WSN02 设计影响因子¶
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WSN 设计の影响因子¶
Plain Text
传输介质
硬件约束
容错性
可拓展性
拓扑结构
生产成本
功耗
传输介质¶
射频（RF）通信¶
- 频率范围：3k~300GHz
- 频率越高，衰减越快
功率与距离、频率的关系：\(P_r = \frac{P_T \cdot G_T \cdot G_R }{(4\pi d)^2} \cdot \frac{c^2}{f^2}\)
- 只适用于地上
ISM频段（Industrial, Scientific, and Medical）
- 免许可，全球通用 | 易造成干扰
水下通信介质¶
- 声波
- 适用于水下传感器网络： 30 – 300Hz
- 波长更长更适合水下环境
- 红外线
- 免许可，成本低
- 可用于水下短距离通信
- 适用于视距传输，具有抗干扰的优点
- 光波（激光）
- 水下传播产生散射，适合短距离传输
磁感应通信¶
适用于地下
硬件约束¶
能量有限，存储运算能力有限，需节能高效，延年益寿
- 多跳
- 休眠
系统容错性（Robust）¶
部分传感器失能而仍能维持功能的能力
容错原因
- 网路末梢易故障
- 传感器常选择休眠而不工作🤣
提高容错性方法
- 降低节点失效性
- 代替、大面积部署
- 算法补偿
可扩展性（Scalable）¶
高并发接入节点下有较好拥塞控制的能力（反例则是死锁）
- 密集部署（容错性）不得不面对的问题
- 受硬件约束大
- 通过算法补偿
网络拓扑结构¶
传感器连接结构图
- 常见结构有：星状(star) | 网状(Mesh) 拓扑
-
是动态变换的
-
周期性休眠
- down掉
-
部署阶段
-
预部署、部署阶段（网络启用）
- 部署后（post-deployment）阶段（动态变化，需维护）
- 重新部署阶段（无法 fix，reload）
生产成本¶
最重要的，dddd，所以不说
功耗¶
传感功耗¶
- 感知功耗（固定）
- ADC功耗（采样|量化）
- 采样率\(F_s\)
- 量化有效比特位数 | 分辨率 \(ENOB\)（Effective Number of Bits）
二者相关性弱
\[P_s\propto F_s\bullet2^{ENOB}\]
数据处理功耗¶
有表达式
\[E_{p}=N\cdot C\cdot v_{dd}^{2}+v_{dd}(I_{0}e^{\frac{v_{dd}}{n}\cdot v_{T}})(N/f)\]
其中
- N：\(T_{CLK}\)
- C：开关电容
- \(I_0\)：漏电流
- \(v_T\)：门限电压
可变的两个参数
- f：CLK频率
- \(v_{dd}\)：电源电压
- 有正相关性，需做动态电压调节（DVS）
\[\frac{K(v_{dd}-v_{th})^a}{v_{dd}}\geq f\]
通信功耗¶
- 发送功耗
\[E_{tx}=(P_{LO}+P_{PA})t_{tx}\]
功放功率\(P_{PA}\)可控，与发射时间\(t_{TX}\)负相关，故也需要做动态规划寻找最优解
- 接收能耗
\[E_{\mathrm{rx}}=(P_{\mathrm{LO}}+P_{\mathrm{RX}})t_{\mathrm{rx}}\]
参数不能改变
- 转换能耗
\[E_{sw}=P_{LO}\times t_{sw}\]
- 启动能耗
\[E_{st}=P_{LO}\times t_{st}\]
- 空闲挂起(idle)
空闲功耗不低
- 休眠
例
第二次课后练习题
- 对于水下WSN而言，可使用激光进行远距离通信（×，水下近距离）
- WSN 容错性的要求与部署的环境有关，室内环境一般要求较高的容错性（×，室内不需要那么高）
- 降低感知功耗可选择增加ADC模块分辨率（×，降低）
- 对于处理器功耗而言，为支持一特定CPU频率，存在一个最小的电源电压Vdd（√）
- 发送功耗中，数据传输速率影响功放PA的输出功率（√）
WSN 网络协议体系引入¶
| 三大垂直平面 | 三大支撑应用 |
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让我们从物理层开始~