WSN-设计影响因素

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功耗
感知
取决于
应用 感知的性质: 偶发的或持续的 检测复杂性 周围的噪声级别 拇指规则 (ADC 功耗)

Ps FS 2
ENOB
Fs – 感知频率, ENOB – 有效位的数目
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容错（可靠性）

实例:
1. 室内温湿度监测传感器节点不易毁坏，不易受环境影响 低容错（可靠性）
2.
战场监控传感器数据很重要，节点会被敌军毁坏高容错 （可靠性）
设计标准：容错（可靠性）与具体的应用相关。
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传输介质 无线电、红外、光学、声音、磁媒介 ISM (Industrial, Scientific and Medical)频段：
欧洲的 433 MHz ISM 频段； 北美的 915 MHz 、2.4 GHz ISM 频段
原因: 免费无线电；
大量的频谱分配； 全局可用性。
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供能装置
户外，太阳能电池。 热能、动能和振动能量的能源采集技术来产生能量。
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容错（可靠性）
由于能量耗尽、硬件故障或环境干扰，传感器节点可能
失败 传感器节点的失败不应影响整个传感网的功能 所谓的容错的可靠性，即无外界干预情况下，支持完整 传感网功能性的能力。
4
处理单元
无线传感器节点的控制器。
包含一个片内存储器，也可将小存储单元集成到嵌入式控制板。
控制传感器节点执行感知操作、运行相应的算法并控制与其他 节点无线通信的整个过程。
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收发机单元
实现两个传感器节点间的通信。
在发送端将比特形式的信息转换成可被发送的RF波形式
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功耗 传感器节点可作为数据源节点或数据路由节点。 能量节省与管理是非常重要的 能量感知的通信协议必须被设计。
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功耗
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Rk (t ) e
即，当节点k的失败率为λk ，在时间间隔（0，t）内， 由泊松分布而得到的节点未失败概率。
G. Hoblos, M. Staroswiecki, and A. Aitouche, “Optimal Design of Fault Tolerant Sensor Networks,” IEEE Int. Conf. on Control Applications, pp. 467-472, Sept. 2000.
Chapter 2: WSN设计影响因素
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1
影响传感网设计的因素
A. 硬件限制 B.容错（可靠性） C. 可扩展性 D. 生产成本 E. 传感网拓扑 F. 操作环境（应用） G. 传输媒介 H. 能量消耗（生命周期）
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能量获取
周围的能源 及其能源密度
Solar (Outdoors) – 15 mW/cm2 (direct sun) Solar (Indoors) – 0.006 mW/cm2 (office desk)
0.57 mW/cm2 (<60 W desk lamp) Temperature Gradients – 80 W/cm2 at about 1V from a 5Kelvin temp. difference Vibrations – 0.01 and 0.1 mW/cm3 Acoustic Noises – 3*10{-6} mW/cm2 at 75dB - 9.6*10{-4} mW/cm2 at 100dB Nuclear Reaction – 80 mW/cm3
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功耗
能源受限的传感器节点 传感器节点的生命周期（LIFETIME） 取决于电池的生命周 目标：以尽可能低的成本提供尽可能多的能量 充电作为一个选择？ 钻泽 基本电池– 不可充电 辅助电池– 可充电，当结合其他能量获取方式时有效
期
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功耗
传感网的功耗来自三方面
感知 数据处理 (计算) 通信
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功耗
传感网的功耗来自三方面
感知 数据处理 (计算) 通信
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预部署与部署阶段 部署后阶段 额外节点的重新部署阶段
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传感网的拓扑结构 预部署与部署阶段
用飞机空投 随机部署 计划部署、固定位置 规则部署 移动的传感器节点 自适应的，动态的 能移动，以补偿部署缺陷 能借助于外力（风力、水力）而被动移动 能主动寻求兴趣区域
R是传输半径
( R) R
基本上：μ(R) 区域A中传输半径为R的传感器节点的邻居节点。
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可扩展性
实例: 设传感器节点被均匀部署在监测区域中，200个节点被传输在50x50 m2 的区域中，每个节点的广播半径为5m，求节点密度与节点度。 使用前面的等式：
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生产成本 单个节点的成本对于整个网络极其重要! PicoNode: 低于 $1 蓝牙系统: 约$10 单个传感器节点的成本少于1美元的传感网才是实际可行
的!!!!!!! 目前 ，单个节点的成本： $25 -$180 (仍然很昂贵!!!!)
在汇聚节点恢复成比特形式。
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能量单元
传感器节点最重要的部件之一。 通常，电池作为能源，也支持其他能源。 传感器节点的每个部件由能量单元供电。 能量单元的能量受限。
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传感网的拓扑结构
Sink
Internet, Satellite, UAV
Sink
Task Manager
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传感网的拓扑结构 拓扑维护与改变:
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可扩展性 某些应用中，节点数目数以千计。
在直径小于10米的区域内，传感器节点的数量可从几个
到达几百个
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可扩展性
节点密度: 单位面积的节点数目均值为：
N/A
2
N为部署在区域A内的传感器节点数目。 节点度: 传感器节点的传输半径内的节点数据均值：
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传感网的拓扑结构 初始部署方案
减少安装成本 消除任何预组织与预计划的成本 增加组织的灵活性 提升自组织与容错性能
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传感网的拓扑结构 部署后阶段
拓扑改变可能发生： 位置 由于拥塞、干扰、噪声和移动障碍物，节点间的互连
关系也会改变 可用能量 故障
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额外节点的重新部署阶段
任务改变
失效节点的替换
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容错（可靠性） 广播范围内有N个节点时的容错（可靠性）可计算为：
R(t ) 1 [1 Rk (t )]
k 1
N
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容错（可靠性）
实例： 若使网络的容错率达到99%，广播半径内需要部署多少 传感器节点？ Assuming all sensors within the radio range have same reliability, previous equation becomes: 假定每个节点有相同的可靠性，前面的等式变为：
200 /(50 50) 0.08 2 ( R) 0.08 5 6
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可扩展性
实例: 1. 机器诊断应用： 在5 m x 5 m 区域l内的节点数目少于50 。 2. 交通工具跟踪应用: 每个簇或区域大约10个传感器节点。 3. 智能家居应用: 取决于房子大小，数十个节点。 4. 生活习性监测应用: 每个簇25-100个节点。 5. 个人应用: 节点数目从数十到数百。可用于衣物、眼镜、鞋、表、珠宝等。
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容错（可靠性）
节点k的容错（可靠性）R 可被计算为： ( k t ) i.e.,
by Poisson distribution, to capture the probability of not having a failure within the time interval (0,t) withλk is the failure rate of the sensor node k and t is the time period.
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定位系统
提供传感器节点的物理位置。
由一个GPS模块+软件模块组成。
该软件模块执行分布式定位算法，提供定位信息。
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移动装置
移动性支持需消耗能源。
与传感单元协作，完成操作，并由处理单元控制传感器节点的 移动。
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传感单元
无线传感器节点的重要组成部件。 包含许多感应单元。 感应单元具有从外界收集信息的能力。 每一感应单元负责收集某种类型的信息。 感应单元由两个子单元组成：传感器+模数转换器（ADC）. 根据观察到的现象，传感器产生模拟信号，然后被ADC转换 成数字信号，送入处理单元。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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传感器节点硬件
Location Finding System
SENSING UNIT
Mobilizer
PROCESSING UNIT
Processor
Sensor ADC Transceiver
Memory
Power Unit
Antenna
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去掉t，代入 f = (1-R0)
R(t ) 1 [1 R0 (t )]
N
0.99 = (1 – fN) ，f=0.1 N=2
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容错（可靠性）
评价: 1.可设计相应的协议或算法，来保障传感器节点所需的可靠 性级别。 2.若环境中存在干扰，可靠性保障问题需考虑更全面。