外文文獻翻譯-基于ZigBee的車內無線傳感器網絡【中文6400字】 【PDF+中文WORD】

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Tonguz1 1美國.賓夕法尼亞州匹茲堡15213-3890，卡內基梅隆大學，ECE部， 2美國密西根州沃倫通用汽車公司，ECI研究與開發實驗室，48092-2031 電子郵件：{hsinmut，tonguz}@ece.cmu.edu，{cem.saraydar，timothy.talty，michael.ames，andrew.macdonald}@gm.com 摘要 - 由于汽車中部署的傳感器數量不斷增加，近來人們越來越關注在汽車內部實現無線傳感器網絡。在本文中，我們報告了在各種情況下使用車內ZigBee傳感器節點的數據包傳輸實驗的結果。實驗結果表明，接收信號強度指示器（RSSI）和鏈路質量指示器（LQI）都只能用作基于閾值的指標來評估鏈路質量 - 表明低于某個閾值時鏈路質量較差。初步實驗結果表明，作者基于RSSI / LQI /錯誤模式和自適應策略開發的檢測算法可能會增加鏈路的吞吐性能，同時提高無線電的功耗。 1.引言 無線傳感器網絡已經應用于各種監測應用中，如工業，健康，環境，安全等。最近，車輛應用已經進入應用清單，主要是通過胎壓監測系統。無線傳感器在車輛中的更廣泛使用將由幾個不同因素中的一個或多個導致，包括有線感測的困難和成本降低機會。由于部署更多數量的無線傳感器而引起業界興趣的興起，有必要了解和表征車輛內的無線信道。為此，我們報告使用符合ZigBee的無線傳感器節點的案例研究。 ZigBee是一個行業聯盟，它推動了一系列基于IEEE 802.15.4標準的規則[1]。對于放置在中型轎車中的ZigBee節點，觀察各種情況下的通道行為。據我們所知，本文介紹了在車輛環境中表征ZigBee性能的第一次嘗試。 本文的其余部分安排如下。在第二節中，描述了實驗裝置的細節。實驗的結果和這些結果的討論在第三節中介紹。在第四節中，我們提出了一組檢測算法和一個適應策略，可以根據信道條件來改善無線信道的誤碼性能，并給出初步的評估結果。最后，第五節給出結論性意見。 2.實驗方法 A.傳感器節點硬件 在我們的實驗中，我們使用Crossbow MPR2400 [2]作為我們的傳感器節點硬件平臺。規格如表1所示。 圖1.實驗裝置的框圖 B.實驗設置和傳感器節點固件 圖1顯示了實驗設置。在實驗中，傳感器節點（SN）放置在車輛的不同位置。基站（BS）放置在車輛儀表板內靠近通風口的位置?；具B接到MIB510編程器，并使用RS-232到USB轉換器連接筆記本電腦和MIB510。 傳感器節點周期性地從附著的傳感器中檢索傳感器信息，并將傳感器分組發送（廣播）到基站?；境洚攤鞲衅鞴濣c和膝上型計算機之間的橋接設備，將來自傳感器節點的傳感器分組中繼到膝上型計算機以及從膝上型計算機到傳感器節點的命令分組，以及記錄各種度量，諸如接收信號強度指示符RSSI），鏈路質量指示符（LQI），CRC等，并將它們附加到每個接收到的數據包。筆記本電腦中的數據包記錄器/解析器軟件處理基站發送的數據包，并將它們保存到日志文件中以供進一步分析。筆記本電腦中的命令發送器可用于發出命令來調整傳感器節點的參數，如發送功率，發送速率等。 傳感器節點和基站的固件基于TinyOS 1.1.15 [3]。 TinyOS是一款基于開源組件的操作系統和面向無線傳感器網絡的平臺。我們的實現使用由TinyOS提供的各種API和庫。 表I CROSSBOW MPR2400（MICAZ）規范 Parameter Value/Description Processor ATMega 128L Processor Radio Chip Chipcon CC2420 Radio Operating Frequency 2.4 GHz Effective Data Rate 250 Kb/s Modulation Format Offset Quadrature Phase-Shift keying (OQPSK) 表II車內傳感器節點位置 編碼 No. 位置 B 嵌入儀表板旁邊的通風口 6 在儀表板上，光傳感器旁邊 7 在行李箱的右側，靠近穩定執行器 1 在發動機艙內，靠近保險絲盒 0 在散熱器前面，溫度傳感器和空氣質量傳感器之間 C.傳感器節點位置 實驗中使用的車輛是通用汽車2005凱迪拉克STS。圖2和表II顯示了傳感器節點以及車輛中的基站的位置。 D.實驗場景 我們在表III所示的各種情況下進行了不同的實驗。以下討論這些場景的細節。 1）地點 a）維修車庫這與常規汽車經銷商的維修站類似。技術人員經常走路，其他幾輛車停在附近。車庫里有很多服務設備。 b）公司停車場這是一個普通的公司停車場。測試車輛停放在其中一個停車位，并被其他車輛包圍。有時行人通過測試車輛。 圖2.汽車中的傳感器節點位置。 圓圈中的數字顯示傳感器節點的編號。 說明見表II 表三實驗情景 場景編號. 位置 驅動 引擎 1 維護車庫 目前 ON 2 維護車庫 不在 OFF 3 公司停車場 目前 ON 4 公司停車場 OFF 5 路上 目前 ON c）道路這是駕駛場景。這輛車大部分時間在高速公路上行駛，有時在大型（多車道）地方道路上行駛。 2）駕駛員在“駕駛員現場”場景中，駕駛員坐在車內并頻繁移動，如操作空調，收音機，方向盤等。在“駕駛員不在場”情況下，駕駛員座位是空的。 3）發動機在“發動機啟動”的情況下，發動機啟動并在整個測量過程中保持運行。車內的空調和收音機也開啟了。在“發動機關閉”情況下，發動機關閉（不在配件模式下），鑰匙從車輛上移除。 E.通信參數 ?發射功率：在實驗中，我們將傳感器節點的發射功率設置為5個不同的等級：0，-5，-10，-15和-25 dBm。基站的發射功率固定為0 dBm（基站僅在向傳感器節點發送命令時發射）。 ?數據包發送速率：我們將傳感器節點配置為每隔100 ms發送一個傳感器數據包。該發送速率足以用于車輛中的非安全傳感器。 ?信道選擇：MI-CAz節點的物理層標準遵循IEEE 802.15.4標準[4]。由于802.11b / g設備是2.4 GHz ISM頻段中最常見的設備，可能會產生很多干擾，因此我們選擇一個遠離802.11b / g標準占用帶寬的頻道。 802.11b / g和802.15.4設備使用的帶寬分別為3 MHz和22 MHz。在我們的實驗中，我們將傳感器節點配置為使用26通道（2480 MHz），以避免來自802.11b / g設備的干擾。在這種情況下，最近的802.11b / g信道是信道11（2462 MHz），并且不與我們的802.15.4信道重疊。 ?數據包格式：圖3顯示了實驗中使用的傳感器數據包格式。 MAC協議數據單元（MPDU）的總大小加上幀長度字段是31個字節。請注意，應用程序級別有效內容中的大部分字段都用于記錄實驗的信息。例如，我們使用了12個字節來記錄傳感器信息，以及每個記錄1個字節來記錄固件的傳輸功率和版本號。傳感器數據包的大小可以通過刪除不必要的字段來降低，并導致較低的數據包錯誤率。根據應用的不同，傳感器信息字段的大小也可以減小。 圖3.傳感器數據包格式（每個字段上方的數字表示字節的字節大?。5] 節點傳輸：在進行的實驗中，一次只傳輸一個傳感器節點。我們使用此設置來避免來自其他傳感器節點的干擾，并專注于測量鏈路質量。 MAC相關參數：在實驗中，我們禁用了自動ACK功能以及重傳。傳感器節點使用與載波相似的MAC協議 在802.11b / g中使用SESS Multiple Access（CSMA），在此狀態下，它將等待通道清除（執行清除通道評估），然后開始傳輸。 ?數據收集：對于每個場景/發射功率/傳感器節點，我們配置傳感器節點傳輸6000個傳感器數據包，這需要10分鐘。每個場景完成數據收集過程的總時間大約為200分鐘。 F.可觀察的實體 以下描述由基站記錄的各種可觀察實體。 ?鏈路質量指示器（LQI）LQI由Chip-con CC2420無線電芯片計算，實際上是芯片相關指示器（CCI）。這與芯片錯誤率有關。 LQI的范圍從50到110，并且在起始幀分隔符之后的8位中進行計算。 ?接收信號強度指示器（RSSI）RSSI由Chipcon CC2420無線電芯片測量，表示傳感器節點接收的能量。根據[5]，RSSI的范圍從-100 dBm到0 dBm，最大誤差（精度）是6 dB。 RSSI在8個符號周期內計算。 ?序列號在傳感器數據包中，有一個應用級序列號字段，每當傳感器節點發出一個數據包時它都會增加。這可以被基站用來檢測丟失的分組。 循環冗余校驗（CRC）字段Chipcon CC2420無線芯片具有自動CRC校驗功能，TinyOS在其無線數據包中有一個CRC字段，用于指示收到的數據包是否通過了CRC校驗。 CC2420中使用的CRC方案是CRC-16（ITU-T）。 G.度量的定義 在本小節中，我們定義了稍后使用的度量。 首先我們定義以下變量： ? G 基站接收并通過CRC校驗的數據包數量。 ?LE基站接收到的分組數量以及分組長度或分組類型（由類型字段表示）不正確。 ?CE基站收到的數據包數量，CRC校驗失敗。 ? 一個傳輸的數據包總數 請注意，我們的數據包解析器將首先檢測長度/類型錯誤。如果數據包的長度/類型不正確，它將被放入LE類別。這些數據包的CRC字段可能表明它是錯誤的，但這些不會包含在CE中?，F在我們使用以上變量定義以下與錯誤相關的性能指標： ?數據包接收率（PRR）： ?分組錯誤率（PER）： ?GOODput： H.了解藍牙的影響的實驗 為了研究干擾源的存在如何影響ZigBee傳感器節點的性能，我們使用凱迪拉克的集成藍牙免提和摩托羅拉RAZR V3手機來產生干擾。我們在場景編號為1的情況下進行了實驗，并且沒有藍牙干擾。表3中的3（具有有限的藍牙數據集;每個節點僅使用一個發射功率設置進行發射）。在使用藍牙干擾的實驗中，手機用于撥打電話，并在整個實驗期間通過免提進行藍牙連接。 藍牙協議使用跳頻擴頻（FHSS）機制。它根據主節點指定的跳頻序列每隔0.625毫秒跳到一個可用信道。使用的藍牙標準，美國有79個1MHz寬的信道從2402MHz擴展到2480MHz。因此，最后兩個通道將與我們實驗中使用的802.15.4通道（2479 MHz）重疊，并且會對傳感器節點造成干擾。 圖4.信道對所有傳感器節點的信道損失。 誤差線顯示平均值的一個標準偏差。 3.實驗結果與討論 在本節中，我們將介紹實驗結果并討論這些結果的含義。 A.渠道損失 當信號從發射機天線傳播到接收機天線時所經歷的信號強度的衰減稱為信道損耗，并且通常以分貝（dB）為單位來測量： 請注意，CL包含天線增益。 信道損耗取決于一組復雜的因素，包括發射機 - 接收機對之間的距離以及發射機和接收機之間路徑上的介質類型。我們每個無線傳感器的位置標識了基站節點和相應的無線傳感器節點之間的信道。如圖4所示，在我們的實驗中測量的四個通道中的最佳通道是儀表板上的節點6（在暮光傳感器旁邊）的通道，而最差的通道已經被觀察為到達節點0前的通道散熱器（在空氣質量傳感器和環境溫度傳感器之間）。 由于我們修復了無線傳感器節點的位置，理想情況下，每條信道的信道損耗曲線應該是一條平坦的線路（與發射功率無關）。然而，從我們的結果可以觀察到，對于低發射功率值，尤其是對于到節點0的信道，信道損耗似乎在下降！這樣的結果似乎與直覺相反，然而仔細考慮這些情況表明，如果信道損耗很大并且發射功率電平足夠低，則接收功率電平將低于接收機硬件的大部分接收靈敏度時間并不會被成功接收。沒有這些高信道丟失數據包，平均信道損失高于預期值。從圖4可以看出，數據量不足和統計效應導致信道損耗曲線的一些變化，而不是完美的平坦線。 B.錯誤指標和RSSI配置文件 按照[5]的規定，傳感器節點中無線電芯片的接收靈敏度為-95 dBm（典型值）和-90 dBm（最小值）。如[4]中所定義的，靈敏度對應于最小接收信號強度，超過該最小接收信號強度，分組差錯率超過1％。 為了研究各種誤差度量和RSSI之間的關系，我們計算出如下的圖。一個設置的每個6000分組序列被分成50個連續分組的分段。對于每個分段，錯誤度量都是通過這50個數據包來計算的，用y表示。這50個數據包的RSSI平均值也被計算出來并用μx表示。然后我們用圖上的坐標（μx，y）繪制該點來表示該段，然后用此設置中的所有段和其他設置的所有段重復此過程。圖5（a） - （e）顯示了每種情況下PRR與RSSI的概況。圖6和圖7分別顯示了1-PER和Goodput與RSSI的配置文件。在圖5中，可以觀察到，與規定的接收靈敏度一致，PRR在-91至-94 dBm的范圍內從1下降到0。違反這種一般觀察的異常值是由于外部影響，例如駕駛室內的駕駛員移動，來自其他無線設備的干擾等。例如，802.11b / g接入點部署在場景編號為1的維護車庫中。 1和2，其被配置為在信道11上操作，信道11非常接近無線節點操作的頻帶。由于這種影響，接收靈敏度邊界在圖的右邊經歷輕微的移位，代表不太友好的傳播環境。人們還可以觀察到干線數據表現出更高水平的波動（更多的異常值），這可能是由于乘客沿著位于傳感器之間的直接路徑上的存在和運動引起的豐富的多路徑環境 節點和基站節點。 在圖6中，我們觀察到，在發動機運轉或駕駛員存在的情況下，噪音水平較高，導致PER性能較差。我們還觀察到，與圖5中的結果相比，離群值更少，這可以通過驅動器或發動機噪聲對PER和RSSI之間相關性的相對較低的影響來解釋。在圖7中，人們也可以觀察到，只有當RSSI比接收到的靈敏度邊界大得多時，輸出性能才是好的。 C.錯誤指標和LQI配置文件 在圖8中，我們計算了段中50個數據包的LQI的平均值（μx）和標準差（σx）。然后，我們繪制點（μx - σx，y）和（μx+σx，y），并用一條線連接這兩個點來表示該段，并對所有其他段重復該過程。 圖5. PRR與RSSI配置文件 如圖8所示，可以觀察到這些圖中每個分段（在5秒內接收到的50個分組）的方差太大，因此我們得出結論：基于我們的數據表示的短期平均值[6]。應該指出的是，我們觀察到LQI和Goodput之間的相關性較高。根據這些觀察結果，我們可以制定一個經驗法則，說明Goodput可以用作上限：如果LQI小于某個值; Goodput不能高于某個值。仔細看圖8顯示了這樣一條曲線（黑色虛線）的例子，它可以用作這個邊界函數。 D.藍牙的影響 圖9比較了無藍牙干擾的情況下的實際吞吐量性能。正如預期的那樣，藍牙干擾對所有節點的吞吐量性能有很大影響，并且根據單個節點和接收功率，吞吐量減少3％-40％。人們還可以觀察到，信道質量較差的節點對吞吐量的影響較大。 4.算法與適應策略 在無線傳感器網絡的公開文獻中的現有研究通常集中在如何使用各種可觀察的實體（諸如RSSI）來評估鏈路質量并且基于鏈路質量評估來選擇可用路由或鏈路之一。在我們的實驗中，我們假設星形拓撲用于汽車中的無線傳感器網絡 - 每個節點只有一條可用的到基站的路由/鏈路。因此，傳感器節點不需要選擇更好的路由/鏈路，而是需要提高鏈路的生產性能。 圖6. 1-PER與RSSI輪廓。 圖中的擬合曲線表示具有加性高斯白噪聲（AWGN）的理論1-PER曲線。 曲線擬合是為了獲得與AWGN相關的最佳擬合。 圖7. Goodput與RSSI配置文件 圖8. Goodput與LQI配置文件 A.檢測算法 根據實驗結果，我們確定了3個不同的問題，這將導致鏈路的低吞吐量性能： ?衰落（“長期”問題）：例如，導致信道衰落的乘客 ?干擾（“短期”問題）：例如跳頻干擾 ?接收信號強度低 人們也可以觀察到這3個問題有不同的RSSI / LQI /錯誤模式（見圖10,11和12）： ?衰退 - RSSI / LQI /誤差長時間下降嚴重 - 衰落期間連續低LQI點 ?干擾 -RSSI異常值（主要是更大的RSSI樣本） - 隨機RSSI / LQI /錯誤異常值 ?接收信號強度低 - 低RSSI 圖9.有和無藍牙干擾的正常性能比較 圖10.出現衰落時的RSSI / LQI /錯誤模式 圖11.具有顯著干擾時的RSSI / LQI /錯誤模式 圖13.自適應策略的兩種不同的反應模型 -LQI方差很大 - 均勻分布的錯誤 我們根據RSSI，LQI和錯誤指示器輸入的模式，開發了一套檢測算法來實時識別和檢測這3個問題。實驗數據用于微調算法中的各種參數。由于缺乏空間，本文沒有顯示算法。 B.適應戰略 我們選擇使用基站探測器模型（如圖13中所示，適用于探測器在傳感器節點模型中）。在該模型中，檢測算法在基站側執行。當檢測到3個問題中的任何一個時，基站將向相應的傳感器節點發出命令。根據檢測到的問題，傳感器節點將采取如下所述的操作： ?衰落增加發射功率并觀察額外的功率量是否可以克服由衰落引起的增加的信道損失。 ?干擾使用更強大的傳輸方案（例如重復代碼，重傳等）。 ?接收信號強度低增加發射功率并使RSSI遠離接收靈敏度邊界（-90 dBm） 基站探測器模型具有許多優點。檢測算法不會消耗傳感器節點上的附加計算能力，也不需要額外的控制消息來檢測問題。該檢測比傳感器節點中的檢測器模型更準確，因為它不需要假設對稱的無線信道 ?C.初步結果 我們實現了先前小節中描述的衰落和低功率檢測算法和自適應策略，并使用兩個固定發射功率設置和另一個使用自適應策略進行了實驗。我們只用節點7（干線）進行實驗，因為它是最可能經歷衰落的節點。 表IV顯示了實驗結果。結果表明，使用簡單的策略可能足以提高鏈路質量，同時不會消耗太多的無線電發射功率。 5.總結 在本文中，我們報告使用ZigBee傳感器節點在汽車環境中執行數據包傳輸實驗。結果表明鏈路質量相對于車內節點位置的變化是顯著的。發動機噪音可將PRR / PER / Goodput接收靈敏度閾值提高2至4 dB。藍牙干擾可以將生產性能降低3％至40％。 RSSI和LQI可用于評估鏈路質量時，通過指示低于某個閾值時鏈路質量較差。實現的初步結果表明，我們基于不同的RSSI / LQI /錯誤模式和自適應策略設計的檢測算法可以在優化傳感器節點無線電的發射功率的同時提高鏈路的輸出性能。 參考 [1]“ZigBee規范”，ZigBee聯盟，2004年12月，http://www.zigbee.org。 [2]“MPR / MIB mote硬件用戶手冊”http://www.xbow.com。 [3]“TinyOS”，http：//www.tinyos.net。 [4]“IEEE 802.15，第15.4部分：低速率無線個人區域網絡（LR-WPAN）的無線媒體訪問控制（MAC）和物理層（PHY）規范”，2003年10月。 [5]“Chipcon CC2420（2.4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee就緒射頻收發器）數據表”，http：//www.chipcon.com。