2.1.1　物理层的主要技术

无线传感器网络的低功耗、低成本、微型化等特点对物理层的技术提出了要求。物理层的主要技术包括传输介质的选择、频段的选择、调制解调技术、扩频技术和物理层的帧结构。

1.传输介质

无线通信介质中最主要的是电磁波和声波，一般情况下，声波仅用于水下的无线通信，电磁波是最主要的无线通信介质。根据波长的不同，电磁波可分为无线电波、红外线、光波、毫米波和微波等，目前在无线传感器网络中，采用的传输介质主要为无线电波、红外线和光波等。

①无线电波是指在自由空间全方位传播的电磁波，可以穿透建筑，因此被广泛应用于无线通信中。无线电波的原理在于导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一原理，通过调制可以将信息加载到无线电波之上。当电波通过空间传播到达接收端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流，通过调制将信息从电流变化中提取出来，达到信息传递的目的。

②无线传感器网络节点之间可以通过红外线技术来通信。红外线通信不用注册，并且抗干扰的能力很强。红外线的接收器成本很低，非常容易设计。目前很多便携式网络设备都会提供红外数据传输的接口，如计算机和手机。但是红外通信的缺点是穿透能力差，要求接收者和发送者之间存在视距关系。这导致了红外线不容易成为无线传感器网络的主要传输介质，只能在一些特定的场合使用。

③光波传输不需要很复杂的调制/解调机制，接收器的电路简单，单位数据传输功耗比较小。光波与红外线通信相似，通信双方可能被非透明物体阻拦，因此只能在特殊的无线传感器网络中使用。

尽管传感器网络可以通过其他方式实现通信，如红外线通信、光波通信等，但是无线电波是当前传感器网络的主流通信技术，在很多领域得到了广泛应用。

2.频段的选择

目前，无线传感器网络采用的最主要的传输介质是无线电波。

无线电波非常容易产生，而且它传播的距离非常远，还可以穿过建筑，因为这个特性被广泛应用在室外和室内的无线通信中。无线电波可以向任意方向发送无线信号，还能向任意方向传播信号，所以接收方和发射方的装置在位置上不要求非常精确地对准。通常人们选择“工业、科学和医疗（Industrial，Scientific and Medical，ISM）频段”。ISM频段的优点在于它是自由频段，无需注册，可选频谱范围大，实现起来灵活方便，在全球范围内都有可用性。ISM频段的缺点主要是功率受限，且与现有多种无线通信应用存在相互干扰问题。表2-1列出了ISM频段中的可用频段。

频段的选择有很多原因，但由于无线传感器网络的应用相关特性，决定了必须要根据实际情况来综合决定，比如应该针对具体应用在成本、功耗、体积等综合条件下进行优化选择频段。FCC组织指出，2.4GHz是当前工艺技术条件下，满足低功耗、低成本、体积小等指标综合效果较好的可选频段，并且是全球范围的自由开发频段。这个频段也是现阶段不同应用设备可能造成相互干扰最严重的频段，因为蓝牙、无线局域网络、微波炉设备等都采用该频段的频率。

目前，很多研究机构设计的无线传感器网络节点的物理层基本上都是在现有工艺水平上展开，在频段的选择上都集中在433～464MHz、902～928MHz及2.4～2.5GHz的ISM频段。

3.调制解调技术

调制解调技术是无线通信系统的关键技术之一，也是无线传感器网络物理层的关键技术之一。

信源（信息源，也称发送端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，称为基带信号。基带信号的特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式，往往不能作为直接的传输信号。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，其由信源决定。相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。说的通俗一点，基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号。

调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输。也就是说调制信号是由原始信息变换而来的低频信号。调制本身是一个电信号变换的过程，是按A信号的特征然后去改变B信号的某些特征值（如振幅、频率、相位等），导致B信号的这个特征值发生有规律的变化，当然这个规律由A信号本身的规律所决定，由此，B信号就携带了A信号的相关信息。在某种场合下，可以把B信号上携带的A信号的信息释放出来，从而实现A信号的再生，这就是调制的反过程——解调。通过具体的方法从已调信号的参量变化中恢复出原始的基带信号。

调制技术通过改变高频载波的幅度、相位或频率，使其随着基带信号幅度的变化而变化。解调是将基带信号从载波中提取出来以便接收方处理的过程。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，数字调制是主流的调制技术。

根据所控参量的不同，调制分为幅度调制、频率调制和相位调制。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，因而可以采用电键控制，被称为键控信号，所以上述数字信号的调幅、调频、调相分别又称为幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。一直以来，人们都在寻求频谱利用率更高、频谱特性更好的数字调制方式。由于振幅键控信号的抗噪性能不够理想，因而现在广泛使用的调制方法是频率键控和相位键控。

4.扩频技术

扩频即扩展频谱，是一种信息传输方式，其信号所用的带宽远大于信息本身的带宽。频带的扩展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，在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。

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

扩频通信主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调。扩频技术的优点包括：抗干扰性能好、误码率低；隐蔽性强，因信号在很宽的频带上被扩展，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声之中，难以发现信号的存在，再加上扩频编码，就更难拾取有用信号；易于实现码分多址，扩频通信占用宽带频谱资源，改善了抗干扰能力，提高了频带的利用率。

5.物理层的帧结构

表2-2给出了无线传感器网络节点普遍使用的物理层的帧结构。在实际设计时都是在该物理层的帧结构基础上进行改进。

物理帧的第一个部分是前导码，一般是4字节，用于收发器进行码片或者符号的同步。第二个部分是帧头，一般是1字节，表示同步结束，数据包开始传输。前导码和帧头一起构成了同步头。第三部分是帧长度，一般是7比特，由一个字节的低7位表示，表示物理层负载的长度，也就是说负载长度不会超过127字节。第四部分是保留位，占1比特。第五部分是负载，携带的是物理层数据包的传输数据。