2.2 物理层

无线传感器网络物理层可采用的传输介质多种多样，包括无线电波、红外线、光波、超声波等，后三者由于自身通信条件的限制，如要求视距通信等，仅适用于特定的无线传感器网络应用环境。无线电波易于产生，传播距离较远，容易穿透建筑物，在通信方面没有特殊的限制，能够满足无线传感器网络在未知环境中的自主通信需求，是目前无线传感器网络的主流，是被广泛接受的传输方式。

2.2.1 物理层概述

物理层是TCP/IP网络模型的第一层，它是整个通信系统的基础，正如高速公路和街道是汽车通行的基础一样。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。

物理层的首要功能是为数据端设备提供传送数据的通路，其次是传输数据。要完成这两个功能，物理层规定了如何建立、维护和拆除物理链路。

如图2-2所示的一个简单计算机网络模型中，物理层规定了信号如何发送、如何接收、什么样的信号代表什么含义、应该使用什么样的传输介质和什么样的接口等。

信号的传输离不开传输介质，而传输介质两端必然有接口用于发送和接收信号。因此，规定各种传输介质及接口与传输信号相关的一些特性，也是物理层的主要任务之一。

国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）对OSI参考模型中物理层的定义如下：物理层为建立、维护和释放数据链路实体之间的二进制比特传输的物理连接提供机械的、电气的、功能的和规程性的特性。

（1）机械特性

也叫物理特性，指通信实体间硬件连接接口的机械特点，如接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等，这很像平时常见的各种规格的电源插头，其尺寸有严格的规定。

（2）电气特性

规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性，一般包括接收器和发送器电路特性的说明、信号的识别、最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数。

（3）功能特性

指物理接口各条信号线的用途，包括接口线功能的规定方法、接口信号线的功能分类（数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线四类）。

（4）规程特性

指利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE/DCE^[2]双方在各自电路上的动作序列。

以上四个特性实现了物理层在传输数据时，对信号、接口和传输介质的规定。

物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制和解调技术以及扩频技术。

1.介质的选择

无线通信的介质包括电磁波和声波。电磁波是最主要的无线通信介质，而声波一般仅用于水下的无线通信。根据波长的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外线、毫米波和光波等，其中无线电波的使用最广泛。

目前无线传感器网络的通信传输介质主要是无线电波和红外线。

1）无线电波容易产生，可以传播很远，可以穿过建筑物，因而广泛用于室内或室外的无线通信。无线电波是全方向的，它能向任意方向发送无线信号，所以发射方和接收方的装置在位置上不必要求很精确地对准。

2）红外通信的优点是无须注册，抗干扰能力强；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。

2.频段的选择

无线电波的传播特性与频率相关，如果采用较低频率，则能轻易地通过障碍物，但电波能量随着与信号源距离r的增大而急剧减小，大致为1/r³；如果采用高频传输，则趋于直线传播，且受障碍物阻挡的影响。无线电波易受发动机和其他电子设备的干扰。

另外，由于无线电波的传输距离较远，用户之间的相互串扰也是需要关注的问题，所以每个国家和地区都有关于无线频率管制方面的使用授权规定。

无线电波的通信限制较少，通常人们选择“工业、科学和医疗”（Industrial，Scientific and Medical，ISM）频段^[3]。ISM频段的优点在于它是自由频段，无须注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便；缺点是功率受限，另外与现有无线通信应用存在相互干扰的问题。尽管传感器网络可以通过其他方式实现通信，比如各种电磁波（如射频和红外）、声波，但无线电波仍是当前传感器网络的主流通信方式，在很多领域得到了广泛应用。

3.调制和解调技术

因为是无线网络，传输介质自然要选电磁波。不过，源信号要依靠电磁波传输，必须通过调制技术变成高频信号，当抵达接收端时，又要通过解调技术还原成原始信号。目前采用的调制方法分为模拟调制和数字调制两种，它们的区别就在于调制信号所用基带信号的模式不同（一个为模拟，一个为数字）。

通常信号源的编码信息（即信源）含有直流分量和频率较低的频率分量，称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号，因而要将基带信号转换为频率非常高的带通信号，以便进行信道传输。通常将带通信号称为已调信号，而基带信号称为调制信号。

调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响，采用什么方法调制和解调在很大程度上决定了通信系统的质量。根据调制中采用的基带信号的类型，可以将调制分为模拟调制和数字调制：模拟调制是用模拟基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着模拟基带信号的变化而变化；数字调制是用数字基带信号对高频载波的某一参量进行控制，使高频载波随着数字基带信号的变化而变化。

目前通信系统都在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字调制已经成为主流的调制技术。

（1）模拟调制

基于正弦波的调制技术无外乎对其参数幅度A（t）、频率f（t）、相位φ（t）的调整，对应的调制方式分别为幅度调制（Amplitude Modulation，AM）、频率调制（Frequency Modulation，FM）和相位调制（Phase Modulation，PM）。已调波可以表示为

基本原理是，将要传送的调制信号（这里我们以音频信号为例）从低频搬移到高频，使它能通过电离层反射进行传输；在远距离接收端，用适当的解调装置再把原信号不失真地恢复出来，达到传输音频信号的目的，如图2-3所示。

（2）数字调制

当数字调制信号为二进制矩形全占空脉冲序列时，由于该序列只存在“有电”和“无电”两种状态，因而可采用电键控制，也称为键控信号，所以上述数字信号的调幅、调频、调相又被分别称为幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。图2-4所示为二进制数字信号调制图。

20世纪80年代以来，人们十分重视调制技术在无线通信系统中的应用，以寻求频谱利用率更高、频谱特性更好的数字调制方式。由于幅移键控信号的抗噪声性能不够理想，因而目前在无线通信中广泛应用的调制方法是频移键控和相移键控。

● ASK：结构简单易于实现，对带宽的要求小；缺点是抗干扰能力差。

● FSK：相比于ASK需要更大的带宽。

● PSK：更复杂，但是具有较好的抗干扰能力。

4.扩频技术

信号仅经过调制是不行的，还需要进行扩频。扩频就是将待传输数据进行频谱扩展的技术，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息需要的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现，与所传信息数据无关；在接收端用同样的码进行相关同步接收、解扩和恢复所传信息数据。

扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）、跳频（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）、跳时（Time Hopping Spread Spectrum，THSS）和宽带线性调频扩频（Chirp Spread Spectrum，Chirp-SS）。

扩频技术的优点：易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率；抗干扰性强，误码率低；隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小；可以实现码分多址；抗多径干扰；能精确地定时和测距；适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务；安装简便，易于维护。

2.2.2 链路特性

无线传感器网络性能的优劣和无线信道的好坏是密不可分的。与传统的有线信道不同，无线网络接收器与发射器之间信号的传播路径是随机性的，而且是非常复杂、难以分析的，数据包在传输过程中会遇到路径损耗、多径效应、噪声干扰、邻节点干扰、链路的非对称性等情况，从而造成数据包的丢失。下面针对这些情况进行分析。

1.路径损耗

在无线传感器网络中，发送节点发送的信号在传播过程中的能量并不是恒定的，而是随着距离的增加呈现衰减趋势，这个过程称为路径损耗。典型的能耗衰减与距离的关系为

式中，k为常量；n的取值范围为2<n<4，其大小一般与多个因素有关，如信号载频或传播环境等。当传感器节点播撒在离地面很近的区域时，会受到很多障碍物的干扰，此时就需要增大n的值。此外，无线发射天线的选择也会对信号产生一定影响。经常使用的路径损耗模型有自由空间传播模型、地面双向反射模型、对数距离路径损耗模型等。

2.多径效应

多径效应是指由无线信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应。无线信号在传输的过程中，经过周围物体或地面反射后，会通过多条不同的路径到达接收端，接收端收到的信号是多个信号叠加在一起的，这些信号由于传输路径的不同、延迟的不同以及路径损耗的不同，它们的相位和振幅也就不同，这些信号混合在一起，会引起信号的衰落。就点对点通信链路来讲，多径效应会导致无线链路上数据包的损坏或丢失。

多径效应与信号所处的环境紧密相关，在无线传感器网络中，节点位置发生变化或环境的变化都会改变信号的接收强度，而且不仅是在动态网络中存在多径效应，在静态网络中，由于环境的影响，多径效应仍然存在。

3.噪声干扰

在无线信号的传输过程中，接收端收到的不仅仅是包含信息的有用信号，还可能收到不含任何信息的无用信号，这些无用信号称为噪声。噪声的来源可能是自然界（俗称自然噪声），也可能是人为干扰（俗称人为噪声），还有可能是来自芯片内部的热噪声。

接收端正确收到信号的前提是到达接收端信号的信噪比要高于所设定的信噪比阈值，当功率为定值时，接收端信噪比会随着噪声功率的增大而降低，信号校验的准确性会降低，数据包丢失的概率也会增大。

4.邻节点干扰

在无线传感器网络实际应用中，节点部署的密度通常都很大，当网络中某个节点的数据进行发送时，其他节点也有可能在同频率上进行数据的传输，这种情况下信号就会产生叠加，因此将这种不同于噪声干扰的现象称为邻节点干扰。由于无线电信号采用的编码方式基本相同，所以这种干扰对信号的准确性会产生很大的影响。为了避免上述干扰，研究者们根据无线传感器网络的协议特点提出了载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）机制，它是一种介质访问控制协议，目的是使网络中的节点都能够独立地接收和发送数据。当一个节点准备发送数据时，首先要进行载波监听来确定当前信道是否空闲，只有信道空闲时，才能进行数据的传输。这种控制协议的原理比较简单，实现起来比较容易，可以有效降低节点间的干扰。

5.链路的非对称性

在无线传感器网络中，由于节点所处的环境和性能基本相同，所以往往认为链路是对称的，但事实并非如此。图2-5是一个点对点的链路示意图，这里用包接收率来量化链路特性，P₁代表节点A向节点B发送数据时，节点B的包接收率； P₂代表节点B向节点A发送数据时，节点A的包接收率。一般来说，当P₁-P₂ ≥0.25时，就会认为这两个链路之间是非对称性的。此外，多径效应也可能会使链路之间的衰减存在差异。在无线传感器网络中，由于节点所处的环境和性能基本相同，所以往往认为链路是对称的，但事实并非如此。图2-5是一个点对点的链路示意图，这里用包接收率来量化链路特性，P₁代表节点A向节点B发送数据时，节点B的包接收率；P₂代表节点B向节点A发送数据时，节点A的包接收率。一般来说，当P₁-P₂ ≥0.25时，就会认为这两个链路之间是非对称性的。此外，多径效应也可能会使链路之间的衰减存在差异。在无线传感器网络中，由于节点所处的环境和性能基本相同，所以往往认为链路是对称的，但事实并非如此。图2-5是一个点对点的链路示意图，这里用包接收率来量化链路特性，P₁代表节点A向节点B发送数据时，节点B的包接收率；P₂代表节点B向节点A发送数据时，节点A的包接收率。一般来说，当P₁-P₂ ≥0.25时，就会认为这两个链路之间是非对称性的。此外，多径效应也可能会使链路之间的衰减存在差异。在无线传感器网络中，由于节点所处的环境和性能基本相同，所以往往认为链路是对称的，但事实并非如此。图2-5是一个点对点的链路示意图，这里用包接收率来量化链路特性，P₁代表节点A向节点B发送数据时，节点B的包接收率；P₂代表节点B向节点A发送数据时，节点A的包接收率。一般来说，当P₁-P₂ ≥0.25时，就会认为这两个链路之间是非对称性的。此外，多径效应也可能会使链路之间的衰减存在差异。

链路的非对称性不仅会对上层协议的性能造成很大的影响，而且会使整个网络的通信变得很不可靠，大大降低网络的性能。

2.2.3 物理层设计

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，物理层设计的一些非常重要的问题如下：

1）低功耗问题。

2）低发射功率和小传播范围。

3）低占空比系数问题。

4）相对较低的数据率（一般来说每秒几十或几百kbit）。

5）较低的实现复杂度和较低的成本。

6）较小的移动速度。

在无线传感器网络的物理层设计中，面临着以下挑战。

（1）成本

低成本是无线传感器网络节点设计的基本要求，只有低成本，才能将节点大量地布置到目标区域内，表现出无线传感器网络的各种优点。物理层的设计直接影响到整个网络的硬件成本，节点最大限度的集成化设计和减少分立元件是降低成本的主要手段。

不过随着CMOS工艺技术的发展，数字单元基本已完全基于CMOS工艺实现，并且体积也越来越小；但是模拟部分，尤其是射频单元的集成化设计仍需占用很大的芯片面积，所以靠近天线的数字化射频收发机的研究是降低当前通信前端电路成本的主要途径。

（2）功耗

无线传感器网络推荐使用免许可证频段ISM。在物理层技术选择方面，环境的信号传播特性、物理层技术的能耗是设计的关键问题。传感器网络的典型信道属于近地面信道，其传播损耗因子较大，且天线高度距离地面越近，其损耗因子就越大，这是物理层设计的不利因素。然而无线传感器网络的某些内在特征也存在有利于设计的方面。例如，高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。

2.2.4 低速物理层

1.IEEE 802.15.4

无线传感器网络中主要的通信技术是基于IEEE 802.15.4标准的无线个域网技术，它规定了面向低速无线个域网的物理层和介质访问控制（MAC）层的规范。该规范的目标是面向10~100m的短距离应用，具有低速、容易布设、较为可靠的数据传输、短距离、低成本以及合理的电池生命周期等特点。IEEE 802.15.4标准工作组在ISM频段定义了2.4 GHz频段和868/915MHz频段的两个物理层规范，这两种物理层规范均基于直接序列扩频技术，对于不同频段的物理层，其码片的调制方式各不相同（见表2-1）。

2.UWB

超宽带技术（Ultra Wide Band，UWB）是一种无载波通信技术，采用纳秒至皮秒级的脉冲进行通信，所占频谱非常宽，频段范围是3.1~10.6GHz，该技术在传输时的发射功率极低。虽然UWB的传输范围在10m内，但速度能达到几百Mbit/s至几千Mbit/s。UWB最初主要用于美国军方的军用雷达中，现在该技术已被准许在民用领域使用。

由于UWB具有抗干扰能力强、极宽的带宽、传输速率高、发射功率小等特点，其在室内无线通信、高速WLAN、安全监测等方面都具有广泛的应用前景。

3.红外通信技术

红外通信技术是一种无线通信方式，可以进行无线数据的传输，适用于低成本、跨平台、点对点的高速数据连接，尤其是嵌入式系统。红外通信技术主要应用于设备互连，还可作为信息网关。设备互连后可完成不同设备内文件与信息的交换；信息网关负责连接信息终端和互联网。红外通信技术已被全球范围内的众多软硬件厂商所支持和采用，广泛应用于移动计算设备和移动通信设备中。

红外传输是一种点对点的无线传输方式，适合于近距离传输，且需要对准方向，中间不能有障碍物，几乎无法控制信息传输的速度。

2.2.5 中高速物理层

1.Wi-Fi

Wi-Fi（Wireless Fidelity）是IEEE 802.11b的别称，即无线保真技术，是无线局域网联盟的一个商标，目的是改善基于IEEE 802.11协议的无线产品之间的互通性，因此，现在基于IEEE 802.11协议的无线局域网被统称为Wi-Fi网络。Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，具有部署方便、构建快速和灵活的特点，能够与现有的有线网络无缝连接，不需要额外的接入设备，Wi-Fi的工作频段在ISM 2.4GHz频带上。Wi-Fi的主要特点是高速率，从最初的1Mbit/s和2Mbit/s传输速率，发展到目前广泛使用的IEEE 802.11g协议，其最大数据传输速率为54Mbit/s。

IEEE 802.11支持带宽的自动调节，在信号不好或信道受到干扰的情况下，网络带宽可在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s和1Mbit/s内变化；通信距离远也是Wi-Fi的一大优势，在空旷的室外能达到300m，室内也能达到100m，在监测区域能有效减少设备的使用，降低成本。

Wi-Fi设备刚面市时，价格是比较贵的，来自不同制造商的设备兼容性差、安全性不理想，使用不广泛。但随着研究的不断深入，IEEE 802.11协议更加完善，硬件制造技术更加成熟，这些问题逐步得到了解决。近年来，Wi-Fi芯片广泛应用在PDA、移动电话和其他便携式设备。随着各国政府对无线基础设施的大力建设，在无线传感器网络中应用Wi-Fi技术已具备了相应的条件。

2.蓝牙

蓝牙（Bluetooth）是由爱立信公司提出的一种全球性的短距离无线通信标准，起初的目的是取代手机与其附件的一切电缆连接，实现更方便的无线通信。蓝牙是一种典型的短距离无线通信技术，传输距离为10m左右，工作于2.4 GHz的ISM频段，传输速率可达到10Mbit/s。蓝牙支持点对点、点对多点的连接，可以方便灵活地实现安全可靠、快速的语音及数据业务的无线传输，但由于其通信范围和网络容量的限制，一个蓝牙设备最多只能和7个蓝牙设备进行通信，因此在很大程度上限制了蓝牙在无线传感器网络中的应用。

3.WiMAX

全球微波接入互操作性（World Interoperability for Microwave Access，WiMAX），又称威迈，是一项高速无线数据网络标准，主要用于城域网络（MAN），由WiMAX论坛提出并于2001年6月成形。

WiMAX能提供多种应用服务，包括“最后一公里”无线宽带接入、热点、小区回程线路，以及企业间作为商业用途的高速连线。通过WiMAX一致性测试的产品都能够彼此建立无线连接并传送互联网分组数据。WiMAX在概念上类似Wi-Fi，但改善了其性能，支持更远的传送距离。

4.WCDMA

WCDMA指宽带码分多址，是由3GPP制定的，基于GSM MAP核心网，UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network的缩写，其中UMTS是陆地无线接入网的简称）为无线接口的第三代移动通信系统。

WCDMA是国际电信联盟（ITU）标准，采用直接序列扩频码分多址、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mcps，载波带宽为5MHz。WCDMA能够支持移动手提设备之间的语音、图像、数据及视频通信，速率可达2Mbit/s（局域网）或384kbit/s（宽带网）。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输。