补充2_无线传感器网络导论_060924

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大连理工大学,*,无线传感器网络导论,邱天,爽,大连理工大学电子信息与电气工程学部,2010,年,12,月,大连理工大学硕士研究生必修课,_,补充材料,基本内容,绪论,无线传感器网络的节点,无线传感器网络的体系结构,无线传感器网络的协议,其它问题,9/16/2024,2,大连理工大学,第一章的主要教学参考书,笔记,Your own course notes are the most valuable sources of information.,参考教材,教师自编讲义课件,参考书,Holger,Karl, Andreas,Willig, Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons, 2005,孙利民，李建中，陈渝等，无线传感器网络，清华大学出版社，,2005,9/16/2024,3,大连理工大学,1.,绪论,（,1,）无线传感器网络的基本概念,无线传感器网络（,WSN,）,技术是以下三种技术的结合,网络技术,无线通信技术,传感器与执行器技术,概念,是一种新兴的网络，称为,无线传感器网络,（,WSN,）。,这种网络由多个单节点组成，各节点通过传感或控制参数实现与环境的交互；,节点必须通过相互关联才能完成一定的任务，而单个节点则通常无法发挥作用；,节点间的关联性是通过无线通信实现的；,从本质上说，节点至少具有计算处理、无线通信、传感或控制能力。,9/16/2024,5,大连理工大学,WSN,的组成原理框图,9/16/2024,6,大连理工大学,WSN,的组成原理说明,无线传感器网络系统通常包含传感器节点（,Sensor node,），,汇聚节点（,Sink node,）,和管理节点。,大量的传感器节点随机部署在监测区域（,Sensor field,）,内部或附近，通过自组织方式构成网络；,传感器节点监测的数据沿其它传感器节点逐跳地进行传输；,在传输过程中，监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后传输到汇聚节点；,最后通过互联网或卫星达到管理节点；,用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务，并收集监测数据。,9/16/2024,7,大连理工大学,WSN,的体系结构（续）,传感器网络协议栈,9/16/2024,8,大连理工大学,（,2,）无线传感器网络的应用概况,军事应用,由于,WSN,具有可快速部署、隐蔽性强和高容错性的特点，非常适合军事应用；,实现对敌军兵力和装备的监控，战场实时监视、目标定位、战场评估、核攻击和生化攻击的监测和搜索等；,通过飞机或炮弹直接将传感器节点播撒到敌方阵地内部，或在公共隔离带部署；,即使一部分节点被破坏，其余的仍可以工作；,美国很早开始研究（,Sensor Information Technology,）,9/16/2024,9,大连理工大学,环境监测与预报,为化学污染物等垃圾物选址,；,海洋监测，了解大陆架海域侵蚀状况对建设近海风力发电农场是很重要的,；,研究生活在某一区域的动植物种类的数目,(,生物多样化勘测,),；,行星探测、气象和地理研究，洪水检测等；,通过对鸟类、小型动物和昆虫的跟踪，进行种群复杂度研究；,森林火灾监测与报警；,生态多样性描述，动物栖息地生态监测。美国加州大学伯克利分校在,Great Duck Island,上部署了一个多层次的传感器网络系统，用来监测岛上海燕的习性。,9/16/2024,10,大连理工大学,医疗护理,监测人体的各种生理数据（在患者身上安装各种传感器，监护病情）；,药品管理（将传感器节点按照药品种类分别放置，计算机帮助辨认所开的药，避免差错）；,长时间收集人的生理数据；,用,100,个微型传感器组成替代视网膜，可以使盲人恢复一定的视力。,智能家居,在家具和家电中嵌入传感器节点，使其可以通过无线网络与,Internet,连接在一起；,建立智能幼儿园，监测儿童的活动，跟踪其活动轨迹等。,9/16/2024,11,大连理工大学,医疗护理举例,用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。,例：一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维,C,片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、,LED,、电池、特制芯 片和天线组成。 （如图）,9/16/2024,12,大连理工大学,图示,9/16/2024,13,大连理工大学,智能家居,家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与,Internet,连在一起。为人提供人性化的家居环境。,例：,Avaak,提供一个只有,1,立方,英寸大小的自治产品。这,个微型的无线视频平台包,含有一节电池、无线电、,摄像相机、,(,彩色成像器加,镜头,),、控制器、天线和温,度传感器。（如图,）,9/16/2024,14,大连理工大学,建筑物状态监控,由于建筑物的不断修补，可能会出现安全隐患。,地壳的微小震动不回带来显著的损坏，但可能会在支柱上产生潜在的裂缝；,美国加州大学采用传感器网络监测大楼、桥梁等的自身状态。,例,Microstrain,在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态 。,9/16/2024,15,大连理工大学,图示,9/16/2024,16,大连理工大学,灾难预警与救助,监测意外火灾：为传感器节点配备温度计，而各个节点能够自动定位,(,相对地址或绝对地址,),。,监测海啸等。,9/16/2024,17,大连理工大学,在交通运输中的应用,在货物中安置简易的传感器,(,以私人包裹为例,),，在运输过程中对目标货物进行简单跟踪或对商店及库存货物进行方便的管理；,在机场里，一个手提箱在传送带上移动，经过某几个测试点。与主动通信和信息处理相比，被动读取数据比较简便而且成本低，它是由电子标签,(RF ID),实现的。,另一方面，一个简单的电子标签不能支持更高级的应用。难以想象一个被动通信系统如何定位仓库里的货物；,同样，实现对目标物品历史信息的存储也并非易事。,9/16/2024,18,大连理工大学,完成空间探索,借助于航天器在外星体撒播一些传感器网络节点，可以对星球表面进行长时间监测。成本低、节点体积小，相互之间可以进行通信，也可以和地面站进行通信。,例：,NASA,的,JPL,（,Jet Propulsion Laboratory,）实验室研制的,Sensor Webs,就是为将来的火星探测进行技术准备。该系统已经在实施测试和完善,。,9/16/2024,19,大连理工大学,在其它方面的应用,应用于空间技术：在外星体部署一些传感器节点，可以实现对星球表面的长时间监测；,NASA,已经进行了这方面的研究，拟在火星进行部署；,智能微尘：用于西气东运及输油管的监测；,电力监控；,9/16/2024,20,大连理工大学,（,3,）无线传感器网络的主要特点,三种技术的融合：,无线通信技术；,传感器与执行器技术；,网络技术,与目前现行的网络有显著区别,服务类型方面,传统网络：,数据传送；,WSN,：,传送数据只是一种方法，但并非真正的目的。,WSN,用来实现测量与控制等。,9/16/2024,21,大连理工大学,服务质量方面,传统网络：,追求较小的延迟或者较小的带宽占用；,WSN,：,需要考察在指定的信宿上对观测目标或区域信息提取的数量和质量。适应性很重要。,容错性方面,传统网络：,有要求；,WSN,：,要求非常高。,因为节点的能量可能耗尽，节点可能损坏，或两个节点间的无线通信可能永久中断。因此,WSN,的容错性是非常重要的。为了容许节点故障，冗余部署是必须的。,寿命方面,传统网络：,不是主要问题；,WSN,：,依赖于电源供电，寿命有限，延长寿命是首要问题。,9/16/2024,22,大连理工大学,可维护性方面,传统网络：,网络结构发生变化的可能性小。,WSN,：,当,WSN,的环境以及,WSN,自身发生变化时,(,例如电池耗尽、节点失效、新任务等,),，系统必须能够适应新的状况。网络必须可以自我修复,。,可编程性方面,传统网络：,节点一般不要求处理能力，或要求较低；,WSN,：,节点必须能够处理消息，而且节点必须对任务的变更做出积极的反应。这些节点应该是可编程的，而当处理中出现新的重要任务时，程序也要做出相应调整。固定的信息处理方式是不能满足要求的。,9/16/2024,23,大连理工大学,与无线,ad hoc,网络的区别：,无线,ad hoc,网络,是由几十个上百个节点组成的，采用无线通信方式，动态组网的移动性对等网络。其节点具有持续的能量供给；,首要目标是提供高质量和高效带宽利用，,其次才是节能；,WSN,是集成了监测、控制及无线通信的网络系统。,节点数目上千或上万，节点分布更为稠密；,节点更容易出现故障（能量消耗、环境影响）；,环境变化和能量耗尽均引起网络结构的变化；,节点的能量、处理能力和通信能力十分有限；,首要目标是节能。,9/16/2024,24,大连理工大学,（,4,）无线传感器网络的主要技术要求,需要采用新机制、新结构、新协议,特定性：,使,WSN,能够针对某个应用的具体特性，支持相应的服务性能、工作寿命和维护要求。,广泛性：,必须能够拓展以适应更广泛的应用，也就是说不能将,WSN,局限在某个具体应用中。,9/16/2024,25,大连理工大学,多跳无线通信,虽然无线通信势必成为一种核心技术，但是信源与信宿之间的直接通信却存在着局限性。,如果要实现长距离通信，就要限制使用高能量进行传输。将中间节点作为中继器使用，可以减少需要的总能量。,因此，对于许多形式的,WSN,，,多跳通信将会成为一个必要条件。,能量节省,节能运行是一项关键技术,。,研究的问题包括两个节点间如何高效传输数据，更重要地还有如何有效判定请求信息。,此外，非均匀能量消耗也是一个问题。,9/16/2024,26,大连理工大学,自动配置,为什么？,WSN,必须自动配置自身的大部分运行参数，且与外部配置无关。,而在多数应用中，节点的,绝对数目和简化的配置,要求这样的机制。,例如，,利用网络中的其它节点,，节点必须能够确定自身的地理位置（即所谓的“自动定位”）。,此外，网络必须能够,容许失效节点,(,例如，由于电池耗尽,),或者连接新节点,(,例如，由于运行失败后增加新配置,),。,9/16/2024,27,大连理工大学,协作处理与网内处理,多传感器需协调工作：,在某些应用中，单个传感器不足以判断某事件是否发生，几个传感器必须协作监控某个事件，而且需要所有传感器的综合数据提供足够的信息。信息在网络内以多种形式进行处理以实现协作，与此相反，每个节点传输所有的数据到达一个外网，在网络的“边缘”处理数据。,例如：,要求测定某个区域内的最高温度或平均温度，并且将结果传递到信宿。为有效地解决这个问题，可从各个传感器读取数据，数据在网络中传播的同时对其进行融合处理，这样减少了数据的传递量，从而提高了效率。,怎样进行数据融合还有待研究。,9/16/2024,28,大连理工大学,以,数据为中心,传统的通信网络,一般是以,以地址为中心,(,Address-centric),。,在,WSN,中,，为了避免节点失效或者补偿单节点中传感设备的低性能，,必须部署冗余的节点,。提供数据的节点之间的特征并无关联。重要的是应答和数据，而不是数据源于哪个节点。所以，在结构设计和通信协议中，从以地址为中心到,以数据为中心,的转换是大有前景的。,例如,：请求给定区域的平均温度，利用以数据为中心的概念来设置警报或事件的条件。从某种程度上讲，以数据为中心的方法与查询的概念紧密相关；同时它与协作、网内处理和聚合互相结合。,9/16/2024,29,大连理工大学,局部性,WSN,中,广泛采用局部性原理以,保证可观测性,。,对于类似于存储器这种有限的资源，应该设法限制节点在协议处理过程中只累积有关直接相邻节点的信息。,我们希望这种机制能够允许网络具有大量的节点，而不依赖于对每一个单节点处的强处理。,但是，怎样将局部性原理与有效协议设计结合仍然是一个有待研究的课题。,9/16/2024,30,大连理工大学,权衡各种因素,与局部性原理类似，无论是系统或协议的设计期间还是运行期间，,WSN,在很大程度上，必须权衡各种相互矛盾的目标之间的关系。,这些权衡关系,包括：,权衡,高能量消耗与高精度结果的关系,，或者在整个网络的较长工作寿命与单节点的寿命之间进行折衷。,另一个重要的折衷是,节点密度,：取决于运行期间的应用，部署和失效节点，网络密度会发生极大的改变，协议必须能够处理在单个网络中发生在不同位置上的每种不同情况。,需要再次说明的是，并非所有的研究问题均能在此解决。,9/16/2024,31,大连理工大学,其它技术要求,首要技术是硬件的,小型化,。较小的芯片尺寸降低了传感器节点基本部件的功耗，使,WSN,成为可能；,除了,处理,和,通信,，,传感器,是第三个重要的技术；,传感器节点的各组成部分离不开电源的支持。理想情况下，传感器节点配有,能源提取,(,Energy scavenging),设备，即提取环境能源实现,电池的充电；,与基本硬件技术对应的是软件。为了实现简单的维护，环境必须支持简单的任务再分配，跨层信息交换和模块性。单节点上的软件结构必须拓展到网络。,设计合适的通信协议也是一个很重要的问题。,9/16/2024,32,大连理工大学,2.,无线传感器网络的节点,（,1,）节点的硬件组成,一般概况,应用要求起着决定的作用；,节点的尺寸；,部署与运行的成本；,能量消耗；,举例：,在一些极端情况中，要求整个传感器节点的尺寸小于,1,立方厘米，重量小于,100,克，造价小于,1,美元，而功耗小于,100,微瓦。,举例：,在一些更加极端的例子中，甚至要求节点缩减到谷物粉尘的尺寸。,9/16/2024,34,大连理工大学,传感器节点的组成,控制器：,控制器处理所有的相关数据，可以执行任意代码。,存储器：,有的存储器存储数据和中间节点；通常，程序和数据使用不同类型的存储器。,传感器和执行器：,它们是与外围设备的真正接口：该设备可以观测或控制环境的物理参数。,通信：,为了将节点连网，需要一个可以在无线信道上发送和接收消息的设备。,电源：,通常情况下，直接供电不太实际，所以我们采用的是电池供电的方式。有时，通过提取环境能源实现电池的自充电,(,例如太阳能,),。,9/16/2024,35,大连理工大学,传感器节点的组成框图,9/16/2024,36,大连理工大学,传感器节点的控制器,控制器是无线传感器节点的核心，是节点的,中央处理单元,(CPU),；,采集处理传感器数据，判决何时何地发送这些数据；,从其它传感器节点接收数据及判定执行器的动作；,运行各种程序，包括时间要求严格的信号处理、通信协议以及应用程序；,传感器网络使用微控制器，适用于嵌入式系统，具有很好的灵活性。,实用微控制器举例,Atmel,Atmega,：,8,位微控制器，为嵌入式应用设计；,Intel,StrongARM,：,高端处理器，面向掌上设备；,Texas Instruments MSP 430,：,16,位,RISC,核,9/16/2024,37,大连理工大学,传感器节点的存储器,随机存取存储器,(RAM),的作用是存储传感器的即时读入信息，接收其它节点发送的分组等等。,虽然,RAM,的存储速度较快，但是一旦电源关闭，,RAM,将不能保存数据，这是它的主要缺陷。,程序源代码可以存储在只读存储器,(ROM),上，或者存储在电子可擦除可编程只读存储器,(EEPROM),或闪存上,(,后者与,EEPROM,相似，主要区别在于,EEPROM,芯片每次只能擦除一个字节，而闪存每次可擦写一块或整个芯片,),。,如果,RAM,存储空间不够或必须断电一段时间，那么即时数据可以存储在闪存里，但是闪存读写存取的延迟较长，而且功耗较大。,9/16/2024,38,大连理工大学,传感器节点的通信设备,传输媒体：,大气，射频传输；,载波频率：,典型通信频率为,433MHz,到,2.4GHz,之间；,无线收发机,：,将来自微控制器的比特流,(,或字节序列或帧,),转换为无线电波；采用一种设备将上述两项任务结合在单一实体里比较方便，这种组合设备称为,无线收发机,(Transceivers,),；,通常采用,半双工通信方式,。,9/16/2024,39,大连理工大学,无线收发机的任务和特性,为上层服务,：,为媒体接入控制,(MAC),层提供服务,，,在某些情况下，该服务是,面向分组的,(Packet oriented),；,功耗与能量效率：,要求无线收发机能够在不同状态间（例如，工作状态和休眠状态）切换,。,载波频率和多信道,：,无线收发机适用于不同的载波频率,。,若无线收发机提供数个备选的载波频率,(,“,信道”,),，则有利于缓解密集网络的拥塞问题；,状态切换的时间与能量：,两状态间切换所需的时间和能量都是重要的品质因数,；,数据率,：,约为每秒数万比特，小于宽带无线通信,，,但是对,WSNs,而言足够了,。,9/16/2024,40,大连理工大学,无线收发机的任务和特性（续）,调制,：,可以支持,ASK,，,FSK,，,或类似的调制方式；,编码,：,有的无线收发机可以选择不同的编码方式；,传输功率控制,：,有的无线收发机可以直接控制传输功率；而有的则要求外部电路的协助；,一些基本概念,噪声系数,：,噪声系数,(Noise figure),NF,定义为输入信噪比与输出信噪比之比,；,增益,：,增益,(Gain),定义为输出信号功率与输入信号功率之比，通常用,dB,表示；,能量效率,：,定义为辐射功率与无线电前端消耗的总功率之比,；,9/16/2024,41,大连理工大学,一些基本概念,（续）,接收机灵敏度：,为达到给定的或比特,/,分组差错率，接收端所需的最小信号功率；,范围,：,覆盖范围由最大传输功率、天线性质、环境因素造成的衰减、采用的调制,/,编码方式以及接收端的误比特率决定；,抗干扰性能,：,定义为在存在干扰的情况下接收机的误比特率,；,带外发射,：,与邻道抑制对应的是发射机的带外发射,；,载波侦听和,RSSI,：,侦听无线信道是否处于忙碌状态,；,频率稳定度,：,表示当振荡器的环境条件例如温度或气压改变时，标称中心频率变化的程度,；,电压范围,：接收机可靠工作的电压范围。,9/16/2024,42,大连理工大学,无线收发机的结构,射频前端,：,在实际射频频带中完成模拟信号处理，包括：,功率放大器,(PA),：,接收源自中频或基带部分的上变频信号，并在通过天线发送前将其放大,；,低噪声放大器,(LNA),：,在不显著降低信噪比,470,的情况下，将输入信号放大以便进一步处理。输入信号功率的变化范围很大，上限可达,100dB,。,；,从射频频谱到中频或基带的频率转换：由类似本机振荡器或压控振荡器以及混频器之类的元件完成的。,基带处理器,：,在数字域完成所有信号处理以及与传感器节点处理器或其它数字电路的通信,；,9/16/2024,43,大连理工大学,无线收发机的工作状态,发送状态,(Transmit state),：,无线收发机的发送部分处于工作状态，天线辐射能量,；,接收状态,(Receive state),：,无线收发机的接收部分处于工作状态,；,空闲状态,(Idle state),：,无线收发机准备接收，但是目前没有接收到任何分组的状态,；,休眠状态,(Sleep state),：,在此状态下，,无线收发机的关键部分是断电的,。,9/16/2024,44,大连理工大学,先进的无线电概念,具有唤醒功能的传感器,：,在实际接收分组的过程中，接收机耗能是不可避免的。比较理想的情况是节点在等待分组的过程中不消耗能量。我们需要这样一种接收机结构，它不耗能但是能够监测分组何时到达。为了尽量简化这个特殊的接收机，当检测到有分组输入时，它通过触发一个事件通知其它部件，基于该事件，主接收机上电，开始接收分组。,扩频无线收发机,超宽带通信,：,超宽带通信不是将数字信号调制到载波频率上，而是利用非常宽的带宽直接传输短脉冲形式的数字序列,。,由于,UWB,信号的扩频处理增益比较大，所以非常小的传输功率就能满足要求。按照传统的无线系统的观点，该功率足够小因而减少了背景噪声。,9/16/2024,45,大连理工大学,非射频无线通信,光通信,：,Kahn,等人,392,提出对传感器节点采用光连接的方式。它的主要优点是每比特只需很少能量就可以产生并检测可见光,简单的发光二极管是高效发射机的一个好例子。光无线收发机电路也比较简单，电路规模总体上比射频电路小。,超声波通信：,在有些应有中，射频或光通信是不适用的，因为它们不能穿透周围介质。水就是这样一种介质，在这种水下环境中，超声波是一种理想的通信媒体，因为它在低功耗下可以传输较远的距离。,9/16/2024,46,大连理工大学,传感器与执行器,传感器的分类,被动全向传感器,：,若不通过主动探测控制环境，就可以测量有关传感器节点的一个物理量，则这种传感器称为被动传感器。这类传感器的包括温度计、光传感器、振动测量器、传声器、湿度测量器、材料的机械应力或张力测量器、对给定物质敏感的化学传感器、烟浓度检测器以及气压计等等。,被动窄束传感器,：,这类传感器也是被动的，但是对测量的方向有一个明确的定义。一个典型例子是照相机，它可以在给定的方向上进行“测量”，并且可以根据需要调整方向。,主动传感器,：,对环境进行主动探测，例如，声纳或雷达传感器。,9/16/2024,47,大连理工大学,执行器,若以设计,WSN,为目标，执行器比较简单。一般而言，它能够以某种方式打开或关闭开关或继电器，或者设定一个值。无论是控制发动机，电灯还是其它对象，它们均不是设计通信协议时关注的焦点。,但是，在一个实际的网络中，我们还是要考虑不同执行器的特质。此外，在大多数嵌入式系统应用中，保持执行器与控制传感器相匹配是一个重要的设计原则,。,9/16/2024,48,大连理工大学,传感器使用的电源,对于移动的无线传感器节点而言，电源是系统的关键部分。在设计电源时，主要考虑两个方面：首先，按照要求的方式储能和供电；其次，尽量随时从节点外部的能源“提取”能量以补充消耗的能量。,电池的技术指标,容量,/,负载容量,自放电,有效充电,弛豫效应,：,基于电池内的化学扩散过程，若没有输出电流时，则对电量耗尽或几乎耗尽的电池进行自充电,非常规的能量存储,燃料电池,直流,-,直流转换,9/16/2024,49,大连理工大学,其它能源的获取,光电池,：,获取太阳能；,温度梯度,：,利用温差获取能量；,振动,：,机械能的一种常见形式是振动,；,压力变化,：,与振动类似，压力的变化也可以作为能源，实际上压电发电机已经投入使用,；,空气,/,液体的流动,：,空气的流动以及风车或涡轮中液体的流动；,9/16/2024,50,大连理工大学,传感器能量消耗的估算,每条指令耗能,1nJ,。,假设电池的体积为,1,立方毫米，则可以存储大约,1J,的电能。,减少器件功耗的一个重要思想是降低芯片的功耗,。,另一方面，节点在大部分时间内无事可做,，,最好使其断电。但是当需要其工作时，无论是基于外部执行还是定时，必须将节点唤醒。,采用,多工作状态,技术，从而降低功耗并减少功能是提高无线传感器节点能量效率的核心技术,。,（,2,）传感器节点的能量消耗,9/16/2024,51,大连理工大学,微控制器的能量消耗,在正常模式下，处理器的所有设备被充分供电。功耗达到,400mW,。,在,空闲模式下,，,CPU,时钟控制器关闭；外围设备的时钟,正常工作,。一旦有任何中断发生，系统将恢复正常状态。功耗达到,100mW,。,在休眠模式下，只有实时时钟正常工作。定时中断之后系统被唤醒，耗时,160ms,。,功耗达到,50W,。,9/16/2024,52,大连理工大学,存储器的能量消耗,从能量角度考虑，最合适的存储器是微控制器内的片上存储器和闪存（以前用过片外,RAM,，,但是现在很少用）。,事实上，驱动片上存储器所需功耗通常包含在控制器的总功耗内。,重要的参数是读写时间与功耗。,举例：,考虑,Mica,节点上闪存的读取和写入操作的能耗,534,。读取数据消耗,1.111nAh,，,而写入消耗,83.333nAh,。,9/16/2024,53,大连理工大学,无线收发机的能量消耗,为了尽量降低功耗，大部分时间内收发机是关闭的，只在必要时才激活,它们在一个,低占空比,(Duty cycle),下工作。,发送过程中的能耗模型,：发射机的能耗有两方面的用途,670,：,一部分能耗用于产生射频信号；,另一部分能量用于电子元件进行必要的频率合成、频率转换和滤波等等。,功率放大器的效率,：,9/16/2024,54,大连理工大学,接收过程中的能耗模型,与发射机类似，接收机也可以全开或全闭。当接收机全开时，它可能处于接收分组的运行状态，也可能处于监听信道准备接收的空闲状态。显然，当接收机关闭时，功耗是可以忽略的。实际上，空闲状态与接收状态间的功耗差别很小，所以在多数应用中我们认为二者的功耗是相同的。,对此模型而言，解码功耗相对比较复杂，因为它与大量的硬件和系统参数有关,例如在专用硬件中解码,(,比如利用一个专用的,Viterbi,解码器解卷积码,),或利用微控制器的软件；解码功耗还与供电电压，每比特的解码时间,(,实际上，取决于处理速率，而速率又受技术影响,(,例如,DVS),，,与应用码的约束长度,K,以及其它参数有关。,9/16/2024,55,大连理工大学,有关收发机的一些参数,9/16/2024,56,大连理工大学,计算与通信的关系,怎样最充分地利用传感器节点的能源，对于传输数据或计算，二者哪一个比较好？传输数据和计算间有什么关系？,对于,RFM TR1000,无线收发机，发送,1,比特信息耗能,1J,，,而接收,1,比特信息仅耗能,0.5J,；,处理每条指令耗能,8nJ,。,通信能耗与计算能耗之比约为,190,。,也就是说，在,100m,的网络上传输,1kB,数据与处理,3,百万条指令消耗大致相等的能量,。,结论：,显然通信比计算耗能多。但是有关计算方面的耗能也不能简单省略,。,9/16/2024,57,大连理工大学,传感器与执行器的功率消耗,在设计传感器节点的供电设备时，必须考虑这些器件的能耗，例如不可以超出电池的负载。,采样率显然也是非常重要的。在高采样率下，耗能较多，而且待处理的数据和通信量也会更大。,9/16/2024,58,大连理工大学,（,3,）操作系统与运行环境,嵌入式操作系统,操作系统的传统任务是控制和保护对资源的访问,(,包括对输入,/,输出的支持,),，管理不同用户的配置，支持几个进程的并行运行和通信,。,嵌入式系统比通用系统更加严格和协调。,WSN,的操作系统或运行环境必须支持相应的特定节点，支持对能量消耗监控,，,能够处理异步,(,在任意时间点,),获取的信息。,所有这些，要求有一个合适的编程范例，一种简洁的方式构造协议栈以及显式支持能量消耗监控,。,9/16/2024,59,大连理工大学,编程范例与应用编程接口,并行程序设计,：,支持并行运行对,WSN,节点至关重要，因为它们必须处理来自不同信源在任意时间点的数据,(,例如多传感器或无线收发机,),。,基于进程的并行处理,：,系统是在等待任一事件发生，典型事件包括传感器数据的读取，分组的接收或定时器的过期。然后由短序列组成的指令处理发生的事件，存储事件日志以及必要信息,。,与操作系统的接口,：,若操作系统实际上没有对其施加控制策略，则有必要指定几个接口实现查询以及设置系统的内部状态。,9/16/2024,60,大连理工大学,动态能量与功率管理,选择特定模式和编码是提高能量效率的有效途径。,状态切换中的概率策略,：从随机分布在固定区域内的传感器出发，假设事件发生服从一定的时间分布,(,泊松过程,),和空间分布。一旦处理完一个事件,(,甚至是移动事件,),，则可以根据时间计算下一事件发生的概率。利用概率从几个备选状态中选择最深度的休眠状态。,可控动态电压调整,权衡精度和能耗,9/16/2024,61,大连理工大学,（,4,）小结,本章介绍了组建无线传感器网络以及节点的必要硬件条件，说明了组建节点的基本原则以及主要器件，主要包括控制器、通信设备和传感器的性能及能耗参数等。基于这些参数，一般可以方便地假设一个无线传感器节点由两个独立部分组成：第一部分保持连续监测状态，能够检测和报告事件，这部分的功耗很小，几乎可以忽略。第二部分配合第一部分工作，完成实际的处理和通信，这部分的功耗很大，不能忽略。这种基于硬件性质对功能的划分由于得到了操作系统（例如,TinyOS,）,的支持，因此显得更为合理。,9/16/2024,62,大连理工大学,讨论题,无线传感器网络的体系结构,无线传感器网络的基本体系结构,服务质量与能量效率,无线传感器网络设计的基本原理,接口与网关,无线传感器网络的协议,物理层及其协议,MAC,层及其协议,链路层及其协议,9/16/2024,63,大连理工大学,其它问题,命名与寻址,时间同步问题,位置与定位问题,拓扑结构的控制,路由选择问题,以数据为中心的概念,传输层与服务质量问题,高级应用支持,9/16/2024,64,大连理工大学,The End of This Section,Thank You!,9/16/2024,65,大连理工大学,