無線傳感器網(wǎng)絡第講節(jié)點結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡第講節(jié)點結(jié)構(gòu)第1頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2本章目標無線傳感器網(wǎng)絡中構(gòu)成一個節(jié)點的主要組件控制器，射頻調(diào)制解調(diào)器，傳感器，電池理解這些組件的能量損耗方面考慮不同操作模式的透視圖和不同能量損耗對協(xié)議設計有什么樣的影響傳感器節(jié)點的操作系統(tǒng)支持一些示例節(jié)點注解:本章的細節(jié)是WSN專有的；能量損耗原理也適用于MANET第2頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3概要傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)能量供應和損耗傳感器節(jié)點的運行時間環(huán)境個案研究:TinyOS

第3頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月4傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)一個WSN節(jié)點的主要組件控制器通信裝置傳感器/驅(qū)動器存儲器能量供應MemoryControllerSensor(s)/

actuator(s)Communication

devicePowersupply第4頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月5Adhoc節(jié)點結(jié)構(gòu)核心:本質(zhì)上一樣但是:更多輔助設備硬盤，

顯示器，鍵盤，

聲音接口，

照相機，…本質(zhì):一個筆記本電腦級的裝置第5頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月6控制器主要選擇:微控制器–通用處理器，嵌入式應用的最佳化，低能量損耗數(shù)字信號處理器–信號處理任務的最佳化，在這里并不匹配現(xiàn)場可編程門陣列–可能對測試有益專用集成電路–只有當需要最佳性能，并不靈活微處理器示例德州儀器的MSP43016位精簡指令集計算機內(nèi)核，

相當于4MHz，

支持2-10kbytesRAM的版本,

一些資料獲取控制系統(tǒng)，

收發(fā)始終，

價格從0.49美金開始愛特梅爾公司的ATMega8位的控制器，內(nèi)存比MSP430，但是處理速度比MSP430慢第6頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月7通信裝置哪種傳輸介質(zhì)?無線電頻率上的電磁波?電磁波，

光?超聲波?無線電收發(fā)機以無線波的形式傳輸一個比特流或者字節(jié)流接受無線波之后把它轉(zhuǎn)回為比特流或字節(jié)流ü第7頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月8收發(fā)器特征性能接口：比特，字節(jié)，分組級？

支持的頻率范圍典型的是ISM的433MHz–2.4GHz頻帶多路通道?數(shù)據(jù)速率?范圍?能量特征接收數(shù)據(jù)的能量損耗？不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時間和能量損耗？傳輸功率控制？功率效率(發(fā)射功率中消耗功率的百分比?)無線電性能調(diào)制?(ASK,FSK,…?)噪聲因數(shù)?NF=SNRI/SNRO增益?(信號放大)接收機靈敏度?(達到給定Eb/N0

的最小S)阻塞性能(在提示的頻率偏移干涉下達到的BER)帶外輻射

載波檢測&RSSI特征頻率穩(wěn)定度(舉例來說.,溫度變化）電壓范圍第8頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月9收發(fā)器狀態(tài)收發(fā)器可以進入不同的運行狀態(tài)，典型的是：發(fā)射接收閑置–準備接收，但是并沒有接收計算機硬件的一些功能可以關(guān)閉，這樣可以減少一些能量損耗睡眠–收發(fā)機的有效部分被關(guān)閉不能立即接收信息離開睡眠狀態(tài)的恢復時間和啟動能量對收發(fā)器意義重大研究問題:喚醒接收器–當收發(fā)器處于睡眠狀態(tài)時可以通過無線電喚醒(看起來是矛盾的!)第9頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月10無線收發(fā)機的例子幾乎是不限種類的都可用一些例子RFMTR1000一族916或868MHz400kHz帶寬多達115,2kbps開關(guān)鍵控或者ASK輸出功率動態(tài)可協(xié)調(diào)最大功率大約是1.4mW功率損耗低ChipconCC1000頻率范圍從300MHz到1000MHz,，在250Hz步上可編程

FSK調(diào)制提供RSSI（接收信號強度指示）ChipconCC2400802.15.4工具2.4GHz,DSSS調(diào)制解調(diào)

250kbps比上述的收發(fā)機有更高的功率損耗InfineonTDA525x一族舉例來說.,5250:868MHzASK或者FSK調(diào)制RSSI,，高效的功率放大智能的電源中斷，“自我查詢”機制極好的抗阻塞性能第10頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月11Adhoc網(wǎng)絡中無線接收機的例子Adhoc網(wǎng)絡:通常需要更高的數(shù)據(jù)速率典型的Adhoc網(wǎng)絡是IEEE802.11b/g/a數(shù)據(jù)速率高達54MBit/s相對的長途通訊(100sofmeterspossible,typical10sofmetersathigherdatarates)在可移動的環(huán)境中工作的相當好(不過當然不會是完美的)問題:設備昂貴，功率相當缺乏第11頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月12喚醒接收器主要能量問題：接收過程空運轉(zhuǎn)和準備接收會消耗相當大量的功率什么時候開啟接收器是不明確的基于MAC協(xié)議的爭辯：接收器總是開著的基于MAC協(xié)議的TDMA：

在高處同步，是不能變的令人滿意的是:接收器可以（只能）檢測到收文當檢測到信號時喚醒主要的接收器實時接收理想的是：喚醒的接收機可以處理簡單的地址然而，我們并不清楚能否真正的建立起來它們第12頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月13光通信光通信消耗的能量更少全反射。舉例:通過角形反射器被動讀出信息如果鏡子在正確的角度，激光會被直接返回到源處可以稱鏡子是阻止反射

的！它允許數(shù)據(jù)被送回

激光源200μm第13頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月14超寬帶通信標準的無線收發(fā)機：將一個信號調(diào)制到載波上需要相當小的帶寬變換方法:使用一個大帶寬,不調(diào)制,只是發(fā)射一個突發(fā)激勵幾乎形成一個矩形脈沖脈沖非常短在脈沖存在/消失的時候編碼信息需要接收機完全的時鐘同步相當短的范圍（通常上）優(yōu)勢對多徑傳播相當有彈力Prettyresilienttomulti-pathpropagation很好的測距能力好的墻壁穿透能力第14頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月15傳感器本身主要分類輻射一些能量?被動vs.主動傳感器

有方向感?全向?被動的，全向舉例：

光，溫度計，麥克風，濕度計，…被動的,窄射型n舉例:照相機主動傳感器舉例：雷達重要參數(shù)：覆蓋范圍給定的傳感器可以充分覆蓋那個區(qū)域？第15頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月16概要傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)能量提供和損耗傳感器節(jié)點的運行環(huán)境個案研究:TinyOS第16頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月17移動/傳感器節(jié)點的能量供應目的:在最小花費/體積/重量/再充電時間/壽命基礎上提供盡可能大的功率在無線傳感器網(wǎng)絡中，再充電可能是也可能不是一個選擇,選項原電池–不可再充電蓄電池–可再充電，這只有與一些能量收獲形式結(jié)合時才有意義要求包括自放電低儲藏壽命長負載過輕能力在低電流下能有效再充電好的放松性能(就像是自身再充電seemingself-recharging)電壓穩(wěn)定度(來避免直流電到直流電的

轉(zhuǎn)換)第17頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月18電池示例單位體積的能量(每立方厘米的焦耳量)；PrimarybatteriesChemistryZinc-airLithiumAlkalineEnergy(J/cm3)378028801200SecondarybatteriesChemistryLithiumNiMHdNiCdEnergy(J/cm3)1080860650第18頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月19能量收集如何對電池再充電?一個筆記本電腦:簡單，在晚上將插頭插入墻壁插座一個傳感器節(jié)點?–嘗試

從環(huán)境中清除能量周圍環(huán)境能源光!太陽能電池–介于10W/cm2

和15mW/cm2之間

溫度梯度–80W/cm2@1Vfrom5Kdifference振動–介于0.1和10000W/cm3

之間氣壓變化(壓電的)–從鞋跟來的330W/cm2空氣流動

(MEMS燃氣輪機)第19頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月20能量收集–概覽第20頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月21能量損耗一個“包絡反饋”的估計指令數(shù)目每個指令的能量:1nJ小電池(“smartdust”):1J=1Ws相應的:109

指令!壽命或者：

需要一整天的操作，壽命=24￠60￠60=86400s最大的可持續(xù)能量功耗是1Ws/86400s?11.5W第21頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月22多重能量功耗模式解決方法:不要所有時候都運行傳感器節(jié)點如果閑著沒事，轉(zhuǎn)到電源安全模式問題：

什么時候節(jié)流？怎樣再次喚醒？典型模式控制器：活躍的，閑置的，睡眠的無線電模式:打開/關(guān)閉發(fā)射器/接收器可能的多模式，即“更深的”睡眠模式堅決地依賴于硬件TIMSP430,舉例來說.：四種不同的睡眠模式AtmelATMega:六種不同的模式第22頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月23一些能量損耗值微控制器TIMSP430(@1MHz,3V):充分操作于1.2mW最深的睡眠模式0.3W–只被外部中斷喚醒(即使計時器不再運行)AtmelATMega運作模式:15mW活動,6mW閑置睡眠模式:75W第23頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月24模式間的轉(zhuǎn)換最簡單的想法：只要可能就轉(zhuǎn)向更低的模式問題：到達更高的模式需要的時間和功率是不可忽略的介紹開銷只有當Esaved>Eoverhead

才轉(zhuǎn)換舉例:

從睡眠模式喚醒的事件觸發(fā)不確定的調(diào)度問題

(exercise)PactivePsleeptimeteventt1EsavedEoverheadtdowntup第24頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月25供選擇的：動態(tài)電壓轉(zhuǎn)換多久可以得到睡眠時間的不確定性使得模式轉(zhuǎn)換變得復雜供選擇的：低電壓供給&時鐘動態(tài)電壓縮放

(DVS)基本原理:功率損耗P取決于

時鐘頻率供給電壓的平方P/fV2

允許更低的時鐘

更低的電壓供給容易轉(zhuǎn)向更高的時鐘但是：執(zhí)行時間更長第25頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月26內(nèi)存功耗重要部分：閃存RAM的功耗幾乎是可忽略的

FLASH寫入/擦除是昂貴的舉例：云母微粒的FLASH讀出:每字節(jié)?1.1nAh寫入:每字節(jié)?83.3nAh第26頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月27nbits的發(fā)射機功耗Amplifierpower:Pamp=amp+ampPtxPtxradiatedpoweramp,ampconstantsdependingonmodelHighestefficiency(=Ptx/Pamp)atmaximumoutputpowerInaddition:transmitterelectronicsneedspowerPtxElecTimetotransmitnbits:n/(R￠Rcode)Rnomialdatarate,RcodecodingrateToleavesleepmodeTimeTstart,averagepowerPstart

!

Etx=TstartPstart+n/(R￠Rcode)(PtxElec+amp+ampPtx)Simplification:Modulationnotconsidered第27頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月28nbits的接收機功耗ReceiveralsohasstartupcostsTimeTstart,averagepowerPstartTimefornbitsisthesamen/(R￠Rcode)ReceiverelectronicsneedsPrxElec

Plus:energytodecodenbitsEdecBits

!Erx=TstartPstart+n/(R￠Rcode)PrxElec+EdecBits(R)第28頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月29一些收發(fā)機數(shù)據(jù)第29頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月30對比:GSM基站功耗OverviewDetails(justtoputthings

intoperspective)第30頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月31控制收發(fā)機類似于控制器，占空比必須低發(fā)射器必須容易工作–與控制器相似的問題：什么時候值得關(guān)掉接收機的困難:不僅什么時候去喚醒接收機是未知的，它也取決于遠程的工作伙伴

!MAC協(xié)議與功耗之間的關(guān)聯(lián)是很強的！對類似于DVS的技術(shù)只有有限的適用性動態(tài)調(diào)制縮放(DSM):轉(zhuǎn)向最適合通信的調(diào)制–取決于信道增益動態(tài)編碼縮放–根據(jù)信道增益選擇不同的編碼速率組合第31頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月32計算vs.通信能量成本折衷?直接比較計算與通信能量成本是不可能的但是：可以將它們進行透視！發(fā)送一個比特與計算一個指令的能量比：在文獻中一切介于220和2900的都可以傳達（發(fā)和收）一千字節(jié)=計算三百萬個指令!因此:只要可以就嘗試計算而非傳達WSN中的關(guān)鍵技術(shù)–網(wǎng)絡內(nèi)部處理!開發(fā)壓縮機制，智能編碼機制,…第32頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月33概要傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)能量供給和損耗傳感器節(jié)點的運行環(huán)境個案研究:TinyOS第33頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SS05Adhoc&sensornetworks-Ch2:Singlenodearchitecture34WSN中的操作系統(tǒng)挑戰(zhàn)通常的操作系統(tǒng)目標使進入裝置資源抽象化(虛擬化)從并行接入中保護資源通常方法

CPU的保護操作模式–只有在這種模式下才能硬件接入使用分離的地址空間處理由一個內(nèi)存管理單元支持問題:在微控制器中這些是無法使用的沒有分離保護模式，沒有內(nèi)存管理單元這會使得裝置更貴，耗電更高

!???第34頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月35WSN中的操作系統(tǒng)挑戰(zhàn)可能的選擇試著在WSN節(jié)點中實施“盡可能接近一個操作系統(tǒng)”尤其是，嘗試提供一個已知的編程接口也就是：進程支持!犧牲從彼此那里的對不同進程的保護

!

可能，但是管理費用相當高不使用操作系統(tǒng)工作（或多或少）畢竟，在WSN節(jié)點中只有一個單獨的“應用”沒必要從彼此那里保護惡意軟件直接由應用處理的硬件控制可能會提高效率目前普及的結(jié)論:沒有OS,只是一個簡單的運行時間環(huán)境最大的影響：與眾不同的編程模式第35頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月36主要問題：怎樣支持并發(fā)執(zhí)行最簡單的選擇：沒有并發(fā)性,順序的任務處理這是不符合要求的：在處理數(shù)據(jù)時有丟失數(shù)據(jù)的風險(比如說,從收發(fā)機)

!

必須支持中斷/異步操作為什么需要并發(fā)執(zhí)行傳感器節(jié)點的CPU必須為無線調(diào)制解調(diào)器服務，實際的傳感器為應用執(zhí)行計算，執(zhí)行通信協(xié)議軟件等等PollsensorProcess

sensor

dataPolltransceiverProcessreceived

packet第36頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月37傳統(tǒng)的并行方式：進程傳統(tǒng)的OS：進程/線程基于中斷，上下文轉(zhuǎn)接但是這是不可用的–內(nèi)存開銷，執(zhí)行開銷但是:并行不匹配每個協(xié)議一個進程需要太多的上下文轉(zhuǎn)接WSN中許多關(guān)于上下文轉(zhuǎn)接的小任務使得開銷過大并且:在WSN中不需要進程間的保護無論怎樣只有一個應用程序HandlesensorprocessHandlepacketprocessOS-mediatedprocessswitching第37頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月38基于事件的并行性供選擇的:轉(zhuǎn)向基于事件的編程模型執(zhí)行常規(guī)進程或者閑置當事件發(fā)生時立即回應基本上是中斷處理器問題：不能在中斷處理上停留太久有丟失事件的危險只能數(shù)據(jù)存檔，公布信息事件已經(jīng)發(fā)生，然后返回

!

運行到完成原理兩種環(huán)境：一種來處理，一種是常規(guī)執(zhí)行Idle/RegularprocessingRadioeventRadioeventhandlerSensoreventSensoreventhandler第38頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月39組件代替進程需要一個抽象概念來組功能這個目的是代替“進程”比如說：一個網(wǎng)絡協(xié)議的單個功能一個選擇：組件

這里：在TinyOS的傳感器中典型的只需要一個單獨的，定義好的函數(shù)和進程的主要不同點:組件沒有執(zhí)行組件進入相同的地址空間，沒有防范彼此Componentsaccesssameaddressspace,noprotectionagainsteachother不要混淆基于組件的編程！第39頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月40API和一個基于事件的協(xié)議棧的對比通常網(wǎng)絡API:套接字問題:阻塞調(diào)用接收數(shù)據(jù)和基于事件的操作系統(tǒng)不匹配并且：WSN中的網(wǎng)絡語義與套接字語義并不一定匹配的好

因而API也是基于事件的比如：告訴一些組件說一些別的的組件想要被告知是否和什么時候數(shù)據(jù)已經(jīng)到達了。一旦條件滿足，組件會發(fā)布一個事件細節(jié)：看下面討論的例子TinyOS第40頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月41動態(tài)功率管理開發(fā)多操作模式是有希望的問題：在功率安全模式下什么時候轉(zhuǎn)換問題：時間和能量開銷與蘇醒相關(guān)；貪睡并無益處（看例子）調(diào)度方法問題：怎樣控制動態(tài)電壓縮放？更咄咄逼人的：增加電壓/頻率更容易截止時間通常限制下面需要的速度或者:交易掉精確度和能量損耗如果可以得到更多的能力，就可以計算更多精確的結(jié)果例子:多項式逼近從高指數(shù)還是低指數(shù)開始取決于多項式是從哪里估值的

第41頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月SS05Adhoc&sensornetworks-Ch2:Singlenodearchitecture42概要傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)能量供給和損耗傳感器節(jié)點運行環(huán)境個案研究：TinyOS第42頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月43嵌入式操作系統(tǒng)個案研究:TinyOS&nesC由UCBerkely開發(fā)的TinyOS是作為它們“motes”的運行環(huán)境nesC作為附屬“編程語言”目標:小的內(nèi)存占用所付出的犧牲使得：比如，在使用和可移植方面更簡單在新版本中多少提高了可移植性最重要的設計方面基于組件的系統(tǒng)組件間通過互換異步事件相互作用組件通過將它們接線在一起形成一個程序(類似于VHDL–硬件描述語言)第43頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月44TinyOS組件組件框架–狀態(tài)信息任務–正常執(zhí)行l(wèi)程式命令處理程序事件處理程序處理程序必須運行到結(jié)束形成一個組件的接口理解并發(fā)出命令和事件層次的安排事件通過硬件向上傳遞到更高層次的組件命令被向下傳遞

TimerComponentsetRatefireinitstartstopfiredEvent

handlersCommand

handlersFrameTasks第44頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月45