任務(wù)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(wù)組集中了UWB論壇和Wi-Media聯(lián)盟兩大陣營(yíng)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(shù)，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(shù)，將UWB的頻譜劃分為14個(gè)波段，每個(gè)528MHz帶寬，它支持53～480Mbit/s的通信速率。為贏(yíng)得未來(lái)的市場(chǎng)，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(shù)標準。由于經(jīng)過(guò)多次投票表決，無(wú)法統一標準。在2006年1月份召開(kāi)的IEEE802會(huì )議上，802.15.3a經(jīng)過(guò)投票，解散了任務(wù)組，這使得UWB在IEEE的標準化進(jìn)程被終止；也使得目前存在著(zhù)兩種不同的標準在全球市場(chǎng)進(jìn)行競爭。802.15.4a任務(wù)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(guò)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(wù)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(jìn)IEEE802.15.4a低速率個(gè)人局域網(wǎng)技術(shù)標準的組織是ZigBee聯(lián)盟。

　目前超寬帶技術(shù)在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )方面的研究主要集中在空間物理層接口設計、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)定位設計和解決信道資源分配問(wèn)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(chǎng)景中提供可靠通信，以有效的方式減輕移動(dòng)通信中的多徑干擾，提供滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求的點(diǎn)對點(diǎn)高速率視頻通信和音頻信號傳輸，解決由于傳感器網(wǎng)絡(luò )中的多跳傳輸造成的網(wǎng)絡(luò )吞吐量降低的問(wèn)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，即數據符號首先分組，然后映射到一套具有擴展了符號發(fā)送時(shí)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(lái)自節點(diǎn)本身的發(fā)送自干擾和所接收到的來(lái)自其他節點(diǎn)的信號干擾的問(wèn)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(guò)導頻符號對信道進(jìn)行檢測估計和實(shí)現自適應調制。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(luò )層次的傳感器網(wǎng)絡(luò )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(chǎng)景中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )要求傳感器節點(diǎn)能夠確定它們的物理位置。為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)研究機構提出了許多定位方案?？偟膩?lái)說(shuō)，這些方案共同點(diǎn)是認為首先應通過(guò)GPS或者人工初始配置的方式確定網(wǎng)絡(luò )中少數節點(diǎn)的地理位置；不同點(diǎn)是有的直接通過(guò)點(diǎn)對點(diǎn)的距離和角度定位，有的通過(guò)與鄰近節點(diǎn)的關(guān)系定位。相比較而言，前一類(lèi)方法可以提供精確的定位，但由于需要執行精確的距離與角度測量故對硬件有很高的要求；第二類(lèi)方法定位精度低，但對硬件的要求也較低。

　

　　目前的方案大多數針對條件良好的應用場(chǎng)景設計。如果在戰場(chǎng)環(huán)境中，敵人有可能利用這些定位方案的缺點(diǎn)進(jìn)行攻擊，從而破壞整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的性能。比如冒充被測節點(diǎn)、發(fā)送虛假應答信號、截獲來(lái)自被測節點(diǎn)的真實(shí)應答信號等。文獻[5]對現有的定位機制進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)在整個(gè)通信覆蓋區域添加空間可移動(dòng)的傳感器節點(diǎn)提高了傳感器網(wǎng)絡(luò )定位的安全性，形成了基于UWB傳感器網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)輔助的安全定位機制。與傳統的定位方法所不同是這種移動(dòng)輔助的算法不需要每個(gè)傳感器節點(diǎn)準確地測量與簇頭的距離并進(jìn)行最小均方估計（MMSE）只需對移動(dòng)的節點(diǎn)信號進(jìn)行應答，將距離測量和定位計算等任務(wù)被轉交給移動(dòng)節點(diǎn)完成。文獻[6]建議采用UWB的傳感器網(wǎng)絡(luò )采用多天線(xiàn)收發(fā)進(jìn)行定位以進(jìn)一步提高精確度；文獻[7]在利用UWB進(jìn)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(shù)；文獻[8]利用UWB的精確定位功能進(jìn)行靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的確定，在此基礎上根據能量最省的原則推導了能量消耗與路由選擇之間的關(guān)系。

　

　　4.3MAC層設計

　

　　列舉了一個(gè)已經(jīng)應用于體育運動(dòng)的設計方案，通過(guò)案例說(shuō)明了將UWB應用于傳感器網(wǎng)絡(luò )的可能性以及由此帶來(lái)的效益。在設計方案中，傳感器節點(diǎn)被設計為移動(dòng)節點(diǎn)和固定節點(diǎn)兩種，移動(dòng)節點(diǎn)主要利用UWB的定位精度向固定節點(diǎn)實(shí)時(shí)發(fā)送坐標信息，而固定節點(diǎn)則用于信息的收集、融合以及與后端服務(wù)器的通信。UWB的低能量消耗的特點(diǎn)可以有效節約移動(dòng)節點(diǎn)的有限能源從而延長(cháng)其工作壽命。為解決多節點(diǎn)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一目的節點(diǎn)而引發(fā)的共享信道的問(wèn)題，該方案在MAC問(wèn)題中采取了分時(shí)調用的方式。文獻[10]分析了MAC問(wèn)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(jìn)行修改。以Aloha為例分析了網(wǎng)絡(luò )覆蓋面積與總吞吐量之間的關(guān)系，提出對網(wǎng)絡(luò )的整體性能采用總吞吐量作為指標進(jìn)行衡量，對單個(gè)鏈接的性能采用傳輸損耗概率進(jìn)行衡量；分析了衡量MAC問(wèn)題的指標與UWB作用下的網(wǎng)絡(luò )半徑的之間關(guān)系。通過(guò)分析指出即使增加網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間通信的跳數，小的覆蓋半徑依然可以減少多路訪(fǎng)問(wèn)問(wèn)題造成的干擾。

　

　　超寬帶技術(shù)憑借帶寬、功耗、定位精度等方面的優(yōu)勢成為無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域一個(gè)非常有前景的技術(shù)。由于滿(mǎn)足了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )低功耗、低成本、結構簡(jiǎn)單、高定位精度等要求，超寬帶技術(shù)將會(huì )成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )物理層最理想的通信協(xié)議之一并將為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用提供新的發(fā)展機遇。