双无线传感器中端到端路由文献翻译

1、双无线传感器中的端到端路由 摘要 ：双无线，双处理器结点是一种新型的无线传感器网络设备，它除了能增强计算性 能外还保证在能量较低时能正常运行， 而且为应用提供通信带宽。 在此系统中， 次级无线设 备和处理器在功率极低的情况下也可以正常运行， 而主处理器和高带宽的无线设备可直到有 应用程序来触发它时才会被启动。 除了合理的使用、 管理能量效率的网络外， 通过利用主处 理器和主无线设备也可以激活应用程序。 次级无线设备提供了一种不变的多级跳跃网络。 而 在原始网络的路径中只是在需要的时候才存在。 本论文描述了一种拓扑控制机制， 该机制为 了一个双射频结点的网络建立一条端到端的路径， 并使用次级无线

2、电作为一种控制渠道， 根 据其路径的需要， 有选择性地唤醒结点。 通过使用与测试实验数据一样的数值模型， 我们可 以看出，与其他可行的方案相比，我们的方案可以节省超过60%的能量，而其它方案不同 程度地会产生延迟。 1. 引言 应用需求的不断增长， 加之低功率硬件设计的进步， 人们已经越来越多地使用更强大的传 感器结点。除了 32 位的 CPU 外，这些结点还包括精密的外围设备、大容量的 RAM 和闪存 和一个高带宽的 802.11无线设备。正像一排由低到高的建筑物一样， 32 位结点被使用在一 个类似的无线传感网络部署中，以便与基于微控制的 WSN 设备一起操作。 当这些 32 位结点被使用

3、在由低到高的建筑物中时，他们必须和基于微控制结点的网络通 信（典型的有 8 位或者 16位）。为此，新一代的 32位结点，例如“跳”结点包括一个带电 的低功率微控制器和一个次级， 低带宽的无线电设备。 因此，这些结点不但能进行排列计算， 而且还能排列无线网络。 如果当一个结点有多个带有不同通信性和功率性能无线电时， 那么 问题就出现了： 这样一个多重的无线系统应如何被应用到最有效的能量和应用需求上呢？根 据每个 bit 位传输的能量来说（例如， 802.11 中的 112nJ/bit 正好和 802.15.4 中的 979nJ/bit 相反），这个结点在工作时相对低带宽的无线设备具有比较高的能

4、量利用率， 这一点很重要 。 然而，更大的无线设备也有较高的传输成本和不必要的能量的消耗， 甚至是低带宽无线设备 的 10 倍以上。因此，如果传送的数据很少或者没有的话，使用高带宽的无线设备反而会产 生相反的效果。 那么为了降低能耗， 应该避免使用高带宽的无线设备。 仅当有海量数据传送 时才激活它。另一方面， 低带宽的无线设备能量利用率较低， 但同时耗能也低，同时能很快 从休眠状态切换到活跃， 发送必要的数据，然后恢复到原来状态。 因此，传输少量的数据和 一段时间内一直保持 “警醒”一样， 都是理想化的状态， 尤其是当采用像低功率侦听一样的 技术时。 在一个维持主结点 CPU 和为了保存能量而

5、进行工作循环的高带宽无线设备中，这种端到 端的路径永远都不会存在。 在研究模式存在现象的传感器网络应用中， 这个问题可能要么通 过一种静态调度算法要么通过适配算法来解决， 这两个算法使用在结点交互的地方， 目的是 保证他们的唤醒时间是同步， 同时为了完成其他低工作循环的协调功能。 然而， 当这样的模 式不存在时， 它也可能不会去了解， 正如在一个地震检测时， 或者一个入侵检测中需要一个 及时的事件通知，一个周期性的唤醒算法可能永远不会在比较低的反应时间去执行。 为了给如上所述的应用的需求加一个地址， 我们提出端到端的路由， 它能使用警戒， 低功 率的， 触发部分因为阻塞而停止工作的高带宽无线设

6、备。 在多重无线电设备系统中， 前期工 作的核心是使用高性能的不同的无线电设备， 使用低带宽的无线电设备来发现资源， 正如一 个完成网络功能的控制渠道一样，如：接入点联合和调度传输。然而， 就我们现在所掌握的 知识，还没有人找到使用低带宽的无线电设备为高带宽的无线电设备建立一个端到端的多跳 路径。在我们所提出的方法中，每个结点使用自身的低带宽无线电设备来连接一个叫做拓扑 控制器的特定的结点并请求一个端到端路径到另一个特别的目的地。然后这个控制器决定让 哪个结点根据路由路径去唤醒建立在缓存中的消息并且再一次使用低带宽无线电设备发送 合理的请求到其他结点。当结点收到这个唤醒请求时，他们将启动CPU

7、和高带宽无线电设 备以便让端到端的数据开始传送。 本论文主要介绍一种端到端路由的新方法，这种方法在一个有阶梯， 双射频的网络中，能 优化性能，并能使低带宽的无线电设备触发高带宽的无线电设备。我们的创新点在于对每一 个路由拓扑使用不同的路由协议，因而减轻了匹配拓扑的需要。 我们运用了分析和实验来证 明这种方法的优点，同时得出的结论是我们所提出的提前建立路径来激活结点的算法与其他 可行方案比能减少超过 60%的能量消耗，而其他可行的方案在应用延时中适当会增加能耗。 表I概述了我们方案。 C ontiibunon S turion Demoniraiion of multihop paih uakr

8、up W . V of different l oudns protocol for 曲d) topology IL IX-B AlleT ia：es die need fornevork V Qunntificfidon of thr impact of transition m n better:iL：peiid in 】o(u freqneccies ulb C ompaihon of wakeup 二 Wake-path beer dian Wake-a 11 m, v Alwavj-cn preferred at ver/ hi吕h frequenciej in TABLE : 此文

9、内容概述 II用于双射频、无线传感器的端到端路由不同方法 为了解决在LEAP层次结点上建立一条端到端路径这个问题，我们可以考虑如下方法： 永远开启：一种结点时时管理所有无线设备和CPU资源的系统。此系统不需要一个次级 无线设备并且在数据传送中希望有最短的延时，但是可能耗能会最多（就像使用的无省功率 状态一样）。 周期性唤醒：一种结点的主处理器和高带宽无线电设备在发送数据时电源开启，不发送时 关闭的系统。和前面一个例子一样，本系统不需要次级无线电设备。在网络术语中，这个能 通过洪水模式来实现 （或者只要打开无线设备或让它接收频道），例如，在次级无线设备中, 未提前建立或维持路由是有必要的。此系统

10、需要低延迟，因为它是基于事件并且不需要依靠 任何特别调度。但其能耗可能是比较大的，这取决于建立和维护路径网络中结点的数目。 常醒路径：这是一个结点的主要处理器和高带宽无线设备只有当一个事件发生时其子结点 会启动而其他情况则处关闭。本系统需要一个次级无线设备来向需要路径编队的结点报告。 因为一个特定的子结点需要被延伸，本系统也将从次级无线设备中的一个单播路由协议来获 得优点。而且它具有低延迟，因为本系统是基于事件的。我们也期望按照能耗它能更好工作， 正像它要尝试去唤醒被建立的结点。因此，它的性能比其他系统在网络连接性能方面会更加 独立。对合理机制的选择和网络特性一样依靠于传感现象的物理特性，（比

11、如路由拓扑和低 带宽无线电设备），在以后的章节中，为了找到每种机制的合理运行范围，我们将会对数值 做很分析。 在需要使用低带宽无线电设备的这些方法中，我们假定低带宽的网络是连接上 的，不可分隔的，并且由 MCU控制的低低带宽无线电设备不会处于休眠状态。以便在任何 时候使主处理器和高带宽无线电设备处于清醒的状态。需要注意的是这种假设并不是指两种 拓扑网络是相同的。一个位于高带宽的无线设备上的临结与与另一个位于低带宽的无线设备 的临结点并不要求相邻（反之亦然）。这个未分隔的假定意味着要么两个无线设备是相似的 （如在同一磁极的 802.11g和802.15.4），要么低带宽的无线设备被额外的又射频结

12、点增大， 或者甚至是一个独立的结点。 我们也不会考虑任何移动模块，因为多数传感器是静止的，因此因为移动和移动的发现使 得路由路不能被确认，这是在以后的工作中是一个潜在的区域。然而，我却要考虑当结点不 工作时路由路径将会往何方。（依据IV-C 章） 川分析 对于我们研究的主要问题，我们所要回答的是：在哪些情况下每种方法最佳。更具体一点 来说，我们要弄清楚，在我们所提出的问题中，哪种方法的优势最明显，这需要根据整个数据 交流的持续时间来判断。这儿的交流可以定义成传感事件代。紧跟其后的是源和目的地之间的 一个合理的数据传送。 可能被涉及的主要问题如下： 结点一直会引起能耗吗？有一种终止传感器的事件频

13、率吗？ 所有结点一直都会是终止工作吗或者我们应该考虑其他状态，如其他结点处于暂停状态？ 网络拓扑是如何影响选择机制的呢？ 因为我们的目标是为每一种机制确定设计空间，出于这种考虑，我们通过简单的数值模式尝试 回答以前的问题。 A. 针对每一种机制的能耗 和MAC、网络协议和传输协议一样，我们使用一种我们忽略频道影响，包括损失和重传的简单通 信模式。这种能量需要传输由传感器在一个P跳上产生的数据传送。这个 P跳上是： De 1 Em M -1 (JYx.Af 十 PrX Af 1 V 0% 在BW是无线设备的带宽和 PTX，r和PRX.r，分别指无线设备的传输和接收功率。 对于一个含有N个结点和总

14、时间为 T的网络，永远活跃机制的能耗则为： Edits = N -1 + Edt.m - T (2) 在FC处是一个偶频，PM是一个主要的传感器无状态能耗和EDTM是一个由使用高频的高带宽无 线设备，如在以上第一个方程里所提到的，我们假定在一个需要传输的事件而没有事件时，802.11 无线电设备将会将关闭所有的结点，因此只有那些没用的能耗才会被CPU所产生。 在结点被关闭的这个方法中，我们需要考虑一下唤醒代价正如其本身一样。 对单一结点的唤醒代价如下： 在 TS 和 PS。O O O O O O 在以周期性唤醒为机制的结点中，主要通过一个定时器来唤醒，因此，如果我们假定预处理也被 关闭了同时又

15、能被一个硬件的定时器来打开，那么这个唤醒机制所付出的代价可以忽略。然而， 基于事件的这个例子中，也有一个传送成本问题，它与在低带宽无线设备上发送数据包有关。在 常醒机制中，可以通过一个控制包来实现整个网络。所以唤醒低价为： 民畑=(Al) 冷卩 TX S + 卩口Q N + 民一w (4) 控制信息的大小为分别表示次级无线设备的带宽、传送和 接收功率。 对清醒路径来说，唤醒低价是由在高带宽无线设备中所有结点发送包发出到收到确认所组成 的。然而实际上被传送的数据包则取决于路由拓扑。为了减化我们的计算机量，我们假定在 坐标上的结点长度完全相同，所以平均路径长度为（N-1）/2,因此，常醒路径的唤醒

16、低价 （假定控制数据的大小和全醒是一样的）： P 号：,（rx,s + rx.s） （AT 1） + E“ 在第四和第五个式子中，我们看得前结点的传送代价（第一个括号中的部分）几乎一样，如 果考虑控制数据的大小很小的话（除非不到100个字节），那么在这两个式子中主要的不同 是结点唤醒低价。对控制信息的传价来说，结点数目N要可能的大，这样的话才能 和唤醒代价来匹配。就实际的用途来说，我们可以忽略控制信息的传输代价。 第五个式子也没有考虑在低带宽网络中构建和维护路由树的代价。由于计算树代价的公 式中只是一次代价，因而可以省略。维护低价可以说是可持续的。 特别是当系统为了扩展时 间段时，就分析目的而

17、言，我们再次假定维护成本可以忽略，然而，把低带宽路由拓扑的维 护成本减到最低的这一需求，也是构建拓扑控制协议的设计目的之一。 这一需求我们将会在 IV-B 一节中做更详细的说明。 常醒总的能耗为： ） 丁+ /e+ Wralt + N f ；八规.；分别为MCU和CPU的休眠功耗。 对清醒路径来说，决的能耗为： 半1 肚 = A （fl.s + F蠡呵.m ） T + fc （Eztm + Ewpmh +P 1 Pi.M ” 由于不需要次级无线设备，故周期性唤醒方法与永久方法相似。 在周期性唤醒机制中，结点 唤醒Fw次，在这些次数中，由于之前的唤醒，结点尽可能多传送他们收集到的数据。 例如:

18、（Fe/fW）/De. 周期性唤醒机制的总能耗为: fw 从式子2、6、7、8我们现在可以比较每种机制并且确定其事件频率和网络拓扑。 B. 事件频率和网络拓扑的结果 事件频率Fe是一种在外部传感器的触发下， 为数据转发触发的一个请求， 它由被使用的系 统和唤醒结点来决定。 我们的目的就是测量四种机制中这个参数对每种机制的影响，同时也 测量哪种休眠状态（无功率和暂停）更可用。 首先我们所要观察的是唤醒机制并不是一直比持续机制能量利用率高。相反，事件频率至 少要达到： 丄 耳川耳店已尼叩讨 下 E如+ Fe鈕了 式子中的r=p/N是路径和总结点的比，相当于第一个式子中的全醒机制，而且因为r=1，

19、我们注意到清醒路径机制可能一直比全醒机制更好，在不考虑事件频率的值时。 因为清醒路径机制能效比周期性唤醒机制更高，故下面的式子要为真： -Eg + R 羯厂 一 1) (10) 可以用路径与总结点的比 r来表示网络拓扑。在一个较简单的拓扑结构中（如线性结构）， 当源结点和目的地结点都在网络的边缘时，r将会接近一个结构。同时唤醒所有结点和唤醒 想要被唤醒的结点的效果在体差不多。另一方面，在一个比较复杂的路径长度相对比较小的 拓扑结构中（限定一个跳跃的星型拓扑结构），不管源结点和目的结点的相对位置如何，r 的值将接近于0，并且清醒路径机制从能耗方面言可能优于周期性结点机制。 最后，我们来说一下选择

20、适当低功状态的问题。因为暂停模式可能比关闭结点能效更高， 故事件频率必须为： (ID 图1说明了常醒机制中能耗的事件频率功能，正如表 II中无功功率和暂停功率状态的全醒 机制一样，使用跳跃结点的值 2，设置周期T为一个小时，路径长度为P,结点数目N为 10。此图中的细线表示一个大小为400KB的数据而粗线则表示一个大小为40MB的数据。 根据这个图和我们前面的式子，我们可以看出，无功结点在低频中能效很好。而对每小时高 于4.6个事件的频率来说，最好将其分配在暂停模式中，而且，随着事件频率值的增高，它 实际上为了让结点一直清醒会处于能效高的状态。把结点置于暂停模式会有很多好处。我们 也注意到数据

21、量的不断增大会导致最大事件频率的减小，因此唤醒机制是有自身的优点。 事件频率（每小时事件量） LEAP mainl. PU (SOZ.llg) LEAP 802,11b) Mira： (CC1000) C PI号iiEppud Powpj 2 ultra-1 pouei uneless iieseanci tn 1PSV SPOTS. 2005 V Slmaycfer M Heosread, B.匚hen, G, W Allen and M ATel$h. Simulating the poww cdisuaipiioo of laise-cak $en$or aenvoik applicat

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26、未定义书签。 1.2研究工作的依据、内容及范围 错误！未定义书签。 1.3编制原则 错误！未定义书签。 1.4项目概况 错误！未定义书签。 1.5技术经济指标 错误！未定义书签。 1.6结论 错误！未定义书签。 第二章 项目背景及建设必要性 错 误！未定义书签 2.1 项目背景 错. 误！未定义书签 2.2 建设的必要性 错误！未定义书签 第三章 建设条件 错 误！未定义书签 3.1 项目区概况 错误！未定义书签 3.2 建设地点选择 错误！未定义书签 3.3 项目建设条件优劣势分析 错误！未定义书签 第四章 市场分析与销售方案 错 误！未定义书签 4.1 市场分析 错. 误！未定义书签 4.

27、2 营销策略、方案、模式 错误！未定义书签 第五章 建设方案 错 误！未定义书签 5.1 建设规模和产品方案 错 误！未定义书签 5.2 建设规划和布局 错 误！未定义书签 5.3 运输 错. 误！未定义书签 5.4 建设标准 错. 误！未定义书签 5.5 公用工程 错. 误！未定义书签 5.6 工艺技术方案 错 误！未定义书签 5.7 设备方案 错. 误！未定义书签 5.8 节能减排措施 错误！未定义书签 第六章 环境影响评价 错 误！未定义书签 6.1 环境影响 错. 误！ 6.2 环境保护与治理措施 错误！ 6.3 评价与审批 错误！ 第七章 项目组织与管理 错 误！ 7.1 组织机构与职能划分 错误！ 7.2 劳动定员 错. 误！ 7.3 经营管理措施 错误！ 7.4 技术培训 错. 误！ 第八章 劳动、安全、卫生与消防 错 误！ 8.1