翻译_混合Zigbee和RFID网络节能和寿命最大化

1、ZigBee-RFID混合网络的节电与寿命的最大化P. Medagliani , G. Ferrari M. 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 Pride s.p.a., I-20151 米兰, 意大利 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

2、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

3、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。一项ZigBee无线传感器网络（WSNs)实验性分析，考虑到最重要的系统参数（比如接收到的型号强度

4、指示RSSI，吞吐量，网络传输速率和延时），被发表在【14，17，11】。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。在【5】，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。而在【22】，提出了一种关闭无线传感器的射频接口机制，用以减少电力消耗。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【12，19，25，26】。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RF

5、ID设备和WSNs【20】。在【27，24】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。下面论述文章结构。在第二章中，会简短介绍一下ZigBee标准，而在第三章中，我们描述了RFID技术。在4.1节中，我们基于我们的模型提出了

6、选择性的唤醒概念。在4.2节，提出了ZigBee和RFID一体化网络Opnet仿真结构。在4.3节，考虑了深度算法的实现，而在4.4节提出了虚拟空间网格的概念。在第五章，分析了ZigBee-RFID混合网络的性能。最后在第六章载有总结。2.ZigBee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

7、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2.4 GHz频段（类似于IEEE 802.11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

8、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

9、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）。3.RFID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

10、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

11、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/IEC 18000-6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

12、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Aloha MAC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

13、，直到所有标签不再响应询问信号。4.ZigBee-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

14、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，如图37.2。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

15、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。图37.2 网络在N=14 的情况，N-Nmin=5已经被深度睡眠算法关闭4.2 OPNET的仿真结构我们的ZigBee-RFID混合模型是基于IEEE 802.15.4 Opnet模型和RFID Opnet模型。Opnet模型是葡萄牙波尔图大学（University of Porto）研发的，RFID Opnet模型是意大利帕尔玛大学（University of Parma）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，Opne

16、t-RFID模型实现了ISO/IEC 18000-6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Opnet ZigBee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 / IEC 18000-6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。在图37.3a是集成的ZigBee-RFID网络的逻辑图解。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IEEE 802.15.4（

17、逻辑）网络传输的，其网络依次被RFID网络控制。在图37.3b，相反地，我们展示了我们网络中集成的设备：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ZigBee RFD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。图37.3集成网络逻辑图解（a）结合在一起的ZigBee和RFID网络（b）获得集成的节点和AP的ZigBee和RFID设备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

18、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。由于深度睡眠算法是由ZigBee网络的协调器管理的，活动的RFD将其剩余能量信息嵌入数据包，发送给协调器。通过这种方式，协调器不断了解每一个活动的RFD的剩余能量。另一方面，由于一个处于睡眠状态的RFD不需要传输任何数据包，协调器也能使用一种估算算法去预计一个处于睡眠状态的RFD的能量消耗。4.4虚拟空间

19、网格的深度睡眠算法当深度睡眠算法考虑到全局的观测站空间密度（考虑节点的全部数目覆盖全部网络表面），在几个应用中，它可能是有趣的监视同样的网络表面，比如去保证横跨平面本地观测站空间密度基本恒定。为了做到这样，我们遵循一个基于在网络中使用虚拟空间网格的方法。5.性能分析仿真得出结论，当网络节点N=40时，在所有的情况，RFD直接发送数据包到集成AP，比如，所有网络实现有一个星形结构。数据包来临时间Tint为固定为0.25秒或服从泊松分布，平均值为0.25秒。考虑的数据包长度L=200bit/pck.我们假设当所有的RFD能量水平为初始值的80%时网络无法工作。每一个性能模拟结果是结果的平均值，包括

20、六个网络拓扑实现（依照2D泊松分布）。6.结论我们已经设计了一种集成的ZigBee和RFID网络方案用以实现高能效网络，其允许选择性地打开和关闭网络节点。因此，我们设计了深度睡眠算法用来按照节点的剩余能量选择激活节点，从而平衡网络中节点的能量消耗。最后，我们引入了一个过程，选择激活哪个集成节点，不仅通过它们剩余的能量而且通过他们的空间位置。这个选择是基于在网络平面上的虚拟空间网格的介绍和深度睡眠算法的实际运用。在没有配置虚拟网格的情况，我们已经通过Opnet仿真器评估了平均剩余能量性能，作为Nmin 、Es的功能。强调ZigBee-RFID混合网络能量节省保证。在配置了虚拟空间网格的情况下，相

21、反地，我们分析了传感器网络区域有效地监控和能量消耗。在这种情况下，虚拟空间网格不仅提供了相同的覆盖范围，并且可以延长网络的使用寿命。这个解决办法，应该被用于本地观测站空间密度是相关的。其可以建立相当高能效无线传感网络。这个网络基于具有寻址能力的全被动器件。引用：1. R. Abileah and D. Lewis. Monitoring high-seas fisheries with long-range passive acoustic sensors. In Proceedings of International Conference on OCEANS96: Prospects fo

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