超宽带通信中的天线技术

　　4.1物理层设计

　　物理层的设计目标是在各种应用场景中提供可靠通信，以有效的方式减轻移动通信中的多径干扰，提供满足系统实时性要求的点对点高速率视频通信和音频信号传输，解决由于传感器网络中的多跳传输造成的网络吞吐量降低的问题。

　　提出了一种作用距离为100m，通信带宽为1GHz，载波频率为6GHz，支持10Mbit/s和40Mbit/s两种码速率的基于UWB的物理层方案。该方案采用16bit Walsh-Hadamard序列直接扩频；采用多载波通信（MDM）减轻多径干扰，即数据符号首先分组，然后映射到一套具有扩展了符号发送时间的正交序列上，这样，码间干扰（ISI）可以由于序列的正交性得到消除；为消除来自节点本身的发送自干扰和所接收到的来自其他节点的信号干扰的问题，在MAC层采用了具有正交特性的码分体制；制定了三种通信模式，通过导频符号对信道进行检测估计和实现自适应调制。文献[3]提出了一种将UWB做为物理层，采用PPM作为解调方式的WSN的接收器设计方案；文献[4]在将UWB纳入物理层标准的基础上，以提高能量利用效率为目标，提出了一种跨网络层次的传感器网络体系结构方案。

　　4.2定位设计

　　在目标检测、目标跟踪、目标搜索、制导、路由等应用场景中，无线传感器网络要求传感器节点能够确定它们的物理位置。为了解决这一问题，近年来研究机构提出了许多定位方案。总的来说，这些方案共同点是认为首先应通过GPS或者人工初始配置的方式确定网络中少数节点的地理位置；不同点是有的直接通过点对点的距离和角度定位，有的通过与邻近节点的关系定位。相比较而言，前一类方法可以提供精确的定位，但由于需要执行精确的距离与角度测量故对硬件有很高的要求；第二类方法定位精度低，但对硬件的要求也较低。

　　目前的方案大多数针对条件良好的应用场景设计。如果在战场环境中，敌人有可能利用这些定位方案的缺点进行攻击，从而破坏整个网络系统的性能。比如冒充被测节点、发送虚假应答信号、截获来自被测节点的真实应答信号等。文献[5]对现有的定位机制进行改进，通过在整个通信覆盖区域添加空间可移动的传感器节点提高了传感器网络定位的安全性，形成了基于UWB传感器网络的移动辅助的安全定位机制。与传统的定位方法所不同是这种移动辅助的算法不需要每个传感器节点准确地测量与簇头的距离并进行最小均方估计（MMSE）只需对移动的节点信号进行应答，将距离测量和定位计算等任务被转交给移动节点完成。文献[6]建议采用UWB的传感器网络采用多天线收发进行定位以进一步提高精确度；文献[7]在利用UWB进行定位的基础上，建议针对不同链接情况采用不同的调制技术；文献[8]利用UWB的精确定位功能进行静态传感器网络拓扑结构的确定，在此基础上根据能量最省的原则推导了能量消耗与路由选择之间的关系。

　　4.3MAC层设计

　　列举了一个已经应用于体育运动的设计方案，通过案例说明了将UWB应用于传感器网络的可能性以及由此带来的效益。在设计方案中，传感器节点被设计为移动节点和固定节点两种，移动节点主要利用UWB的定位精度向固定节点实时发送坐标信息，而固定节点则用于信息的收集、融合以及与后端服务器的通信。UWB的低能量消耗的特点可以有效节约移动节点的有限能源从而延长其工作寿命。为解决多节点同时访问同一目的节点而引发的共享信道的问题，该方案在MAC问题中采取了分时调用的方式。文献[10]分析了MAC问题产生的原因，介绍Aloha和CSMA（CarrierSenseMultipleAccess）两种主要的MAC协议并指出为了适用于多跳传输应当在具体应用中对这两种协议进行修改。以Aloha为例分析了网络覆盖面积与总吞吐量之间的关系，提出对网络的整体性能采用总吞吐量作为指标进行衡量，对单个链接的性能采用传输损耗概率进行衡量；分析了衡量MAC问题的指标与UWB作用下的网络半径的之间关系。通过分析指出即使增加网络节点间通信的跳数，小的覆盖半径依然可以减少多路访问问题造成的干扰。

　　5、结束语

　　超宽带技术凭借带宽、功耗、定位精度等方面的优势成为无线通信领域一个非常有前景的技术。由于满足了无线传感器网络低功耗、低成本、结构简单、高定位精度等要求，超宽带技术将会成为无线传感器网络物理层最理想的通信协议之一并将为无线传感器网络的应用提供新的发展机遇。