超宽带技术应用于无线传感器网络

王均

摘要：对于物联网和大数据技术，无线传感器网络是重要的基础设施，涉及到大面积传感器密集部署，要求造价低廉、低功耗、组网灵活、免维护。超宽带通信技术可以较好满足这样的要求，是无线传感器网络的良好选择。

关键词：超宽带技术；UWB；无线传感器网络；WSN；物联网

引言

超宽带（UWB）技术具备很好的时域解析度，可以用于精确定位、追踪、与现有窄带系统共存，可实现低功耗低成本的片上设备，被认为是构建无线传感器网络（WSN）的可行技术。基于普通微控制器的小型设备的传感器节点（SN）是WSN的支柱，通常用电池供电，只能提供相对小而有限的处理能力。结果，一定数量基于UWB的传感器网络在工业和政府领域部署。UWB设备有三个独立频段，亚G赫兹频段（250-759MHz）、低频段（3.1-5GHz）、以及高频段（6-10.6GHz），每个频段有一个强制性信道，设备在此频段独立运作。这里重点讨论基于扩频技术的UWB低频段（3.244-4.742GHz）在WSN的应用。系统主要特征是使用简单二进制调制技术和非相干检测方案的优点来简化设计，仿真结果显示，脉冲重复编码器对性能、控制数据速率、可靠接收都有显著影响。还有，用能量检查方法成功恢复数据，接收机方案无需考虑脉冲同步和相干检测而变得简单。我们也分析了脉冲重复编码器和扩频技术对健壮性和低发射功率设计的帮助。

一、WSN的应用和概述

WSN可以用在很多地方，必须能通过单跳或多跳无线链路组网，部署完成后，传感器节点检测环境变化通过网络上报。不论地理区域大小，传感器节点在敌对环境中是极好的部署。WSN用于军事观察、搜索和救援、工厂基础维护、建筑健康监控、智能家庭、甚至病人监护等场合。此外，从环境监视扩展到灌溉、生化检测、精准农业、森林防火、食物检验、环境生物多样性制图、污染研究等等。

WSN简单定义为传感器节点的集合，节点装备有传感器、处理器和无线电发射器，密集部署具备数据采集和处理能力的网络。传感器网络应该具有这些特点：

花费低廉：节点数量大，单节点支出必须很低。

结构小巧：发射器的构成（包括电源和天线）必须小型，便于放置。

低功耗：一个传感器需要没有电池维护的情况下工作数年，要求功耗非常低。

健壮性：干扰、慢衰落、阻挡下的数据通信可靠性，保证高质量服务。

可变数据速率：UWB的数据速率不够支持多媒体，简单应用只要低数据速率，有些需要中等速率。

异构网络：节点的功能和需求各有不同，异构网络可以接入低性能节点，处理数据收集任务。

二、WSN物理层和UWB的可行性

图：UWB频谱与现有无线电服务

IEEE发布了IEEE802.15.4a标准组，关于传感器网络应用的物理层要求。UWB物理层提供110kb/s、1.70Mb/s、6.81Mb/s、27.24Mb/s等不同数据速率，UWB技术可以在低功率谱密度下传送大量数据。短促的UWB脉冲在接近直流到数GHz的频谱上辐射能量，UWB信号对于IEEE802.11无线局域网的22MHz频带相当于随机噪声，WLAN的带宽对UWB信号来说只是一小段，这意味着UWB系统有很好的抗噪声健壮性。另外，相对于窄带系统而言，UWB具有极好多径效应能力。

物理层是计算机网络必要的组成部分，提供数据收发、信道感知、链路质量检测、信道选择等功能。UWB物理层为WSN设计提供扩展的健壮性。IEEE802.15.4a发布扩展了四种物理层版本，包括一个使用直接序列和一个啁啾扩频（CSS）的UWB。UWB物理层工作在三个频段，分别是低于1GHz、3-5GHz之间、6到10GHz之间，CSS物理层在2450MhzISM频段。加入CSS是因为它支持快速移动设备的距离比别的标准长。

三、UWB信号

近年来一些UWB系统开始部署，例如使用脉冲相位调制（PPM）的脉冲无线电，二进制相移键控（BPSK）调制、脉冲幅度调制（PAM）相对应的基于频率使用OFDM等。

FCC规定UWB信号为：

UWB带宽：UWB带宽（3.244-4.742GHz或5.944-10.234GHz）是受限制低于最大辐射10dB的频段。

中心频率：中心频率，fc，等于（fH+fL）/2。

相对带宽：相对带宽等于2（fH-fL）/（fH+fL），UWB相对带宽等于或大于0.2以及占用超过500MHz的带宽。

EIRP：等效全向辐射功率不大于-41dBm或560mw。

参数表

参考文献：

[1]Allen，B.（2004）.Ultrawidebandwirelesssensornetworks.IEESeminaronUltraWidebandCommunicationsTechnologiesandSystemDesign，King’sCollege，London.Pp：35-36

[2]Zeng，D.（2005）.PulseShapingFilterDesignandInterferenceAnalysisinUWBCommunication

[3]Systems.DissertationSubmittedtotheDepartmentofElectricalandComputerEngineering，VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity.