外文翻译译文-基于ZigBee网络的低功耗研究

附件1：外文资料翻译译文基于ZigBee网络的低功耗研究吴伶锡，詹杰，石伟湖南科技大学摘要：在本文中，我们分析了节点在星型拓扑结构工作下补偿递减计数的过程，讨论了在一个超帧中节点的所有概率状态的接入概率和功率损耗。功耗过程表明通过调整发射功率来减少系统功耗是不可行的，唯一可行的途径是节点在接受状态和空闲时间来完成。并指出以下两种减少节点功耗的方法，使用长帧，但是使用长帧将会增加时延和系统开销。另一种是通过相对减少节点数量来提高接入概率，从而达到减少能量消耗的目的。关键字：ZigBee；IEEE802.15.4；超帧；MC131921引言ZigBee是一个短距离、低数据率、低功耗的无线传感器网络，它基于IEEE标准802.15.4，旨在成为低复杂度、低价格的关键角色，以至于只要一点基础设施来操作或者根本不需要。于是得到人们的认可，并且获得了广泛的应用和快速发展。它采取分层结构：应用层、网络层、MAC层和物理层。网络层涉及网状网络的路由和网关。MAC层管理节点接入和通信。物理层负责发送和接收数据。星型网络是网络的一个基础形式，它是由一个坐标和许多节点组成，所有的网络通信在坐标和节点之间进行，这样的网络利用信标帧来管理节点和使时间同步。2基于ZigBee协议的节点的状态和补偿过程2.1节点的运行状态描述为了解释工作在星型拓扑结构的节点的状态，我们介绍作为节点的无线芯片MC13192。它是由飞思卡尔有限责任公司制造的，与ZigBee协议相符，它的改变状态如图1所示（这儿，我们认为只向上传输）1。从节点接入信道的模型中，我们可以得到状态转换和补偿递减计数过程之间的关系2。TX表示节点成功的接入信道并传输数据。RX表示三个进程，即节点接收信标帧，ACK信号和执行清除信道接入。这三个进程的区别在于接受的时间，信标帧的时间是最长的，ACK约定俗成是固定的11字节消耗，CCA只需要2个字节。Idle表示在超帧活动期限内节点没有完成数据传输的时间。Hibernate包括3个段（空闲时间，在节点完成数据传输后的活动时间和节点状态进入延时线）。从图1中，我们可以总结出节点最大能量消耗在接受和发送状态，而休眠（Hibernate）是节能的状态。图1节点状态转换2.2节点补偿递减计数的过程假设只有一个数据包在每个超帧的循环中通过每个节点，节点一旦成功接入信道，就能完成数据传输。由文献345，我们能得到四个概率公式。详细说明，表示信道在第一个CCA之后空闲的概率，表示第二个CCA之后空闲的概率，表示节点在补偿递减计数周期完成之后接入信道的概率。根据协议，m表示节点接入信道的次数，0m)=1-Ptr(i)表示节点接入信道i大于m的概率。Prtf=1-(1-Prcol)*(1-Pre)是传输失败的概率。Pre错误编码的概率。我们只能考虑理想信道，因此我们可以得到Prtf=Prcol，Prcol表示节点同时传输数据导致冲突的概率。因此，3.2空闲状态时间的计算由图1，我们可以得到Tidle，它由三部分组成一是Thi（休眠空闲转换时间），二是节点在整个竞争信道中接入失败消耗的时间，三是节点重发i（确保数据包完全发送）次的时间。我们能表示成：3.3TTx发送状态时间计算我们能从1、2中得到发送状态时间3.4TRx接收状态时间计算TRx由四部分组成一是状态转换时间，二是接收信标帧的时间，三是在成功接入信道执行CCA和接收ACK帧的时间，四是在未成功接入信道执行CCA的时间。这儿，CCA表示CCA的平均时间。由文献6，我们能得到公式：4节点状态功率计算和分析空闲状态功率：发送状态功率：接收状态功率：在一个超帧中所有状态的功率：这里，TB=aBaesSuperframeDuration，BO是补偿递减的指数。我们从图2到图1描绘功率。图2描绘了一个超帧的整个功率。图2中我们得到网络性能与采用CSMA/CA的网络相似，功率随着节点数量和数据包长度的增长而迅速增长。甚至，这图还表明了ZigBee的性质低能耗。图3是空闲状态的功率图，它描绘了节点越多和数据帧越长状态的功率和时间越多，接入延时将会增加，在短时间内节点的数据不会传送到网络。图4是接收状态的功率图，我们能得到这样的结论，当是短数据帧长时，节点数量的增长不会很深的影响接收状态功率。而接收状态的功率将随着帧长的增长迅速增长。图3与图4相比较，我们能得到随着帧长的增长接收状态的功率增长超过空闲状态的功率增长，接收功率将变成整个功率消耗的主要组成部分。从这些图中，我们能总结出帧长深深地影响CCA时间，同时，增大了重发的概率，这些因素导致了节点必须保持接收状态来等待ACK帧。图5是在一个超帧时间里发送状态功率图。发送状态功率很低，它随着节点数量和帧长的增加而减少。这个现象表明节点接入概率低和发送状态时间短。5总结我们讨论了在星型拓扑结构，信标使能下工作的ZigBee协议的节点功率，我们能总结出：IEEE802.15.4采用CSMA/CA所支持的模块。测量表明节点不会保持更多的时间在侦听状态，而是导致更多重发和功率消耗。我们不能通过调整发送功率减小星型拓扑结构的网络的功率。因为发送功率在整个消耗功率中占很小的部分。我们只能通过减少节点数量、接收周期和空闲状态来降低功耗。长的帧可以减少发送状态的功率，但是他会增加整个节点的功率，甚至增加系统延时和硬件开销。我们有一个办法来增加接入的概率，减小节点功率。我们可以设置接入的时间和帧长之间的关系，使用长帧的节点在信标帧之后直接接入信道，而使用短帧的节点需延时一个