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英文翻译zigbee
毕业论文(设计)
英文翻译
原文标题ZigBee-RFIDhybridnetworksstomaximizepowersavingandlife
译文标题ZigBee-RFID混合网络的节电与寿命的最大化
学生姓名孔令鑫学号200904501
专业年级2009级测控技术与仪器
指导教师郭佑民
二O一三年六月三日
ZigBee-RFID混合网络的节电与寿命的最大化
P.Medagliani,G.FerrariM.Marastoni
意大利帕尔玛大学信息工程学系,无线Ad-hoc传感器网络(WASN)实验室
Prides.p.a.,I-20151米兰
摘要:
ZigBee是一种的无线个人区域网络标准,应用在需求低功耗的情况,比如无线传感器与控制网络。
由于节点可能被布置在一个交通不便的地方,因此需要高能量效率,最大限度地提高网络的寿命和减少维护费用。
为了提高寿命,一个简单而直接的解决办法是关闭所有不必要的节点,例如,当节点空间密度大于检测需要时,就可以关闭那些不必要的节点。
我们设想一个新型ZigBee无线交互网络,远程传感器节点可以选择性地关闭。
更确切地说,无线控制是基于射频识别(RFID)技术,从而实现一个ZigBee/RFID混合结构。
换言之,我们考虑使用两个逻辑重叠的网络,RFID和ZIGBEE网络。
RFID网络,通过一个电源关闭算法打开或关闭节点的ZigBee网络。
这个算法被称为深度睡眠算法,旨在平衡各个ZigBee节点的剩余能量。
事实上,RFID控制器(即阅读器)循环开关剩余能量很低的ZigBee节点。
通过构建所提出的RFID控制ZIGBEE技术,我们专注于观测点的需要最少的空间密度实现。
这是出于实际利益考虑,比如在一个分布式监控应用中,其中一个节点需要使用同一种方式监控尽可能大的区域。
在这种情况下,我们在监控区域引进了一种虚拟空间网格,并且在网络中的每个节点应用深度睡眠算法,要求在同一时间最多只有一个节点是工作的。
我们利用基于Opnet网络模拟对所提出的ZigBee-RFID混合网络进行分析。
1简介
无线传感器网络是一个有趣的研究课题,不仅在军事领域,也同时在民用领域。
特别是在远程/环境监测、保护区的监视等,都是无线传感网络技术的重要应用领域。
这些应用通常需要低耗能和低成本。
ZigBee联盟提出了一项最新的无线网络标准,其具有低传输速率和高能量效率。
无线传感器网络(WSNS)的一个最为有趣的研究方向就是设计高能效的网络结构。
作者分析了不同的方法和可能的优化策略,以降低IEEE802.15.4网络的电力消耗。
在另一方面,射频识别(RFID)设备同样受到包括工业界和科学界越来越多的关注。
特别是它们可以被用在机场行李识别,医院的生物材料鉴定,邮寄包装的监测,家畜的追踪和供应链物品的有效监测等。
RFID技术的一个最新的热点领域是普适计算,一般集成了不同的技术,比如RFID设备和WSNS。
在文中,作者提出和评价了三个不同的系统构架,用以结合系统的WSNS和RFID技术。
我们首先引入一个ZigBee和RFID一体化网络的逻辑方案,来最大化在以前网络中节点的电池寿命。
然后,我们就耗能方面分析这个一体化网络的表现,考虑一个简单的深度睡眠算法,使得一旦节点的电池能量低于一个阈值时周期性地关闭。
这是网络在网络自我适应中调整的。
最后为了监测网络表面一致性,我们引入了虚拟空间网格和在网格的每一个节点应用细胞沉睡算法。
2ZigBee标准概述
ZigBee标准是适用于家庭无线个人区域网络(LR-WPANs),,允许网络的建立、管理和通过一个高能量节省的无线信道进行数据传输。
ZigBee标准预见了三个不同的节点类型:
(i)协调器,(ii)路由器,和(iii)终端设备。
在没有直接通信连接时,路由器用于向正确的地址传输数据包。
协调器,除了可以传输数据包,也可以建立网络,改变其他节点通信的参数(比如一个网络标识符(ID),一个同步帧),并且传输网络管理命令。
路由器和协调器被称为全功能设备(FFDs),比如,他们可以实现ZigBee标准需要的全部功能以建立和保持通信。
终端设备,也被称为降低功能设备(RFDs),只能从传感器收集数据,将这些值插入合适的数据包,然后将他们传送给目标节点。
ZigBee标准基于IEEE802.15.4,在ISO/OSI协议栈的最初两层,采用一种载波侦听与碰撞避免(CSMA/CA)媒体访问控制(MAC)协议和工作在2.4GHz频段(类似于IEEE802.11标准[15])。
此外,IEEE802.15.4标准提供一个可选的ACK消息来保证数据包的正确交付。
我们注意到ZigBee无线网络媒体访问机制利用一个退回算法去减少碰撞的数据包。
在传输一个新的数据包前,节点会等待一个时间,时间的长度是在网络开始阶段间隔内随机选定的。
在这段时间结束以后,节点会尝试去发送它的数据包:
如果它检测到碰撞,它会再等待两倍的先前选定的时间间隔;相反地如果线路是空闲的,它就发送自己的数据包。
当这个等待间隔达到了它的最大值,这个过程会重复5次。
这个回退算法使在其考虑的范围内,节点最终会成功发送其数据包。
ZigBee标准提供了一种技术,可以改善RFDs中的同步。
这个技术基于时隙划分的周期信号传输,又称信标(beacon),从网络协调器发出。
特别地,其标准定义了一种具体的帧结构,叫做超级帧,如图37.1所示。
这个帧主要有两个部分:
(i)活动区和(ii)被动区。
活动区轮流被分为两个周期:
(1)访问争取周期(CAP)和(ii)空闲争取周期(CFP)。
在CAP中,只有RFD依靠MCSA/CA协议访问信道,而在CFP中只有先前保留了保证时间片(GTS)的RFD可以访问信道,从而避免了碰撞。
最后,在被动区所有的RFD变为睡眠状态,从而节约电力。
按照ZigBee符号,两个并发的信标时间间隔又叫做信标序(BO),而活动帧的持续时间叫做超级帧持续时间(SD)。
3RFID技术
射频识别技术说明了两种不同的设备:
(i)阅读器和(ii)应答机或标签。
标签是一个电子存储设备用于识别的数据并确定追踪对象。
相反地,阅读器用来询问标签。
标签可以按照电源类别不同别分为三个主要类别,(i)主动标签,(ii)半被动标签和(iii)被动标签【12】。
主动标签用以回应阅读器询问时,使用内置电池进行操作和信号传输。
而半被动模式标签只使用他们的电池对内置处理器供电,不广播返回信号。
最后,被动标签,没有配备电池,利用接受到的信号的能量回应阅读器(散射技术)。
显然,被动标签具有最长的使用寿命(基本无限),而主动标签的传输距离最长。
一旦阅读器询问一个标签,而这个标签正确地回答了,没有遭到其他标签的碰撞(使用了适合的防碰撞机制),阅读器向标签发送一个确认消息,以确认消息的正确接受。
RFID技术提供的功能主要是关于阅读器和标签之间的无错误通信(双向),辨认多种标签和通信,选择预定的目标标签,进行写和覆盖标签的操作。
阅读器和标签间的通信,根据散射技术,通过询问信号的幅度调制实现。
在另一方面,在询问信号传输后,阅读器发出一个功率恒定的信号,让标签去响应先前信号,通过负载调制技术。
阅读器从功率恒定信号变化的反映中接收标签的数据。
当阅读器询问了一组标签,这可能立即回应,导致碰撞。
RFID技术最重要的一个标准就是ISO/IEC18000-6标准。
这个标准定义了一个识别系统标准,工作在超高频(UHF)频率范围内。
特别地,这个标准规定了在欧洲RFID系统频带在868MHz左右。
18000-6标准定义了两个不同的传输类型:
(i)A型(ii)B型两种类型。
两种传输类型使用40kbps速率,并用二进制相位调制。
两种传输类型的不同存在于媒体访问控制(MAC)协议中。
如果阅读器发现了碰撞,根据AlohaMAC协议A类型标签转发询问请求。
根据这一协议,标签在数据包产生的时候立刻发送,当在指定时间内没有接收确认信息时,就认为发生了碰撞。
相反,B型标签,使用二叉树协议(BTP)防止碰撞的机制。
BTP机制是这样,当碰撞来临的时候,标签类分为两个子类:
一类尝试立即去重发他们的信息,而另一类等待直到阅读器产生新的询问。
最终,只有一个标签会重发,而阅读器将成功获取其身份(或其他储存信息)。
这个递归的过程会重复,直到所有标签不再响应询问信号。
4ZigBee-RFID混合网络
4.1系统结构
我们的系统模型由一个N个节点组成的网络,节点被用来监测特定感兴趣的现象。
需要假设一个最小的观察站的空间密度,比如需要的用于监控给定的感兴趣的表面(在区域A)的RFD最小数目Nmin,而设置的RFD的数目N要比Nmin要大,我们的方法包括实施一个RFD的选择性唤醒。
更确切地说我们的策略包括选择性开关RFD用以平衡网络中节点的能量消耗。
为了最大程度地提高网络的使用寿命,只要一个活动的RFD的剩余能量低于一个固定阈值Eth就将其切换至睡眠状态。
与此同时,其中一个余下N-Nmin的节点(先前关闭着的)被唤醒,从而保证了整体上用来检测特定现象的观测站的最小空间密度。
这个过程被称为深度睡眠算法。
一个说明的例子,在给定时间内一个使用了深度睡眠算法的网络。
我们指出,RFD只转换至睡眠状态,而不是被关闭,从而防止其在网络中丢失同协调器和其他RFD的同步。
事实上,按照ZigBee标准,网络连接符号执行,一个RFD会被打开而引入一个比唤醒符号更长的延时,因为在开始传输之前RFD必须等待到一个新的信标以同网络同步。
相反地,在睡眠状态的RFD转换为活动状态只有在一个信标传输被计划和随后,如果不是必须的,返回到睡眠状态而不会失去他们与网络的同步。
深度睡眠算法的目标是在RFD实现能量均衡化,从而各个RFD的剩余能量可以平衡。
当RFD进入睡眠状态,事实上,其能量消耗比活动状态要低4个数量级。
4.2OPNET的仿真结构
我们的ZigBee-RFID混合模型是基于IEEE802.15.4Opnet模型和RFIDOpnet模型。
Opnet模型是葡萄牙波尔图大学(UniversityofPorto)研发的,RFIDOpnet模型是意大利帕尔玛大学(UniversityofParma)研发的。
IEEE802.15.4模型的引入是用以同步网络节点和节省能量。
此外,这个模型包括一个电池模型,用来评估设备的能量消耗。
另一方面,Opnet-RFID模型实现了ISO/IEC18000-6标准,考虑到无线信道的衰落。
由于ZigBee和RFID模型是不脱节的,我们已经开发了一个OpnetZigBee和RFID混合模型,其中子部件可以沟通和合作。
显然,考虑到RFD不能在一帧中传输,信标机制需要被修改。
注意到,在我们的系统中没有用到BTP(内嵌在ISO/IEC18000-6标准中),这是由于RFID标签只用于切换(ZigBee)RFD,而且不需要被识别。
更确切地说,RFID网络层是在ZigBee网络的上面。
在我们的混合系统,信息是通过IEEE802.15.4(逻辑)网络传输的,其网络依次被RFID网络控制。
集成AP,从RFID阅读器、ZigBee协调器和集成节点的结合获得的。
而集成节点是从RFID标签和ZigBeeRFD结合获得的。
我们指出集成节点是由电池供电的,然而集成AP连接电力系统,从而后者没有电池耗尽问题,而前者会有。
4.3深度睡眠算法
我们现在描述ZigBee-RFID混合网络的基本功能。
当一个RFD处于睡眠状态,而且被协调器选中了,相关的RFID标签接受到阅读器的信令消息(通过RFID逻辑网络),并打开自身的RFD,进入活动状态开始通信(通过ZigBee逻辑网络)。
同样地,当一个RFD处于活动状态,而它的剩余能量低于阈值,RFD将其告诉zigbee协调器。
协调器通知它的相应RFID阅读器,通过向标签发送一个适当的消息,强制选定的RFD进入睡眠模式。
由
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