无线传感器网络第5讲-节点结构.ppt

Klicken Sie,um das Titelformat zu bearbeiten,*,传感器网络节点结构,2,本章目标,无线传感器网络中构成一个节点的主要组件,控制器，射频调制解调器，传感器，电池,理解这些组件的能量损耗方面,考虑不同操作模式的透视图和不同能量损耗对协议设计有什么样的影响,传感器节点的操作系统支持,一些示例节点,注解,:,本章的细节是,WSN,专有的；能量损耗原理也适用于,MANET,3,概要,传感器节点结构,能量供应和损耗,传感器节点的运行时间环境,个案研究,:TinyOS,4,传感器节点结构,一个,WSN,节点的主要组件,控制器,通信装置,传感器,/,驱动器,存储器,能量供应,Memory,Controller,Sensor(s)/actuator(s),Communicationdevice,Power supply,5,Ad hoc,节点结构,核心,:,本质上一样,但是,:,更多辅助设备,硬盘，,显示器，键盘，,声音接口，,照相机，,本质,:,一个笔记本电脑级的装置,6,控制器,主要选择,:,微控制器,通用处理器，嵌入式应用的最佳化，低能量损耗,数字信号处理器,信号处理任务的最佳化，在这里并不匹配,现场可编程门阵列,可能对测试有益,专用集成电路,只有当需要最佳性能，并不灵活,微处理器示例,德州仪器的,MSP430,16,位精简指令集计算机内核，,相当于,4 MHz,，,支持,2-10 kbytes RAM,的版本,一些资料获取控制系统，,收发始终，,价格从,0.49,美金开始,爱特梅尔公司的,ATMega,8,位的控制器，内存比,MSP430,，但是处理速度比,MSP430,慢,7,通信装置,哪种传输介质,?,无线电频率上的电磁波,?,电磁波，,光,?,超声波,?,无线电收发机以无线波的形式传输一个比特流或者字节流,接受无线波之后把它转回为比特流或字节流,8,收发器特征,性能,接口：比特，字节，分组级？,支持的频率范围,典型的是,ISM,的,433 MHz 2.4 GHz,频带,多路通道,?,数据速率,?,范围,?,能量特征,接收数据的能量损耗？,不同状态转换的时间和能量损耗？,传输功率控制？,功率效率,(,发射功率中消耗功率的百分比,?),无线电性能,调制,?(ASK,FSK,?),噪声因数,?NF=SNR,I,/SNR,O,增益,?(,信号放大,),接收机灵敏度,?(,达到给定,E,b,/N,0,的最小,S),阻塞性能,(,在提示的频率偏移干涉下达到的,BER),带外辐射,载波检测,&RSSI,特征,频率稳定度,(,举例来说,.,温度变化）,电压范围,9,收发器状态,收发器可以进入不同的运行状态，典型的是：,发射,接收,闲置,准备接收，但是并没有接收,计算机硬件的一些功能可以关闭，这样可以减少一些能量损耗,睡眠,收发机的有效部分被关闭,不能立即接收信息,离开睡眠状态的恢复时间和启动能量对收发器意义重大,研究问题,:,唤醒接收器,当收发器处于睡眠状态时可以通过无线电唤醒,(,看起来是矛盾的,!),10,无线收发机的例子,几乎是不限种类的都可用,一些例子,RFM TR1000,一族,916,或,868 MHz,400 kHz,带宽,多达,115,2 kbps,开关键控或者,ASK,输出功率动态可协调,最大功率大约是,1.4 mW,功率损耗低,Chipcon CC1000,频率范围从,300 MHz,到,1000 MHz,，在,250 Hz,步上可编程,FSK,调制,提供,RSSI,（接收信号强度指示）,Chipcon CC 2400,802.15.4,工具,2.4 GHz,DSSS,调制解调,250 kbps,比上述的收发机有更高的功率损耗,Infineon TDA 525x,一族,举例来说,.,5250:868 MHz,ASK,或者,FSK,调制,RSSI,，高效的功率放大,智能的电源中断，“自我查询”机制,极好的抗阻塞性能,11,Ad hoc,网络中无线接收机的例子,Ad hoc,网络,:,通常需要更高的数据速率,典型的,Ad hoc,网络是,IEEE 802.11 b/g/a,数据速率高达,54 MBit/s,相对的长途通讯,(100s of meters possible,typical 10s of meters at higher data rates),在可移动的环境中工作的相当好,(,不过当然不会是完美的,),问题,:,设备昂贵，功率相当缺乏,12,唤醒接收器,主要能量问题：接收过程,空运转和准备接收会消耗相当大量的功率什么时候开启接收器是不明确的,基于,MAC,协议的争辩：接收器总是开着的,基于,MAC,协议的,TDMA,：,在高处同步，是不能变的,令人满意的是,:,接收器可以（只能）检测到收文,当检测到信号时唤醒主要的接收器实时接收,理想的是：唤醒的接收机可以处理简单的地址,然而，我们并不清楚能否真正的建立起来它们,13,光通信,光通信消耗的能量更少,全反射。举例,:,通过角形反射器被动读出信息,如果镜子在正确的角度，激光会被直接返回到源处,可以称镜子是阻止反射,的！它允许数据被送回,激光源,200 m,14,超宽带通信,标准的无线收发机：,将一个信号调制到载波上,需要相当小的带宽,变换方法,:,使用一个大带宽,不调制,只是发射一个突发激励,几乎形成一个矩形脉冲,脉冲非常短,在脉冲存在,/,消失的时候编码信息,需要接收机完全的时钟同步,相当短的范围（通常上）,优势,对多径传播相当有弹力,Pretty resilient to multi-path propagation,很好的测距能力,好的墙壁穿透能力,15,传感器本身,主要分类,辐射一些能量,?,被动,vs.,主动传感器,有方向感,?,全向,?,被动的，全向,举例：,光，温度计，麦克风，湿度计，,被动的,窄射型,n,举例,:,照相机,主动传感器,举例：雷达,重要参数：覆盖范围,给定的传感器可以充分覆盖那个区域？,16,概要,传感器节点结构,能量提供和损耗,传感器节点的运行环境,个案研究,:TinyOS,17,移动,/,传感器节点的能量供应,目的,:,在最小花费,/,体积,/,重量,/,再充电时间,/,寿命基础上提供尽可能大的功率,在无线传感器网络中，再充电可能是也可能不是一个选择,选项,原电池,不可再充电,蓄电池,可再充电，这只有与一些能量收获形式结合时才有意义,要求包括,自放电低,储藏寿命长,负载过轻能力,在低电流下能有效再充电,好的放松性能,(,就像是自身再充电,seeming self-recharging),电压稳定度,(,来避免直流电到直流电的,转换,),18,电池示例,单位体积的能量,(,每立方厘米的焦耳量,),；,Primary batteries,Chemistry,Zinc-air,Lithium,Alkaline,Energy(J/cm,3,),3780,2880,1200,Secondary batteries,Chemistry,Lithium,NiMHd,NiCd,Energy(J/cm,3,),1080,860,650,19,能量收集,如何对电池再充电,?,一个笔记本电脑,:,简单，在晚上将插头插入墙壁插座,一个传感器节点,?,尝试,从环境中清除能量,周围环境能源,光,!,太阳能电池,介于,10,W/cm,2,和,15 mW/cm,2,之间,温度梯度,80,W/cm,2,1 V from 5K difference,振动,介于,0.1,和,10000,W/cm,3,之间,气压变化,(,压电的,),从鞋跟来的,330,W/cm,2,空气流动,(MEMS,燃气轮机,),20,能量收集,概览,21,能量损耗,一个,“,包络反馈,”,的估计,指令数目,每个指令的能量,:1 nJ,小电池,(,“,smart dust,”,):1 J=1 Ws,相应的,:10,9,指令,!,寿命,或者：,需要一整天的操作，寿命,=24,60,60=86400 s,最大的可持续能量功耗是,1 Ws/86400s,11.5,W,22,多重能量功耗模式,解决方法,:,不要所有时候都运行传感器节点,如果闲着没事，转到,电源安全模式,问题：,什么时候节流？怎样再次唤醒？,典型模式,控制器：活跃的，闲置的，睡眠的,无线电模式,:,打开,/,关闭发射器,/,接收器,可能的多模式，即,“,更深的,”,睡眠模式,坚决地依赖于硬件,TI MSP 430,举例来说,.,：四种不同的睡眠模式,Atmel ATMega:,六种不同的模式,23,一些能量损耗值,微控制器,TI MSP 430(1 MHz,3V):,充分操作于,1.2 mW,最深的睡眠模式,0.3,W,只被外部中断唤醒,(,即使计时器不再运行,),Atmel ATMega,运作模式,:15 mW,活动,6 mW,闲置,睡眠模式,:75,W,24,模式间的转换,最简单的想法：只要可能就转向更低的模式,问题：到达更高的模式需要的时间和功率是不可忽略的,介绍开销,只有当,E,saved,E,overhead,才转换,举例,:,从睡眠模式唤醒的事件触发,不确定的调度问题,(exercise),P,active,P,sleep,time,t,event,t,1,E,saved,E,overhead,t,down,t,up,25,供选择的：动态电压转换,多久可以得到睡眠时间的不确定性使得模式转换变得复杂,供选择的：低电压供给,&,时钟,动态电压缩放,(DVS),基本原理,:,功率损耗,P,取决于,时钟频率,供给电压的平方,P/f V,2,允许更低的时钟,更低的电压供给,容易转向更高的时钟,但是：执行时间更长,26,内存功耗,重要部分：闪存,RAM,的功耗几乎是可忽略的,FLASH,写入,/,擦除是昂贵的,举例：云母微粒的,FLASH,读出,:,每字节,1.1 nAh,写入,:,每字节,83.3 nAh,27,n bits,的发射机功耗,Amplifier power:P,amp,=,amp,+,amp,P,tx,P,tx,radiated power,amp,amp,constants depending on model,Highest efficiency(,=P,tx,/P,amp,)at maximum output power,In addition:transmitter electronics needs power P,txElec,Time to transmit n bits:n/(R,R,code,),R nomial data rate,R,code,coding rate,To leave sleep mode,Time T,start,average power P,start,!,E,tx,=T,start,P,start,+n/(R,R,code,)(P,txElec,+,amp,+,amp,P,tx,),Simplification:Modulation not considered,28,n bits,的接收机功耗,Receiver also has startup costs,Time T,start,average power P,start,Time for n bits is the same n/(R,R,code,),Receiver electronics needs P,rxElec,Plus:energy to decode n bits E,decBits,!,E,rx,=T,start,P,start,+n/(R,R,code,)P,rxElec,+E,decBits,(R),29,一些收发机数据,30,对比,:GSM,基站功耗,Overview,Details,(just to put things into perspective),31,控制收发机,类似于控制器，占空比必须低,发射器必须容易工作,与控制器相似的问题：什么时候值得关掉,接收机的困难,:,不仅什么时候去唤醒接收机是未知的，它也取决于,远程,的工作伙伴,!,MAC,协议与功耗之间的关联是很强的！,对类似于,DVS,的技术只有有限的适用性,动态调制缩放,(DSM):,转向最适合通信的调制,取决于信道增益,动态编码缩放,根据信道增益选择不同的编码速率,组合,32,计算,vs.,通信能量成本,折衷,?,直接比较计算与通信能量成本是不可能的,但是：可以将它们进行透视！,发送一个比特与计算一个指令的能量比：在文献中一切介于,220,和,2900,的都可以,传达（发和收）一千字节,=,计算三百万个指令,!,因此,:,只要可以就尝试计算而非,传达,WSN,中的关键技术,网络内部处理,!,开发压缩机制，智能编码机制,33,概要,传感器节点结构,能量供给和损耗,传感器节点的运行环境,个案研究,:TinyOS,SS 05,Ad hoc&sensor networks-Ch 2:Single node architecture,34,WSN,中的操作系统挑战,通常的操作系统目标,使进入装置资源抽象化,(,虚拟化,),从并行接入中保护资源,通常方法,CPU,的保护操作模式,只有在这种模式下才能硬件接入,使用分离的地址空间处理,由一个内存管理单元支持,问题,:,在微控制器中这些是无法使用的,没有分离保护模式，没有内存管理单元,这会使得装置更贵，耗电更高,!,?,35,WSN,中的操作系统挑战,可能的选择,试着在,WSN,节点中实施“尽可能接近一个操作系统”,尤其是，尝试提供一个已知的编程接口,也就是：进程支持,!,牺牲从彼此那里的对不同进程的保护,!,可能，但是管理费用相当高,不使用操作系统工作（或多或少）,毕竟，在,WSN,节点中只有一个单独的“应用”,没必要从彼此那里保护恶意软件,直接由应用处理的硬件控制可能会提高效率,目前普及的结论,:,没有,OS,只是一个简单的运行时间环境,最大的影响：与众不同的编程模式,36,主要问题：怎样支持并发执行,最简单的选择：没有并发性,顺序的任务处理,这是不符合要求的：在处理数据时有丢失数据的风险,(,比如说,从收发机,),!,必须支持中断,/,异步操作,为什么需要并发执行,传感器节点的,CPU,必须为无线调制解调器服务，实际的传感器为应用执行计算，执行通信协议软件等等,Poll sensor,Process sensor data,Poll transceiver,Process received packet,37,传统的并行方式：进程,传统的,OS,：进程,/,线程,基于中断，上下文转接,但是这是不可用的,内存开销，执行开销,但是,:,并行不匹配,每个协议一个进程需要太多的上下文转接,WSN,中许多关于上下文转接的小任务使得开销过大,并且,:,在,WSN,中不需要进程间的保护,无论怎样只有一个应用程序,Handle sensor,process,Handle packet,process,OS-mediated,process switching,38,基于事件的并行性,供选择的,:,转向,基于事件的编程模型,执行常规进程或者闲置,当事件发生时立即回应,基本上是中断处理器,问题：不能在中断处理上停留太久,有丢失事件的危险,只能数据存档，公布信息事件已经发生，然后返回,!,运行到完成,原理,两种环境：一种来处理，一种是常规执行,I,d,l,e,/,R,e,g,u,l,a,r,p,r,o,c,e,s,s,i,n,g,R,a,d,i,o,e,v,e,n,t,R,a,d,i,o,e,v,e,n,t,h,a,n,d,l,e,r,S,e,n,s,o,r,e,v,e,n,t,S,e,n,s,o,r,e,v,e,n,t,h,a,n,d,l,e,r,39,组件代替进程,需要一个抽象概念来组功能,这个目的是代替“进程”,比如说：一个网络协议的单个功能,一个选择：组件,这里：在,TinyOS,的传感器中,典型的只需要一个单独的，定义好的函数,和进程的主要不同点,:,组件没有执行,组件进入相同的地址空间，没有防范彼此,Components access same address space,no protection against each other,不要混淆基于组件的编程！,40,API,和一个基于事件的协议栈的对比,通常网络,API:,套接字,问题,:,阻塞调用接收数据,和基于事件的操作系统不匹配,并且：,WSN,中的网络语义与套接字语义并不一定匹配的好,因而,API,也是基于事件的,比如：告诉一些组件说一些别的的组件想要被告知是否和什么时候数据已经到达了。,一旦条件满足，组件会发布一个事件,细节：看下面讨论的例子,TinyOS,41,动态功率管理,开发多操作模式是有希望的,问题：在功率安全模式下什么时候转换,问题：时间和能量开销与苏醒相关；贪睡并无益处（看例子）,调度方法,问题：怎样控制动态电压缩放？,更咄咄逼人的：增加电压,/,频率更容易,截止时间通常限制下面需要的速度,或者,:,交易掉精确度和能量损耗,如果可以得到更多的能力，就可以计算更多精确的结果,例子,:,多项式逼近,从高指数还是低指数开始取决于多项式是从哪里估值的,SS 05,Ad hoc&sensor networks-Ch 2:Single node architecture,42,概要,传感器节点结构,能量供给和损耗,传感器节点运行环境,个案研究：,TinyOS,43,嵌入式操作系统个案研究,:TinyOS&nesC,由,UC Berkely,开发的,TinyOS,是作为它们“,motes”,的运行环境,nesC,作为附属“编程语言”,目标,:,小的内存占用,所付出的牺牲使得：比如，在使用和可移植方面更简单,在新版本中多少提高了可移植性,最重要的设计方面,基于组件的系统,组件间通过互换异步事件相互作用,组件通过将它们接线在一起形成一个程序,(,类似于,VHDL,硬件描述语言,),44,TinyOS,组件,组件,框架,状态信息,任务,正常 执行,l,程式,命令处理程序,事件处理程序,处理程序,必须运行到结束,形成一个组件的接口,理解并发出命令和事件,层次的安排,事件通过硬件向上传递到更高层次的组件,命令被向下传递,TimerComponent,setRate,fire,init,start,stop,fired,Eventhandlers,Commandhandlers,Frame,Tasks,45,处理程序,VS,任务,命令处理程序和事件必须运行到结束,不能等待一个不确定量的时间,只是一个,请求,来执行一些操作,然而，任务可以任意执行，长计算,也必须运行到结束，因为没有非合作的多任务被执行,但是可以被处理程序中断,!,没有必要堆栈管理，任务之间彼此是不可分割的,46,分相编程,处理器,/,任务的特点和分离对编程模型有影响！,怎样使一个阻塞请求在另一个组件中生效？,举例：命令另一个组件发送一个分组,阻塞函数调用并不是一个选择,!,分相编程,第一相位：发出命令到另一个组件,接收命令处理器会只接收命令，将其发布到一个任务来实际执行，然后立即返回,从命令调用返回并不意味着命令已经被执行了,第二相位：被调用的组件通过事件通知调用者：命令已经被执行了,例如：缓冲处理结果,只有当完成事件被接收之后缓冲器才被释放,47,TimerComponent,start,stop,fired,Timer,init,StdCtrl,setRate,fire,Clock,构建命令,/,事件为接口,可以增加很多命令,/,事件,nesC,解决方案,:,构建相应的命令,/,事件为,接口类型,举例,:,构建计时器为三种接口,StdCtrl,计时器,时钟,通过将对应的接口连接在一起来构建配置,48,CompleteTimer,TimerComponent,Timer,StdCtrl,Clock,HWClock,Clock,Timer,StdCtrl,从简单的组件中构建组件,将组件连接在一起，从而将简单组件形成更复杂的组件,复杂组件的新接口,49,nesC,中的定义模块和组件,50,将组件连接在一起来形成一个配置,51,总结,对于,WSN,，建立廉价，低功耗，（小型）装置的需求对系统的设计有不同的影响,无线前端和控制器比传统移动网络中的要简单很多,能量供应和清除现在仍然是（在可见的未来中也是）优质资源,功率管理是重要的,嵌入式系统中独特的编程挑战,没有支持和保护下的并发性,业界标准,:TinyOS,