毋庸置疑無線技術的革命已經(jīng)開始：CDMA與GSM用于遠程語音和數(shù)據(jù)的傳輸，Wi-Fi用于無線局域網(wǎng)(WLAN)，藍牙用于消費導向的個人局域網(wǎng)(PAN)，所有這些應用都正在蓬勃發(fā)展。盡管是已經(jīng)獲得商業(yè)化成功的技術，但由于距離、帶寬、和功耗的要求，它們被局限于特定的應用領域。要令未來發(fā)生巨大的無線技術革命，需要一種真正普適的網(wǎng)絡技術，由它搭建起的網(wǎng)絡應能容納上百節(jié)點。這些節(jié)點還要能夠在任何時間都可相互通訊且不會受其它射頻源的干擾。由這些節(jié)點構成的網(wǎng)絡具有經(jīng)濟、超低功耗無線收發(fā)、適度的帶寬(可以每秒發(fā)送數(shù)次小量的傳感器數(shù)據(jù))等特點，而且一般工作于全球開放的2.4GHz ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)學)頻段。

這里有一些主要的設計約束條件：如果一個網(wǎng)絡將包括眾多節(jié)點，那么每個節(jié)點的成本必須很低(目前大約要低于5美元，將來會更低)，而且事實上要免維護。由于有些節(jié)點很可能會位于難以接近的位置，因此能夠由廉價的鈕扣電池供電工作幾個月甚至幾年也變得非常關鍵。現(xiàn)在已有技術能夠滿足以上的條件。由ZigBee聯(lián)盟所倡導的基于IEEE802.1.4標準的技術解決方案就是其中之一。還有很多專有技術也已被多方采用，其中包括Dynastream公司的技術，即ANT。

實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡必須解決的技術難題包括：怎樣避免節(jié)點間和來自其它射頻源的干擾；網(wǎng)絡的擴展升級問題；可以承載的節(jié)點數(shù)目；節(jié)點是否可以按需隨時(ad hoc)地加入網(wǎng)絡而不需對網(wǎng)絡的其他部分進行再配置；所需帶寬；怎樣盡量減小功耗；所需的微處理器資源。

圖：(a) 該種網(wǎng)絡常被稱作星狀網(wǎng)(Star Network)，形象地表示出一個中心節(jié)點與它周圍節(jié)點的通訊關系；(b) 星狀網(wǎng)可與其它星狀網(wǎng)連接從而形成更復雜的系統(tǒng)，常被稱作樹狀網(wǎng)或集群網(wǎng)。

實際上，所有的實用網(wǎng)絡問題都可以由較簡單的預先確定好的網(wǎng)絡結構來解決。其中最簡單的結構就是點對點網(wǎng)絡，即一個節(jié)點與另一個節(jié)點通訊。而復雜一些的網(wǎng)絡將包括許多發(fā)送信息的外圍節(jié)點和一個接收信息的接收節(jié)點。在健身和保健領域，這類網(wǎng)絡得到了主要應用和驗證。如圖1(a)所示，一位騎車者佩帶著運動手表(節(jié)點1)，而節(jié)點2是GPS定位器，節(jié)點3是速度計，節(jié)點4時心率監(jiān)測器。節(jié)點2、3和4同時通過各自專有的信道A、B和C與運動手表保持通訊。這種類型的網(wǎng)絡常被稱作星狀網(wǎng)(Star Network)，形象地表示出一個中心節(jié)點與它周圍節(jié)點的通訊關系。星狀網(wǎng)可與其它星狀網(wǎng)連接從而形成更復雜的系統(tǒng)，常被稱作樹狀網(wǎng)(Tree Network)或集群網(wǎng)(Cluster Network)(如圖1b所示)。這一類型的無線網(wǎng)絡不僅被用于體育和運動領域，還可被用在其它許多領域，譬如新興的醫(yī)療檢測設備，家庭自動化和工業(yè)控制等。這些例子表明絕大多數(shù)實際中的網(wǎng)絡，在節(jié)點功能等同的條件下，不必要求每個節(jié)點都與其相鄰的節(jié)點通訊。

實用的無線網(wǎng)絡必須低成本，抗干擾(來自其它射頻源，包括臨近節(jié)點)，性能可靠并且低功耗。每個網(wǎng)絡節(jié)點都需要硬件來驅動。這個硬件作為網(wǎng)絡的物理層(PHY)由一個無線收發(fā)芯片和與之相配的微處理器構成。物理層支持一個協(xié)議棧和一個應用層，構成了一套特殊指令集用于網(wǎng)絡的應用。

通訊協(xié)議可能是保證實際無線網(wǎng)絡如愿運行的最關鍵因素。它通過建立共存、數(shù)據(jù)表述、信令、鑒權和糾錯等標準規(guī)則，來決定節(jié)點間的無線互聯(lián)通訊。

要選擇無線通信協(xié)議，有一種方法就是比較它們的功效，即數(shù)據(jù)包的開銷(與特定節(jié)點建立通訊并決定數(shù)據(jù)怎樣可靠傳遞所需的信息)和有效載荷(真正有用的數(shù)據(jù))的比率。除此之外，還有另外幾點需要考慮。其中的關鍵包括無線收發(fā)部分本身的帶寬和硬件效率，再加上通訊管理，即通訊時的物理層效率。在給定數(shù)據(jù)量的前提下，無線收發(fā)部分的帶寬廣義上與發(fā)射機需要保持在高能耗信息發(fā)射狀態(tài)的時間長短相關。理論上，越寬的帶寬，發(fā)射數(shù)據(jù)的速度越快，而無線發(fā)射部分必須在休眠狀態(tài)以外的時間就越短。在實際應用中，增加帶寬要消耗功率。一般認為最佳的折衷點在1Mbps，超過這個帶寬，所得的收益反而不敷所增加的功率損耗了。

但是所有無線收發(fā)硬件效率所帶來的功率節(jié)省卻很容易被一個效率低下的物理層所拖累。無線收發(fā)部分在“開”的狀態(tài)所消耗的電能比“關”的狀態(tài)高幾個數(shù)量級，所以“開”狀態(tài)對整個功率消耗會產(chǎn)生最大的影響，所以真正的挑戰(zhàn)是如何讓無線收發(fā)部分盡量處在最低功耗的關機狀態(tài)。

確定一個好的無線收發(fā)芯片和高效的協(xié)議只是設計實用無線網(wǎng)絡的工作的一部分。無論你的網(wǎng)絡包含兩個、十個甚至上百個節(jié)點，最大的挑戰(zhàn)還是怎樣把這些節(jié)點連成可靠并可擴展升級的網(wǎng)絡。

要實現(xiàn)這樣的目標，關鍵是選擇這樣一種技術,其所有網(wǎng)絡節(jié)點在物理連接層上具有等同的功能，從而在實際無線網(wǎng)絡中既能作為“從”節(jié)點又能作為“主”節(jié)點，而且可在任何時間改變角色。換句話說，這些節(jié)點應該有能力作為發(fā)射方、接收方或發(fā)射接收方來建立通向其它節(jié)點的通路。在此基礎上，每個節(jié)點還應該有能力跟據(jù)相鄰節(jié)點的行為來確定發(fā)送信息的最佳時間。上述這些性能結合起來，意味著對于任何拓撲結構的網(wǎng)絡，按需隨時地加進一個節(jié)點是容易做到的。

建設一個執(zhí)行實際功能的網(wǎng)絡不僅僅要求節(jié)點互通，節(jié)點還要經(jīng)過配置來執(zhí)行具體的功能，選擇適當?shù)募夹g，這種功能配置會是相當?shù)娜菀住ＴO置、測試和調(diào)試都通過電腦圖形用戶界面來進行，就連不是專家的人也可在幾小時而不是幾天內(nèi)完成。

超低功耗是實用無線網(wǎng)絡的基本要求。為了最大限度的減少維護，供電的鈕扣電池(例如CR2032，標稱容量220mAh，峰值電流25mA)需要能夠維持網(wǎng)絡節(jié)點正常運轉幾個月，最好幾年。例如由Dynastream公司開發(fā)的ANT技術，它運轉在Nordic半導體公司生產(chǎn)的2.4GHz無線收發(fā)芯片上。對于一個每天工作一小時，每秒發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)的應用(例如位于足部的速度距離監(jiān)測器與運動手表間的通訊)，發(fā)射端與接收端的電池壽命分別是6.4年和5.6年。這個結果大大優(yōu)于目前商用化的ZigBee解決方案。

與當代其它使用2.4GHz的無線技術一樣，無線傳感器網(wǎng)絡也工作在這個日益擁擠的頻段。其網(wǎng)絡節(jié)點要送達信息，就必須與Wi-Fi、藍牙、無繩電話以及其它網(wǎng)絡節(jié)點來競爭，干擾規(guī)避策略是至關重要的。在2.4GHz頻段，目前有三種公認的技術用來盡量減少設備受干擾的影響。一個是時隙分配方案。一個是直接序列擴頻(DSSS)，例如ZigBee所采用的技術。再有就是跳頻擴頻(FHSS)，例如藍牙所采用的技術。

使用DSSS和FHSS技術能達到目的，但是要求接收和發(fā)射端同步工作。在FHSS技術中，這樣才能確保設備同時調(diào)整到相同的一段窄帶頻譜上。而在DSSS技術中，同步確保頻帶壓縮使用與頻帶擴展相同的偽隨機序列。同步的要求增加了網(wǎng)絡的復雜性以及功耗。雖然在不需通訊時可以關掉同步部分以節(jié)省電能，但重新獲得同步卻要花費幾秒時間并消耗更多的能量。

ANT的專有技術使用了一種自適應等時網(wǎng)絡方案。它利用了設備中無線收發(fā)部分只用極短時間發(fā)送信息(每條信息小于150μs)這一特點，使得一個單一信道可被分隔成許多時隙。信息發(fā)送周期決定了到底劃分幾個時隙。在實際運轉中，發(fā)射端以正常的間隔發(fā)送信息。但當在這個特別的時隙檢測到相鄰節(jié)點的干擾時，發(fā)射端會進行調(diào)整直到找到一個沒有干擾的時隙。假如射頻環(huán)境更加擁擠，ANT系統(tǒng)具有的頻率捷變能力使得應用微處理器能夠控制發(fā)射頻率跳變到另外一個屬于2.4GHz的1MHz頻段上。