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无线传感网络构建
摘 要：文章提出了基于无线传感器网络的系统体系架构，初步探讨了WSN的设计和部署需要考虑传输环境、尺寸要求和功耗等多种因素。
关键词：无线传感网络；网络构建；信道
Abstract: The article proposed based on the wireless sensor network's system system construction, has discussed the WSN design and the deployment initially needs to consider the transmission environment, the size request and the power loss and so on many kinds of factors.
key word: Wireless sensing network; Network construction; Channel
前言
无线传感网络利用被称为传感器节点的微型自动装置，在没有任何已确定的架构帮助下构建网络。WSN的数据传输率与WLAN 802.11、WiMAX、蓝牙等其他无线技术的数据传输率都低，因此为延长节点的寿命，它更强调调制类型的功率效率。本文初步探讨了WSN的设计和部署需要考虑多种因素，包括传输环境、尺寸要求和功耗。
在商业与军事应用中，无线传感器网络(WSN)能信息俘获与处理上给予很大支持。成功的系统设计和部署包括理解RF信道特性，以及根据功耗选择调制机制。这些因素最终决定了WSN的有效范围、数据速率和电池的寿命。
WSN利用被称为传感器节点的微型自动装置，在没有任何已确定的架构帮助下构建网络(图1)。在无线传感器系统中，单个节点能够感应其环境，然后在本地处理信息，或者通过无线链路将信息发送到一个或多个集结点。由于RF发射功率低，所以每个节点的传输距离比较近。短距离传输使传输信号被窃听的可能性降到最小，同时还延长了电池的寿命。在某些传感器系统应用中，有些节点很难到达，因此就不可能更换它们的电池；在另外一些应用中，节点在没有更换电池情况下必须工作很长时间，因此系统的功率消耗成功关键参数。
由于容易安装，WSN使用点对点(ad hoc)的拓扑结构，并减少了对架构的依赖。尽管WSN使用点对点的架构，但这种架构与传统的无线点对点网络不同，WSN的性能主要依赖于传感器节点的特性表现。图2则描述了WSN的系统级架构。节点子系统由如下部分组成：传感器或感知环境的传感器、微控制器（处理与控制来自传感器的信号）、RF收发器（发送（Tx）和接收（Rx）RF信号）、天线（物理环境收发器接口）及电源（为各节点模块提供电压）。
在WSN中，RF信道容易受各种各样的电磁干扰，例如干扰、反射、散射、镜像。这些因素影响系统性能与成本，而需要做精确的模拟。因为传感器节点的尺寸是一个设计约束，那么选择工作频率便是设计的关键参数。在传感器系统中，WSN的数据传输率与WLAN 802.11、WiMAX、蓝牙等其他无线技术的数据传输率都低，因此为延长节点的寿命，更强调调制类型的功率效率（胜于频谱效率）。一个重要问题就是，来自其他系统或者系统内的节点到节点的无线电干扰会降低系统性能。
在任何无线系统中，RF信的道传播通道损耗是系统链路预算分析中的基本参数，被用来评估指定节点的输入处接收信号的强度。对于依照场地规划的传感器系统，可以使用典型的传播模型来预测通道平均损耗。可是，对于随机配置的传感器系统，节点可能被掩埋在潮湿的地下，或者被植被或其它阻隔物覆盖，这些经典的传播模型都无法正确预测成对的节点源与目标链路的传播通道损耗。因此，为设计和部署鲁棒的传感器系统，有必要对随机配置的传感器系统进行描述和建模。
在无线传感器系统中设计与开发中，最基本的选择是工作频率的选择。这必须遵守政府规章与无线电标准。当前，无线传感器系统使用的频率包括315MHz、433MHz、868MHz（欧洲）、915MHz（北美）和2.45GHz工业/科学/医学（ISM）频段。由于工作在2.45GHz频段的商用RF器件很多，2.45GHz频段上的设计很灵活。然而，使用该频段基本问题就是可能的制际干扰（intersystem interference）。干扰来自该频段的许多应用，包括WLAN802.11b/g、WiMAX和蓝牙，因此需要利用扩频技术或者捷频（frequency-agile）技术来减轻干扰。
由于通道损耗衰减低，使用较低的频率对于扩展通信距离有帮助。由于传输通道损耗低，系统链路预测中天线的增益就不能作为一个重要因素。然而，低频需要大尺寸的天线。如果节点间距离允许几米的配置密度，那么较低的频率将是一个好选择。非常低的工作频率（70MHz甚至更低）在某些无线传感器应用中是比较好的解决方案。
以下公式表明了接收节点上工作频率对（下转第224页）（上接第222页）功率的影响，其中PR（d）为发送距离函数，功率PR（d）采用如下对数高斯模型（Log-normal Shadowing Model）：
其中，Pt为发射功率，Gr为接收天线增益，Gt为发射天线增益，PL（d）等于距离发射机距离d的平均通道损耗。PL(d)根据下两式得到：
其中，PLo（do）等于在参考距离do 上的自由空间（free-spac）通道损耗，λ等于载波波长，n等于通道损耗指数（依赖于传播环境），Xσ 为遮蔽阴影项（shadowing term）（单位：dB，均值为0的高斯随机变量，标准偏差σ）
通过以上公式可很清楚地看到，在距离发射机10米处，工作频率900MHz比工作频率2.5GHz相比，前者的接收信号功率大约有10dB的提高。这样改进可降低发射功率，从而延长节点的寿命。
相反，未来的无线传感器系统需要非常小的节点、“智能微尘（smart dust）”和高密度部署（例如，节点只有几厘米大)。最合适的工作频率可能是微波频段（例如70GHz或更高），频率高的好处是天线尺寸小、频率可复用、功耗低。然而，这样的短距离无线链路可能涉及路由问题。
在任何传感器系统中，天线都是关键部分之一，因为它是RF信道与系统硬件的接口。由于发送功率低且天线尺寸受限，传感器节点间成功地发送与接收数据要求高效率的天线。传感器系统的天线可以是方向性的或是全向性的，这依赖于系统应用。方向性天线有助于降低干扰影响，并能延伸系统通信距离，但覆盖范围有限。使用全向天线能够覆盖所有场所，但是传输距离较短，并且可能捕获了需要的信号。
关键词：无线传感网络；网络构建；信道
Abstract: The article proposed based on the wireless sensor network's system system construction, has discussed the WSN design and the deployment initially needs to consider the transmission environment, the size request and the power loss and so on many kinds of factors.
key word: Wireless sensing network; Network construction; Channel
前言
无线传感网络利用被称为传感器节点的微型自动装置，在没有任何已确定的架构帮助下构建网络。WSN的数据传输率与WLAN 802.11、WiMAX、蓝牙等其他无线技术的数据传输率都低，因此为延长节点的寿命，它更强调调制类型的功率效率。本文初步探讨了WSN的设计和部署需要考虑多种因素，包括传输环境、尺寸要求和功耗。
在商业与军事应用中，无线传感器网络(WSN)能信息俘获与处理上给予很大支持。成功的系统设计和部署包括理解RF信道特性，以及根据功耗选择调制机制。这些因素最终决定了WSN的有效范围、数据速率和电池的寿命。
WSN利用被称为传感器节点的微型自动装置，在没有任何已确定的架构帮助下构建网络(图1)。在无线传感器系统中，单个节点能够感应其环境，然后在本地处理信息，或者通过无线链路将信息发送到一个或多个集结点。由于RF发射功率低，所以每个节点的传输距离比较近。短距离传输使传输信号被窃听的可能性降到最小，同时还延长了电池的寿命。在某些传感器系统应用中，有些节点很难到达，因此就不可能更换它们的电池；在另外一些应用中，节点在没有更换电池情况下必须工作很长时间，因此系统的功率消耗成功关键参数。
由于容易安装，WSN使用点对点(ad hoc)的拓扑结构，并减少了对架构的依赖。尽管WSN使用点对点的架构，但这种架构与传统的无线点对点网络不同，WSN的性能主要依赖于传感器节点的特性表现。图2则描述了WSN的系统级架构。节点子系统由如下部分组成：传感器或感知环境的传感器、微控制器（处理与控制来自传感器的信号）、RF收发器（发送（Tx）和接收（Rx）RF信号）、天线（物理环境收发器接口）及电源（为各节点模块提供电压）。
在WSN中，RF信道容易受各种各样的电磁干扰，例如干扰、反射、散射、镜像。这些因素影响系统性能与成本，而需要做精确的模拟。因为传感器节点的尺寸是一个设计约束，那么选择工作频率便是设计的关键参数。在传感器系统中，WSN的数据传输率与WLAN 802.11、WiMAX、蓝牙等其他无线技术的数据传输率都低，因此为延长节点的寿命，更强调调制类型的功率效率（胜于频谱效率）。一个重要问题就是，来自其他系统或者系统内的节点到节点的无线电干扰会降低系统性能。
在任何无线系统中，RF信的道传播通道损耗是系统链路预算分析中的基本参数，被用来评估指定节点的输入处接收信号的强度。对于依照场地规划的传感器系统，可以使用典型的传播模型来预测通道平均损耗。可是，对于随机配置的传感器系统，节点可能被掩埋在潮湿的地下，或者被植被或其它阻隔物覆盖，这些经典的传播模型都无法正确预测成对的节点源与目标链路的传播通道损耗。因此，为设计和部署鲁棒的传感器系统，有必要对随机配置的传感器系统进行描述和建模。
在无线传感器系统中设计与开发中，最基本的选择是工作频率的选择。这必须遵守政府规章与无线电标准。当前，无线传感器系统使用的频率包括315MHz、433MHz、868MHz（欧洲）、915MHz（北美）和2.45GHz工业/科学/医学（ISM）频段。由于工作在2.45GHz频段的商用RF器件很多，2.45GHz频段上的设计很灵活。然而，使用该频段基本问题就是可能的制际干扰（intersystem interference）。干扰来自该频段的许多应用，包括WLAN802.11b/g、WiMAX和蓝牙，因此需要利用扩频技术或者捷频（frequency-agile）技术来减轻干扰。
由于通道损耗衰减低，使用较低的频率对于扩展通信距离有帮助。由于传输通道损耗低，系统链路预测中天线的增益就不能作为一个重要因素。然而，低频需要大尺寸的天线。如果节点间距离允许几米的配置密度，那么较低的频率将是一个好选择。非常低的工作频率（70MHz甚至更低）在某些无线传感器应用中是比较好的解决方案。
以下公式表明了接收节点上工作频率对（下转第224页）（上接第222页）功率的影响，其中PR（d）为发送距离函数，功率PR（d）采用如下对数高斯模型（Log-normal Shadowing Model）：
其中，Pt为发射功率，Gr为接收天线增益，Gt为发射天线增益，PL（d）等于距离发射机距离d的平均通道损耗。PL(d)根据下两式得到：
其中，PLo（do）等于在参考距离do 上的自由空间（free-spac）通道损耗，λ等于载波波长，n等于通道损耗指数（依赖于传播环境），Xσ 为遮蔽阴影项（shadowing term）（单位：dB，均值为0的高斯随机变量，标准偏差σ）
通过以上公式可很清楚地看到，在距离发射机10米处，工作频率900MHz比工作频率2.5GHz相比，前者的接收信号功率大约有10dB的提高。这样改进可降低发射功率，从而延长节点的寿命。
相反，未来的无线传感器系统需要非常小的节点、“智能微尘（smart dust）”和高密度部署（例如，节点只有几厘米大)。最合适的工作频率可能是微波频段（例如70GHz或更高），频率高的好处是天线尺寸小、频率可复用、功耗低。然而，这样的短距离无线链路可能涉及路由问题。
在任何传感器系统中，天线都是关键部分之一，因为它是RF信道与系统硬件的接口。由于发送功率低且天线尺寸受限，传感器节点间成功地发送与接收数据要求高效率的天线。传感器系统的天线可以是方向性的或是全向性的，这依赖于系统应用。方向性天线有助于降低干扰影响，并能延伸系统通信距离，但覆盖范围有限。使用全向天线能够覆盖所有场所，但是传输距离较短，并且可能捕获了需要的信号。
