對于無線通信模塊可能從字面上來理解大家就會認(rèn)為是在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中的通信相關(guān)作用的模塊，但是本文介紹的無線通信模塊是在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的，包括各個(gè)層面的應(yīng)用和協(xié)議。
無線通信模塊應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。鑒于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源和運(yùn)算能力，一般不定義傳輸層。確實(shí)需要的話，可以在應(yīng)用層中做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充。目前各層次協(xié)議還沒有標(biāo)準(zhǔn)化。
事實(shí)上，傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用的聯(lián)系非常緊密，不同的應(yīng)用往往對通信指標(biāo)有不同的要求，所以即使要對各個(gè)層次的協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，也不太可能為所有的應(yīng)用統(tǒng)一使用相同的協(xié)議。一種比較合適的做法是，針對各種應(yīng)用定義一組可行的通信協(xié)議。
1．物理層協(xié)議物理層需要考慮編碼調(diào)制技術(shù)、通信速率和通信頻段等問題。
編碼調(diào)制技術(shù)影響占用頻率帶寬、通信速率、收發(fā)功率等一系列技術(shù)參數(shù)。比較常見的編碼調(diào)制技術(shù)包括開關(guān)鍵控、幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控和各種擴(kuò)頻技術(shù)，如跳頻、直接序列擴(kuò)頻等。不同的無線應(yīng)用技術(shù)往往會選擇幾種作為其基本文持的調(diào)制方法，在后面的技術(shù)介紹中會有簡單的例子。
一般傳感器網(wǎng)絡(luò)定義為低功耗、低數(shù)據(jù)量傳輸、長期工作的無線網(wǎng)絡(luò)，所以本身對于數(shù)據(jù)傳輸速率的要求并不高。不過提高速率可以減少數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間，對于節(jié)能有一定好處，只是需要同時(shí)考慮提高網(wǎng)絡(luò)速度對收發(fā)功率的影響。一般用單個(gè)字節(jié)的收發(fā)能耗來定義數(shù)據(jù)傳輸對能量的效率，單字節(jié)能耗越小越好。
無線通信特有的空間獨(dú)占性決定在實(shí)際應(yīng)用中必須要符合一定的規(guī)范。各個(gè)國家對無線電子類產(chǎn)品都有指定部門進(jìn)行監(jiān)督和管理。任何無線電產(chǎn)品在應(yīng)用之前都要經(jīng)過管理機(jī)構(gòu)審批。
無線頻譜是一種不可再生的資源。為了有效利用無線頻譜資源，各個(gè)國家和地區(qū)都對無線電設(shè)備使用的頻段、特定應(yīng)用環(huán)境下的發(fā)射功率等作了嚴(yán)格的規(guī)定。所以在傳感器網(wǎng)絡(luò)使用頻段的選擇上，也需要慎重考慮。
2．4GH2頻段在大多數(shù)國家都無需申請?jiān)S可證，應(yīng)該是傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先選擇的傳輸頻段。另外，無線通信模塊消耗的能量在傳感器節(jié)點(diǎn)中占主要部分，所以考慮無線通信模塊的工作模式和收發(fā)能耗很關(guān)鍵。與手機(jī)、PDA等使用電池方式工作的設(shè)備一樣，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊必須是能量可控的，并且收發(fā)數(shù)據(jù)的功耗要非常低，對于支持低功耗待機(jī)監(jiān)聽模式的技術(shù)要優(yōu)先考慮。
2．鏈路層協(xié)議傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路層和其他網(wǎng)絡(luò)的鏈路層一樣，需要提供流量可控、傳輸可靠的點(diǎn)到點(diǎn)通信服務(wù)。在某些特殊應(yīng)用中往往還需要提供必要的安全機(jī)制，如秘密信息的加密傳輸和關(guān)鍵信息的認(rèn)證機(jī)制。
與其他網(wǎng)絡(luò)不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)本身對數(shù)據(jù)傳輸速率要求并不高，而對能否長期穩(wěn)定工作要求很高。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)在大部分的時(shí)間里是休眠的，所以要求鏈路層協(xié)議能夠解決通信同步問題，即通信節(jié)點(diǎn)雙方需要在通信時(shí)同時(shí)喚醒。另外，與無線集中交換式網(wǎng)絡(luò)不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)在通信上地位都是對等的，也就是說沒有優(yōu)先級可言。所以要讓整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠工作在有效狀態(tài)，往往需要做到全網(wǎng)或者一定范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的同步，而不是通信雙方的簡單同步。
目前廣泛應(yīng)用的無線通信技術(shù)非常多，GSM(G10balSystem for Mobile CommMnication)和CDMA(Code DMsion MultiPle Access)等技術(shù)更適合移動性很強(qiáng)的集中交換式的網(wǎng)絡(luò)(節(jié)點(diǎn)和基站之間只有一跳)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，這些技術(shù)主要用于匯聚節(jié)點(diǎn)與Intemet之間的互通。
IEEE 802．門標(biāo)準(zhǔn)描述的無線局域網(wǎng)協(xié)議速率超過10Mbps，最大輸出功率為20dB，傳輸距離長和穿透力較強(qiáng)，而且有優(yōu)先級發(fā)送機(jī)制。但其MAC協(xié)議復(fù)雜，運(yùn)行功耗大，外圍電路復(fù)雜，不適合在傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用。
1EEE 802．15系列標(biāo)準(zhǔn)由lEEE協(xié)會的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(W此1ess PersonalArea Net—work，WPAN)工作組主導(dǎo)制定。該系列標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于小范圍的無線網(wǎng)絡(luò)，例如應(yīng)用在便攜和移動計(jì)算設(shè)備中。藍(lán)牙(1EEE 802．15．1)是為固定、便攜以及移動的設(shè)備在個(gè)人工作區(qū)范圍內(nèi)或進(jìn)入個(gè)人工作區(qū)建立無線連接而制定的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為各種業(yè)務(wù)類型，包括話音和數(shù)據(jù)，增加了QoS方面的支持；IEBE 802．15．2標(biāo)準(zhǔn)主要解決藍(lán)牙和wLAN共存的問題；802．15．3考慮高速的WPAN物理層和鏈路層，以支持多媒體方面的應(yīng)用；802．15．4協(xié)議(即ZixBee協(xié)議)則是定義250kbps的低復(fù)雜度、超低功耗和超低價(jià)格的無線數(shù)據(jù)通信協(xié)議的物理層和MAC層，同時(shí)支持無線安全通信。藍(lán)牙協(xié)議的復(fù)雜度比zigBee協(xié)議大，芯片的價(jià)格也比較高。不過隨著各種應(yīng)用的普及，支持藍(lán)牙技術(shù)的芯片的價(jià)格還有很大的下降空間。藍(lán)牙技術(shù)的傳輸速率能夠達(dá)到1Mbps，ZigBee技術(shù)目前支持的最高速率為250kbps。zigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)過程中專門考慮了傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求，在功耗方面、同步技術(shù)上以及安全問題方面都作了充分的考慮。另外，除了2．4GH2的載波頻段，zigBee還定義了700MHz和866MHz兩個(gè)頻段，同時(shí)支持多種數(shù)據(jù)通信速率的選擇。
zigBee很可能成為傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的無線通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之一。超寬帶(UwB)技術(shù)最早研究短距離高速無線連接問題，旨在實(shí)現(xiàn)個(gè)人局域內(nèi)的多媒體應(yīng)用，距離在10m以內(nèi)。802．15．3a工作組的任務(wù)就是設(shè)計(jì)基于UWB的高數(shù)據(jù)傳輸率的物理層協(xié)議。有兩個(gè)技術(shù)聯(lián)盟為高速UWB提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：MBOA(MultiBand oFDM A11iance)和wiMediaAlIiance。MBOA以Intel公司和德州儀器公司為代表，提出了基于正交頻分多路復(fù)用(0rthogonalFrequency—Division MMltiPlexing，oFDM)的無線技術(shù)方案；WiMedia A11iance以Freescale公司為代表，提出基于DS—CDMA的單頻帶技術(shù)方案。2003年7月，802．15．4a工作組成立，其主要工作是定義支持低速率的UwB系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。這種標(biāo)準(zhǔn)主要針對速率在1kbPs—lMbps的應(yīng)用系統(tǒng)，并且把更長的通信距離、低功耗、小于1m精度定位作為主要研究目標(biāo)。2004年7月，工作組開始為這種技術(shù)征集技術(shù)基礎(chǔ)理論。2005年1月，在美國加州Monterey舉行的IEEE 802．15無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)中期會議中，共有26項(xiàng)提案被正式公開發(fā)表在802．15．4a wPAN(低速率)標(biāo)準(zhǔn)化會議上。工作組主席Pat Kinney建議眷進(jìn)行融合(Merge)，3月份在美國亞特蘭大市召開802*15全體會議時(shí)，將26個(gè)提案融合成最多6個(gè)共同提案；然后進(jìn)行淘汰投票。這種速率可調(diào)、有精確定位機(jī)制的為低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，如果再加入必要的安全機(jī)制，一定會成為傳感器網(wǎng)絡(luò)最理想的通信協(xié)議之一。
如前所述，無線傳感器技術(shù)本身還是一個(gè)開放的研究領(lǐng)域，其無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，很多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)還在不斷研究各種新的MAC協(xié)議。所以對于研究機(jī)構(gòu)來說，無線通信模塊可以不包括任何MAC層協(xié)議，而只提供物理層的收發(fā)數(shù)傳功能的無線通信模塊。鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層都使用白定義協(xié)議。為了研究各種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的方便，在Mote系列節(jié)點(diǎn)的大部分版本中使用這樣的無線數(shù)傳模塊，如RFM公司的TRl000、ChiPcon公司的CCl000數(shù)傳模塊等。