t1
tdown
tevent
tup
time
23
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 V2
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
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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
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无线电性能
调制? (ASK, FSK, …?) 噪声因数? NF = SNRI/SNRO 增益? (信号放大) 接收机灵敏度? (达到给定Eb/N0 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
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?)


8
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
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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协议的竞争：接收器总是开着的 基于MAC协议的TDMA：
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
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!)
9
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 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
无线传感器网络节点结构
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
R nomial data rate, Rcode coding rate
Time Tstart, average power Pstart
! Etx = Tstart Pstart + n / (R ¢Rcode) (PtxElec + amp + amp Ptx)
Simplification: Modulation not considered
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能量收集–概览
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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: 109 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 ¼ 11.5 W
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n bits的接收机功耗
Receiver also has startup costs Time for n bits is the same n / (R ¢Rcode) Receiver electronics needs PrxElec Plus: energy to decode n bits EdecBits ! Erx = Tstart Pstart + n / (R ¢Rcode) PrxElec + EdecBits ( R )
Lithium 1080
NiMHd 860
NiCd 650
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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 从环境中吸收能量
周围环境能源
光! 太阳能电池– 介于10 W/cm2 和15 mW/cm2之间 温度梯度– 80 W/cm2 @ 1 V from 5K difference 振动– 介于0.1 和10000 W/cm3 之间 气压变化 (压电的) – 从鞋跟来的330 W/cm2 空气流动 (MEMS 燃气轮机)
6
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
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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
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
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）
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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？
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Power supply
4
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， …
5
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
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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 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
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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 Pretty resilient to multi-path propagation 很好的测距能力 好的墙壁穿透能力
2
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
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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
Communication device
Memory
Controller
Sensor(s)/ actuator(s)
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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/cm3)
3780
2880
Secondary batteries
1200
Chemistry Energy (J/cm3)
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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