外文文献翻译-基于ZigBee的车内无线传感器网络【中文6400字】 【PDF+中文WORD】

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Tonguz1 1美国.宾夕法尼亚州匹兹堡15213-3890，卡内基梅隆大学，ECE部， 2美国密西根州沃伦通用汽车公司，ECI研究与开发实验室，48092-2031 电子邮件：{hsinmut，tonguz}@ece.cmu.edu，{cem.saraydar，timothy.talty，michael.ames，andrew.macdonald}@gm.com 摘要 - 由于汽车中部署的传感器数量不断增加，近来人们越来越关注在汽车内部实现无线传感器网络。在本文中，我们报告了在各种情况下使用车内ZigBee传感器节点的数据包传输实验的结果。实验结果表明，接收信号强度指示器（RSSI）和链路质量指示器（LQI）都只能用作基于阈值的指标来评估链路质量 - 表明低于某个阈值时链路质量较差。初步实验结果表明，作者基于RSSI / LQI /错误模式和自适应策略开发的检测算法可能会增加链路的吞吐性能，同时提高无线电的功耗。 1.引言 无线传感器网络已经应用于各种监测应用中，如工业，健康，环境，安全等。最近，车辆应用已经进入应用清单，主要是通过胎压监测系统。无线传感器在车辆中的更广泛使用将由几个不同因素中的一个或多个导致，包括有线感测的困难和成本降低机会。由于部署更多数量的无线传感器而引起业界兴趣的兴起，有必要了解和表征车辆内的无线信道。为此，我们报告使用符合ZigBee的无线传感器节点的案例研究。 ZigBee是一个行业联盟，它推动了一系列基于IEEE 802.15.4标准的规则[1]。对于放置在中型轿车中的ZigBee节点，观察各种情况下的通道行为。据我们所知，本文介绍了在车辆环境中表征ZigBee性能的第一次尝试。 本文的其余部分安排如下。在第二节中，描述了实验装置的细节。实验的结果和这些结果的讨论在第三节中介绍。在第四节中，我们提出了一组检测算法和一个适应策略，可以根据信道条件来改善无线信道的误码性能，并给出初步的评估结果。最后，第五节给出结论性意见。 2.实验方法 A.传感器节点硬件 在我们的实验中，我们使用Crossbow MPR2400 [2]作为我们的传感器节点硬件平台。规格如表1所示。 图1.实验装置的框图 B.实验设置和传感器节点固件 图1显示了实验设置。在实验中，传感器节点（SN）放置在车辆的不同位置。基站（BS）放置在车辆仪表板内靠近通风口的位置。基站连接到MIB510编程器，并使用RS-232到USB转换器连接笔记本电脑和MIB510。 传感器节点周期性地从附着的传感器中检索传感器信息，并将传感器分组发送（广播）到基站。基站充当传感器节点和膝上型计算机之间的桥接设备，将来自传感器节点的传感器分组中继到膝上型计算机以及从膝上型计算机到传感器节点的命令分组，以及记录各种度量，诸如接收信号强度指示符RSSI），链路质量指示符（LQI），CRC等，并将它们附加到每个接收到的数据包。笔记本电脑中的数据包记录器/解析器软件处理基站发送的数据包，并将它们保存到日志文件中以供进一步分析。笔记本电脑中的命令发送器可用于发出命令来调整传感器节点的参数，如发送功率，发送速率等。 传感器节点和基站的固件基于TinyOS 1.1.15 [3]。 TinyOS是一款基于开源组件的操作系统和面向无线传感器网络的平台。我们的实现使用由TinyOS提供的各种API和库。 表I CROSSBOW MPR2400（MICAZ）规范 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车内传感器节点位置 编码 No. 位置 B 嵌入仪表板旁边的通风口 6 在仪表板上，光传感器旁边 7 在行李箱的右侧，靠近稳定执行器 1 在发动机舱内，靠近保险丝盒 0 在散热器前面，温度传感器和空气质量传感器之间 C.传感器节点位置 实验中使用的车辆是通用汽车2005凯迪拉克STS。图2和表II显示了传感器节点以及车辆中的基站的位置。 D.实验场景 我们在表III所示的各种情况下进行了不同的实验。以下讨论这些场景的细节。 1）地点 a）维修车库这与常规汽车经销商的维修站类似。技术人员经常走路，其他几辆车停在附近。车库里有很多服务设备。 b）公司停车场这是一个普通的公司停车场。测试车辆停放在其中一个停车位，并被其他车辆包围。有时行人通过测试车辆。 图2.汽车中的传感器节点位置。 圆圈中的数字显示传感器节点的编号。 说明见表II 表三实验情景 场景编号. 位置 驱动 引擎 1 维护车库 目前 ON 2 维护车库 不在 OFF 3 公司停车场 目前 ON 4 公司停车场 OFF 5 路上 目前 ON c）道路这是驾驶场景。这辆车大部分时间在高速公路上行驶，有时在大型（多车道）地方道路上行驶。 2）驾驶员在“驾驶员现场”场景中，驾驶员坐在车内并频繁移动，如操作空调，收音机，方向盘等。在“驾驶员不在场”情况下，驾驶员座位是空的。 3）发动机在“发动机启动”的情况下，发动机启动并在整个测量过程中保持运行。车内的空调和收音机也开启了。在“发动机关闭”情况下，发动机关闭（不在配件模式下），钥匙从车辆上移除。 E.通信参数 •发射功率：在实验中，我们将传感器节点的发射功率设置为5个不同的等级：0，-5，-10，-15和-25 dBm。基站的发射功率固定为0 dBm（基站仅在向传感器节点发送命令时发射）。 •数据包发送速率：我们将传感器节点配置为每隔100 ms发送一个传感器数据包。该发送速率足以用于车辆中的非安全传感器。 •信道选择：MI-CAz节点的物理层标准遵循IEEE 802.15.4标准[4]。由于802.11b / g设备是2.4 GHz ISM频段中最常见的设备，可能会产生很多干扰，因此我们选择一个远离802.11b / g标准占用带宽的频道。 802.11b / g和802.15.4设备使用的带宽分别为3 MHz和22 MHz。在我们的实验中，我们将传感器节点配置为使用26通道（2480 MHz），以避免来自802.11b / g设备的干扰。在这种情况下，最近的802.11b / g信道是信道11（2462 MHz），并且不与我们的802.15.4信道重叠。 •数据包格式：图3显示了实验中使用的传感器数据包格式。 MAC协议数据单元（MPDU）的总大小加上帧长度字段是31个字节。请注意，应用程序级别有效内容中的大部分字段都用于记录实验的信息。例如，我们使用了12个字节来记录传感器信息，以及每个记录1个字节来记录固件的传输功率和版本号。传感器数据包的大小可以通过删除不必要的字段来降低，并导致较低的数据包错误率。根据应用的不同，传感器信息字段的大小也可以减小。 图3.传感器数据包格式（每个字段上方的数字表示字节的字节大小）[5] 节点传输：在进行的实验中，一次只传输一个传感器节点。我们使用此设置来避免来自其他传感器节点的干扰，并专注于测量链路质量。 MAC相关参数：在实验中，我们禁用了自动ACK功能以及重传。传感器节点使用与载波相似的MAC协议 在802.11b / g中使用SESS Multiple Access（CSMA），在此状态下，它将等待通道清除（执行清除通道评估），然后开始传输。 •数据收集：对于每个场景/发射功率/传感器节点，我们配置传感器节点传输6000个传感器数据包，这需要10分钟。每个场景完成数据收集过程的总时间大约为200分钟。 F.可观察的实体 以下描述由基站记录的各种可观察实体。 •链路质量指示器（LQI）LQI由Chip-con CC2420无线电芯片计算，实际上是芯片相关指示器（CCI）。这与芯片错误率有关。 LQI的范围从50到110，并且在起始帧分隔符之后的8位中进行计算。 •接收信号强度指示器（RSSI）RSSI由Chipcon CC2420无线电芯片测量，表示传感器节点接收的能量。根据[5]，RSSI的范围从-100 dBm到0 dBm，最大误差（精度）是6 dB。 RSSI在8个符号周期内计算。 •序列号在传感器数据包中，有一个应用级序列号字段，每当传感器节点发出一个数据包时它都会增加。这可以被基站用来检测丢失的分组。 循环冗余校验（CRC）字段Chipcon CC2420无线芯片具有自动CRC校验功能，TinyOS在其无线数据包中有一个CRC字段，用于指示收到的数据包是否通过了CRC校验。 CC2420中使用的CRC方案是CRC-16（ITU-T）。 G.度量的定义 在本小节中，我们定义了稍后使用的度量。 首先我们定义以下变量： • G 基站接收并通过CRC校验的数据包数量。 •LE基站接收到的分组数量以及分组长度或分组类型（由类型字段表示）不正确。 •CE基站收到的数据包数量，CRC校验失败。 • 一个传输的数据包总数 请注意，我们的数据包解析器将首先检测长度/类型错误。如果数据包的长度/类型不正确，它将被放入LE类别。这些数据包的CRC字段可能表明它是错误的，但这些不会包含在CE中。现在我们使用以上变量定义以下与错误相关的性能指标： •数据包接收率（PRR）： •分组错误率（PER）： •GOODput： H.了解蓝牙的影响的实验 为了研究干扰源的存在如何影响ZigBee传感器节点的性能，我们使用凯迪拉克的集成蓝牙免提和摩托罗拉RAZR V3手机来产生干扰。我们在场景编号为1的情况下进行了实验，并且没有蓝牙干扰。表3中的3（具有有限的蓝牙数据集;每个节点仅使用一个发射功率设置进行发射）。在使用蓝牙干扰的实验中，手机用于拨打电话，并在整个实验期间通过免提进行蓝牙连接。 蓝牙协议使用跳频扩频（FHSS）机制。它根据主节点指定的跳频序列每隔0.625毫秒跳到一个可用信道。使用的蓝牙标准，美国有79个1MHz宽的信道从2402MHz扩展到2480MHz。因此，最后两个通道将与我们实验中使用的802.15.4通道（2479 MHz）重叠，并且会对传感器节点造成干扰。 图4.信道对所有传感器节点的信道损失。 误差线显示平均值的一个标准偏差。 3.实验结果与讨论 在本节中，我们将介绍实验结果并讨论这些结果的含义。 A.渠道损失 当信号从发射机天线传播到接收机天线时所经历的信号强度的衰减称为信道损耗，并且通常以分贝（dB）为单位来测量： 请注意，CL包含天线增益。 信道损耗取决于一组复杂的因素，包括发射机 - 接收机对之间的距离以及发射机和接收机之间路径上的介质类型。我们每个无线传感器的位置标识了基站节点和相应的无线传感器节点之间的信道。如图4所示，在我们的实验中测量的四个通道中的最佳通道是仪表板上的节点6（在暮光传感器旁边）的通道，而最差的通道已经被观察为到达节点0前的通道散热器（在空气质量传感器和环境温度传感器之间）。 由于我们修复了无线传感器节点的位置，理想情况下，每条信道的信道损耗曲线应该是一条平坦的线路（与发射功率无关）。然而，从我们的结果可以观察到，对于低发射功率值，尤其是对于到节点0的信道，信道损耗似乎在下降！这样的结果似乎与直觉相反，然而仔细考虑这些情况表明，如果信道损耗很大并且发射功率电平足够低，则接收功率电平将低于接收机硬件的大部分接收灵敏度时间并不会被成功接收。没有这些高信道丢失数据包，平均信道损失高于预期值。从图4可以看出，数据量不足和统计效应导致信道损耗曲线的一些变化，而不是完美的平坦线。 B.错误指标和RSSI配置文件 按照[5]的规定，传感器节点中无线电芯片的接收灵敏度为-95 dBm（典型值）和-90 dBm（最小值）。如[4]中所定义的，灵敏度对应于最小接收信号强度，超过该最小接收信号强度，分组差错率超过1％。 为了研究各种误差度量和RSSI之间的关系，我们计算出如下的图。一个设置的每个6000分组序列被分成50个连续分组的分段。对于每个分段，错误度量都是通过这50个数据包来计算的，用y表示。这50个数据包的RSSI平均值也被计算出来并用μx表示。然后我们用图上的坐标（μx，y）绘制该点来表示该段，然后用此设置中的所有段和其他设置的所有段重复此过程。图5（a） - （e）显示了每种情况下PRR与RSSI的概况。图6和图7分别显示了1-PER和Goodput与RSSI的配置文件。在图5中，可以观察到，与规定的接收灵敏度一致，PRR在-91至-94 dBm的范围内从1下降到0。违反这种一般观察的异常值是由于外部影响，例如驾驶室内的驾驶员移动，来自其他无线设备的干扰等。例如，802.11b / g接入点部署在场景编号为1的维护车库中。 1和2，其被配置为在信道11上操作，信道11非常接近无线节点操作的频带。由于这种影响，接收灵敏度边界在图的右边经历轻微的移位，代表不太友好的传播环境。人们还可以观察到干线数据表现出更高水平的波动（更多的异常值），这可能是由于乘客沿着位于传感器之间的直接路径上的存在和运动引起的丰富的多路径环境 节点和基站节点。 在图6中，我们观察到，在发动机运转或驾驶员存在的情况下，噪音水平较高，导致PER性能较差。我们还观察到，与图5中的结果相比，离群值更少，这可以通过驱动器或发动机噪声对PER和RSSI之间相关性的相对较低的影响来解释。在图7中，人们也可以观察到，只有当RSSI比接收到的灵敏度边界大得多时，输出性能才是好的。 C.错误指标和LQI配置文件 在图8中，我们计算了段中50个数据包的LQI的平均值（μx）和标准差（σx）。然后，我们绘制点（μx - σx，y）和（μx+σx，y），并用一条线连接这两个点来表示该段，并对所有其他段重复该过程。 图5. PRR与RSSI配置文件 如图8所示，可以观察到这些图中每个分段（在5秒内接收到的50个分组）的方差太大，因此我们得出结论：基于我们的数据表示的短期平均值[6]。应该指出的是，我们观察到LQI和Goodput之间的相关性较高。根据这些观察结果，我们可以制定一个经验法则，说明Goodput可以用作上限：如果LQI小于某个值; Goodput不能高于某个值。仔细看图8显示了这样一条曲线（黑色虚线）的例子，它可以用作这个边界函数。 D.蓝牙的影响 图9比较了无蓝牙干扰的情况下的实际吞吐量性能。正如预期的那样，蓝牙干扰对所有节点的吞吐量性能有很大影响，并且根据单个节点和接收功率，吞吐量减少3％-40％。人们还可以观察到，信道质量较差的节点对吞吐量的影响较大。 4.算法与适应策略 在无线传感器网络的公开文献中的现有研究通常集中在如何使用各种可观察的实体（诸如RSSI）来评估链路质量并且基于链路质量评估来选择可用路由或链路之一。在我们的实验中，我们假设星形拓扑用于汽车中的无线传感器网络 - 每个节点只有一条可用的到基站的路由/链路。因此，传感器节点不需要选择更好的路由/链路，而是需要提高链路的生产性能。 图6. 1-PER与RSSI轮廓。 图中的拟合曲线表示具有加性高斯白噪声（AWGN）的理论1-PER曲线。 曲线拟合是为了获得与AWGN相关的最佳拟合。 图7. Goodput与RSSI配置文件 图8. Goodput与LQI配置文件 A.检测算法 根据实验结果，我们确定了3个不同的问题，这将导致链路的低吞吐量性能： •衰落（“长期”问题）：例如，导致信道衰落的乘客 •干扰（“短期”问题）：例如跳频干扰 •接收信号强度低 人们也可以观察到这3个问题有不同的RSSI / LQI /错误模式（见图10,11和12）： •衰退 - RSSI / LQI /误差长时间下降严重 - 衰落期间连续低LQI点 •干扰 -RSSI异常值（主要是更大的RSSI样本） - 随机RSSI / LQI /错误异常值 •接收信号强度低 - 低RSSI 图9.有和无蓝牙干扰的正常性能比较 图10.出现衰落时的RSSI / LQI /错误模式 图11.具有显着干扰时的RSSI / LQI /错误模式 图13.自适应策略的两种不同的反应模型 -LQI方差很大 - 均匀分布的错误 我们根据RSSI，LQI和错误指示器输入的模式，开发了一套检测算法来实时识别和检测这3个问题。实验数据用于微调算法中的各种参数。由于缺乏空间，本文没有显示算法。 B.适应战略 我们选择使用基站探测器模型（如图13中所示，适用于探测器在传感器节点模型中）。在该模型中，检测算法在基站侧执行。当检测到3个问题中的任何一个时，基站将向相应的传感器节点发出命令。根据检测到的问题，传感器节点将采取如下所述的操作： •衰落增加发射功率并观察额外的功率量是否可以克服由衰落引起的增加的信道损失。 •干扰使用更强大的传输方案（例如重复代码，重传等）。 •接收信号强度低增加发射功率并使RSSI远离接收灵敏度边界（-90 dBm） 基站探测器模型具有许多优点。检测算法不会消耗传感器节点上的附加计算能力，也不需要额外的控制消息来检测问题。该检测比传感器节点中的检测器模型更准确，因为它不需要假设对称的无线信道  C.初步结果 我们实现了先前小节中描述的衰落和低功率检测算法和自适应策略，并使用两个固定发射功率设置和另一个使用自适应策略进行了实验。我们只用节点7（干线）进行实验，因为它是最可能经历衰落的节点。 表IV显示了实验结果。结果表明，使用简单的策略可能足以提高链路质量，同时不会消耗太多的无线电发射功率。 5.总结 在本文中，我们报告使用ZigBee传感器节点在汽车环境中执行数据包传输实验。结果表明链路质量相对于车内节点位置的变化是显着的。发动机噪音可将PRR / PER / Goodput接收灵敏度阈值提高2至4 dB。蓝牙干扰可以将生产性能降低3％至40％。 RSSI和LQI可用于评估链路质量时，通过指示低于某个阈值时链路质量较差。实现的初步结果表明，我们基于不同的RSSI / LQI /错误模式和自适应策略设计的检测算法可以在优化传感器节点无线电的发射功率的同时提高链路的输出性能。 参考 [1]“ZigBee规范”，ZigBee联盟，2004年12月，http://www.zigbee.org。 [2]“MPR / MIB mote硬件用户手册”http://www.xbow.com。 [3]“TinyOS”，http：//www.tinyos.net。 [4]“IEEE 802.15，第15.4部分：低速率无线个人区域网络（LR-WPAN）的无线媒体访问控制（MAC）和物理层（PHY）规范”，2003年10月。 [5]“Chipcon CC2420（2.4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee就绪射频收发器）数据表”，http：//www.chipcon.com。