超寬帶通信中的天線技術(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(shù)據(jù)鏈路層中的MAC層構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)。物理層包括編碼調(diào)制技術(shù)、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(diǎn)通信沖突時(shí)信道資源的分配問題；二者目前均有多種技術(shù)可供選擇。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身的特點(diǎn)使其在實(shí)際應(yīng)用中存在著能量供給時(shí)間限制與通信作用距離限制。為拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由的傳輸機(jī)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(yīng)盡量減少單跳通信距離。

　

　　低功耗、低成本、低復(fù)雜度和短距離是物理層標(biāo)準(zhǔn)的主要選擇指標(biāo)，近年來，IEEE802.15正考慮將超寬帶通信技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15系列標(biāo)準(zhǔn)由IEEE協(xié)會(huì)的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WirelessPersonal Area Network，WPAN）工作組主導(dǎo)制定。該系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于小范圍的無線網(wǎng)絡(luò)。

　

　　超寬帶無線技術(shù)是一種短距離、使用1GHz以上帶寬且信號(hào)功率譜密度低的最先進(jìn)的無線通信技術(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(shè)備的初步規(guī)范。目前UWB技術(shù)在短距離無線通信中逐漸得到越來越多的應(yīng)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)：

　　

　（1）、（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(diǎn)：

　（1）高傳輸速率。因?yàn)橄到y(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(shí)現(xiàn)幾百兆比特每秒至1Gbit/s的傳輸速率。

　（2）高定位精度。因?yàn)椴捎贸掷m(xù)時(shí)間極短的窄脈沖，時(shí)間、空間分辨能力都很強(qiáng)，所以UWB信號(hào)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(duì)地理位置不同，基帶窄脈沖形式的信號(hào)可以給出相對(duì)位置，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。

　（3）共享頻譜。因?yàn)樾盘?hào)被擴(kuò)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(duì)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(hào)共享頻譜。

　（4）穿透力強(qiáng)。因?yàn)榛鶐д}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(zhì)進(jìn)行探測(cè)。

　

　　在標(biāo)準(zhǔn)制定上，IEEE802.15.3標(biāo)準(zhǔn)組是采用UWB做為無線通信物理層標(biāo)準(zhǔn)的主要推動(dòng)者。聯(lián)邦通信委員會(huì)（FederalCommunicationsCommission，F(xiàn)CC）推出超寬帶后，IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，后者致力于擬定低速率通信標(biāo)準(zhǔn)。

　

　　IEEE802.15.3a任務(wù)組集中了UWB論壇和Wi-Media聯(lián)盟兩大陣營所各自倡導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)：DS-UWB和MB-OFDM。主導(dǎo)DS-UWB的是Freescale，主導(dǎo)MB-OFDM的是Intel、Kodak、Microsoft、HP和TI等。DS-UWB提案采用擴(kuò)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。為贏得未來的市場(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(biāo)準(zhǔn)。由于經(jīng)過多次投票表決，無法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在2006年1月份召開的IEEE802會(huì)議上，802.15.3a經(jīng)過投票，解散了任務(wù)組，這使得UWB在IEEE的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程被終止；也使得目前存在著兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)在全球市場(chǎng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。802.15.4a任務(wù)組的工作則比較順利，一種基于擴(kuò)頻的低速率UWB方案正在被草擬入標(biāo)準(zhǔn)之中，經(jīng)過2006年一年的準(zhǔn)備，正式標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的組織是ZigBee聯(lián)盟。

　目前超寬帶技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究主要集中在空間物理層接口設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位設(shè)計(jì)和解決信道資源分配問題的MAC層算法設(shè)計(jì)等方面。

　

　　4.1物理層設(shè)計(jì)

　

　　物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在各種應(yīng)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，提供滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速率視頻通信和音頻信號(hào)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(kuò)頻；采用多載波通信（MDM）減輕多徑干擾，即數(shù)據(jù)符號(hào)首先分組，然后映射到一套具有擴(kuò)展了符號(hào)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；為消除來自節(jié)點(diǎn)本身的發(fā)送自干擾和所接收到的來自其他節(jié)點(diǎn)的信號(hào)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(dǎo)頻符號(hào)對(duì)信道進(jìn)行檢測(cè)估計(jì)和實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)制。文獻(xiàn)[3]提出了一種將UWB做為物理層，采用PPM作為解調(diào)方式的WSN的接收器設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn)[4]在將UWB納入物理層標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，以提高能量利用效率為目標(biāo)，提出了一種跨網(wǎng)絡(luò)層次的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)方案。

　　

　　4.2定位設(shè)計(jì)

　

　　在目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)搜索、制導(dǎo)、路由等應(yīng)用場(chǎng)景中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)構(gòu)提出了許多定位方案。總的來說，這些方案共同點(diǎn)是認(rèn)為首先應(yīng)通過GPS或者人工初始配置的方式確定網(wǎng)絡(luò)中少數(shù)節(jié)點(diǎn)的地理位置；不同點(diǎn)是有的直接通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的距離和角度定位，有的通過與鄰近節(jié)點(diǎn)的關(guān)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(cè)量故對(duì)硬件有很高的要求；第二類方法定位精度低，但對(duì)硬件的要求也較低。

　

　　目前的方案大多數(shù)針對(duì)條件良好的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)。如果在戰(zhàn)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(tǒng)的性能。比如冒充被測(cè)節(jié)點(diǎn)、發(fā)送虛假應(yīng)答信號(hào)、截獲來自被測(cè)節(jié)點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)答信號(hào)等。文獻(xiàn)[5]對(duì)現(xiàn)有的定位機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，通過在整個(gè)通信覆蓋區(qū)域添加空間可移動(dòng)的傳感器節(jié)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(jī)制。與傳統(tǒng)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(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確地測(cè)量與簇頭的距離并進(jìn)行最小均方估計(jì)（MMSE）只需對(duì)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答，將距離測(cè)量和定位計(jì)算等任務(wù)被轉(zhuǎn)交給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)完成。文獻(xiàn)[6]建議采用UWB的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多天線收發(fā)進(jìn)行定位以進(jìn)一步提高精確度；文獻(xiàn)[7]在利用UWB進(jìn)行定位的基礎(chǔ)上，建議針對(duì)不同鏈接情況采用不同的調(diào)制技術(shù)；文獻(xiàn)[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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確定，在此基礎(chǔ)上根據(jù)能量最省的原則推導(dǎo)了能量消耗與路由選擇之間的關(guān)系。

　

　　4.3MAC層設(shè)計(jì)

　

　　列舉了一個(gè)已經(jīng)應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，通過案例說明了將UWB應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的可能性以及由此帶來的效益。在設(shè)計(jì)方案中，傳感器節(jié)點(diǎn)被設(shè)計(jì)為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)兩種，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主要利用UWB的定位精度向固定節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)發(fā)送坐標(biāo)信息，而固定節(jié)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(jié)約移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的有限能源從而延長其工作壽命。為解決多節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問同一目的節(jié)點(diǎn)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(shí)調(diào)用的方式。文獻(xiàn)[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(yīng)當(dāng)在具體應(yīng)用中對(duì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體性能采用總吞吐量作為指標(biāo)進(jìn)行衡量，對(duì)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問題的指標(biāo)與UWB作用下的網(wǎng)絡(luò)半徑的之間關(guān)系。通過分析指出即使增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shù)憑借帶寬、功耗、定位精度等方面的優(yōu)勢(shì)成為無線通信領(lǐng)域一個(gè)非常有前景的技術(shù)。由于滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高定位精度等要求，超寬帶技術(shù)將會(huì)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層最理想的通信協(xié)議之一并將為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供新的發(fā)展機(jī)遇。