基于WSN的能量高效MAC协议研究

介质访问控制(medium access control,MAC)协议能效性直接影响着无线传感器网络的寿命.在阐述能量消耗分布及造成无效功耗原因的基础上,分析了MAC协议的性能评价指标和分类方法;重点围绕能量高效,比较研究了当前一些重要的MAC协议,结果表明不存在满足所有要求的协议,仅仅是在各性能间优化折中;最后展望了无线传感器网络MAC协议进一步的研究趋势.     

45nm工艺pn混合下拉网络多米诺异或门设计

提出了一种pn混合下拉网络技术,即在多米诺门的下拉网络中混合使用pMOS管和nMOS管来降低电路的功耗并提高电路的性能.首先,应用此技术设计了多米诺异或门,与标准的n型多米诺异或门相比,新型异或门的静态功耗和动态功耗分别减小了 46%和3%.然后,在此技术的基础上,综合应用多电源电压技术和双阈值技术设计了功耗更低的多米诺异或门,与标准的n型多米诺异或门相比,静态功耗和动态功耗分别减小了82%和21%.最后分析并确定了4种多米诺异或门的最小漏电流状态和交流噪声容限.     

45nm工艺pn混合下拉网络多米诺异或门设计

提出了一种pn混合下拉网络技术,即在多米诺门的下拉网络中混合使用pMOS管和nMOS管来降低电路的功耗并提高电路的性能. 首先,应用此技术设计了多米诺异或门,与标准的n型多米诺异或门相比,新型异或门的静态功耗和动态功耗分别减小了46%和3%. 然后,在此技术的基础上,综合应用多电源电压技术和双阈值技术设计了功耗更低的多米诺异或门,与标准的n型多米诺异或门相比,静态功耗和动态功耗分别减小了82%和21%. 最后分析并确定了4种多米诺异或门的最小漏电流状态和交流噪声容限.     

一种热感集成电路功耗模型及其对动态电压调整技术的影响

提出了一种新型热感功耗模型,该模型能够准确估计出电压调整情况下的功耗和温度.实验结果表明如果忽略热效应,泄漏功耗将会被低估最高达52%.使用电压调整技术对电路的能量消耗和温度进行协同优化时,两者具有不一致的优化方向.温度是未来集成电路发展的一个重要限制因素,而温度优化方法可以降低电路温度最高达12℃,同时其能耗的增长低于最优解的1.8%.     

一种新的无线传感器节点的连续参数功耗模型

为了估计传感器节点的能量开销,需要对节点功耗进行合理、准确的建模。然而,现有的节点功耗模型都没有很好地满足准确性这一要求。该文提出了一种新的基于连续参数功耗状态机的节点功耗模型,可用于任意类型传感器节点的功耗建模。该模型能够根据电源电压和工作频率等参数的变化对节点功耗进行更为准确的预测。通过对传感器节点中常用的ATmega128(L)微处理器进行实际建模并与独立的实测结果进行比较,可以发现该模型对活动状态功耗的预测误差小于1%,对空闲状态功耗的预测误差小于9.7%。该模型可用于替换传感器网络仿真工具的现有模型,为传感器节点的能量开销提供更为准确的预测结果。     

基于标志压缩的低功耗指令cache设计

引入了一种基于标志压缩的降低指令cache功耗的方法.对优化后的微处理器功耗分析结果表明,如果对标志压缩缓冲区的大小适当设定,与优化前的情况相比,指令cache的功耗可降低64%.     

VSF:CMOS组合电路的静态功耗评估模型

为了解决利用晶体管级电路模拟分析CMOS电路静态功耗时模拟时间随电路规模增大迅速增加的问题,在分析晶体管堆叠效应对标准单元泄漏电流影响的基础上,定义了归一化堆叠系数和电路等效堆叠系数的概念,提出了基于电路有效堆叠系数的静态功耗评估模型.该模型可用于CMOS组合电路静态功耗估算和优化.实验结果表明使用该模型进行静态功耗估算时,不需要进行Hspice模拟.针对ISCAS85基准电路的静态功耗优化结果表明,利用该模型能够取得令人满意的静态功耗优化效果,优化速度大大提高.     

基于切片分析的CMOS组合电路贝叶斯动态功耗模型

为改善周期精确级功耗分析的准确度和速度问题,使用多维特征参数建立贝叶斯推理的动态功耗模型.基于功耗分布与电路内部节点状态的分析,发现仅使用端口信息作为参数的不足.定义了门单元级数的计算和对应切片的概念,提出使用切片分析的技术提取电路内部关键层的翻转密度作为参数,与端口信息共同参与贝叶斯推理.基于ISCAS85基准电路的实验结果表明,该方法使原始模型的误差降低21.9%,均方差降低25.0%,同时保持了相对现有门级功耗分析700倍的加速比.     

VSF:CMOS组合电路的静态功耗评估模型

为了解决利用晶体管级电路模拟分析CMOS电路静态功耗时模拟时间随电路规模增大迅速增加的问题,在分析晶体管堆叠效应对标准单元泄漏电流影响的基础上,定义了归一化堆叠系数和电路等效堆叠系数的概念,提出了基于电路有效堆叠系数的静态功耗评估模型.该模型可用于CMOS组合电路静态功耗估算和优化.实验结果表明使用该模型进行静态功耗估算时,不需要进行Hspice模拟.针对ISCAS85基准电路的静态功耗优化结果表明,利用该模型能够取得令人满意的静态功耗优化效果,优化速度大大提高.     

低功耗、高性能多米诺电路电荷自补偿技术

提出了一种电荷自补偿技术来降低多米诺电路的功耗,并提高了电路的性能.采用电荷自补偿技术设计了具有不同下拉网络(PDN)和上拉网络(PUN)的多米诺电路,并分别基于65,45和32nm BSIM4 SPICE模型进行了HSPICE仿真.仿真结果表明,电荷自补偿技术在降低电路功耗的同时,提高了电路的性能.与常规多米诺电路技术相比,采用电路自补偿技术的电路的功耗延迟积(PDP)的改进率可达42.37%.此外,以45nm Zipper CMOS全加器为例重点介绍了功耗分布法,从而优化了自补偿路径,达到了功耗最小化的目的.最后,系统分析了补偿通路中晶体管宽长比,电路输入矢量等多方面因素对补偿通路的影响.     

蚁群算法在智能LED路灯控制中的应用研究

为对LED路灯的有效监控,提出基于电力线载波 通信(PLC)技术的LED路灯网络的智能化监控系统。基于蚁群算法(ACA)研发了一种适用于 低压配电网的LED路灯组网寻址算法,并在计算目标函数、更新信 息素的规则、状态转移规则及搜索等各方面进行优化。设计了路灯自动路由模型,同 时给 出自动路由协议框架,可以动态识别低压配电网络的信道质量,对PLC网络路由进行动态维 护,从而保证通信网络的有效性。通过信道 仿真模型和现场试验,验证了本文方法的有效性和可行性。     

基于多信道的自组织网络功率控制方法

为解决自组网中功率控制引发的碰撞问题,通过引入多信道技术,结合网络层最小功率路由策略,实现了基于多信道功率可控的自组织网络架构MCBPC。该架构控制了拓扑结构的频繁变化,降低了因功率控制带来的碰撞机率,并实现了节省能量的目的。通过NS-2仿真实验验证,相比基于802.11的AODV架构,MCBPC在成功递交分组数、网络生存时间上均提高了90%以上,分组成功递交率也提高达30%以上。     

Simulation‐based real‐time routing protocol with load distribution in wireless sensor networks

In wireless sensor networks (WSNs), sensors gather information about the physical world and the base station makes decision and then performs appropriate actions upon the environment. This technology enables a user to effectively sense and monitor from a distance in real‐time. WSNs demand real‐time forwarding which means messages in the network are delivered according to their end‐to‐end deadlines (packet lifetime). This paper proposes a novel real‐time routing protocol with load distribution (RTLD) that ensures high packet throughput with minimized packet overhead and prolongs the lifetime of WSN. The routing depends on optimal forwarding (OF) decision that takes into account of the link quality (LQ), packet delay time and the remaining power of next hop sensor nodes. The proposed mechanism has been successfully studied through simulation work. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

一种基于AODV的链路质量与能效优先的跨层路由协议

针对本振光为高斯分布, 接收信号光经望远镜聚焦后为艾里分布的情况, 首先对高斯和艾里函数用数值计算的方式得到两种光斑最大外差效率: 当艾里斑直径和高斯光束束腰直径之比为1.719时, 最大外差效率为81.45%; 然后介绍了光的标量衍射和Zernike像差理论, 分析了夫琅禾费衍射适用于相干聚焦光场的条件, 计算了平面、高斯、艾里光场和Zernike像差的采样要求, 对存在各种像差的光学系统的外差效率进行了仿真, 分析了倾斜、离焦、像散、慧差、球差等基本像差及组合像差对外差效率的影响, 结果表明: 各种像差对外差效率的影响从低到高分别为像散、倾斜、离焦、慧差和球差; 3dB外差效率损失对应相干系统的指标为跟踪误差优于1μrad(RMS), 组合波像差优于0.1λ。研究结果对相干激光通信系统的链路损耗分配和光机系统的工程设计具有指导意义。     

一种面向功耗免死锁三维全动态3DNoC路由算法

 随着近年来三维片上网络(3D NoC)技术的提出及不断发展,功耗问题已成为3D NoC设计中面临的严峻挑战之一.本文为3D NoC提出一种面向功耗免死锁三维全动态路由算法TFRA (Three-dimensional Full-adaptive Routing Algorithm).其以传统二维NoC奇偶拐弯模型为基础,将三维路由空间划分为8个象限,针对每个象限制定相应的路由策略,从而实现免死锁.采用SystemC系统级建模语言搭建的3D NoC仿真平台进行验证,结果显示TFRA算法在功耗性能指标方面较现有的三维路由算法有大幅提升.     

电力光通信网中风险均衡路由算法研究

在大力发展智能电网的背景下,支撑电网运转的电力光通信网规模日趋庞大,其承载的业务更加多样化。然而电力光通信网的业务路由规划主要以最短路径算法为主,导致电力光通信网存在业务重要度分布不均衡,从而导致网络局部风险过高的问题。针对上述现状,文章采用深度强化学习技术,以网络业务风险均衡为目标,提出了基于强化学习的电力光通信网风险均衡路由算法。该算法考虑业务重要度分布情况、链路容量和链路光信噪比,实现了电力光通信网风险均衡化。文章选取某省电力通信子网验证方案的有效性,研究结果表明,该方法能够有效地降低电力光通信网风险均衡度,为电网的安全运行提供有力保障。     

基于空间位置和场景的Ad Hoc路由协议

在移动Ad Hoc网络中,基于拓扑的路由易发生链路断开,基于地理位置的路由易产生拓扑洞,这都会大大降质路由算法的性能,甚至会出现路由失败的问题.为此文中提出了基于空间位置和场景的Ad Hoc路由协议.该协议算法采用构建空间模型,将场景知识引入路由过程的方法,通过在路由前规避拓扑洞来改善和提高路由性能.仿真结果表明在网络连通度适当的条件下,新的路由协议算法可行和有效的.     

基于LEACH路由协议的混合光无线传感网络研究

分析了基于低功耗自适应分簇(LEACH)路由协议的无线传感网络(WSN)在不同拓扑形状下的生命周期,并改进了长方形拓扑形状的路由协议。进而针对WSN在某些场合能量有限、易受干扰和安全性差等缺点,在长方形区域中引入分布式光纤传感结构。将传感光纤铺设在环境复杂和外界电磁波干扰大的监测区域,从而提高整个传感网络的生命周期和可靠性。理论分析和仿真结果表明,改进的拓扑和协议在提高可靠性的同时,有效地延长了光WSN的生存时间,性能优于传统LEACH协议。     

Localized power‐aware alternate routing for wireless ad hoc networks

In this paper, we design a localized power‐aware alternate routing (LPAR) protocol for dynamic wireless ad hoc networks. The design objective is to prolong the lifetime of wireless ad hoc networks wherein nodes can adaptively adjust their transmission power based on communication ranges. LPAR achieves this goal via two phases. In the first phase, energy draining balancing is achieved by identifying end‐to‐end paths with high residual energy. The second phase is designed to effectively reduce the power consumed for packet forwarding. This is achieved by iteratively performing adaptive localized power‐aware alternate rerouting to bypass each (potentially) high‐power link along the end‐to‐end path identified in the first phase. Further, the design of LPAR enables nodes to collect their neighborhood information ‘on‐demand’, which can effectively reduce the overhead for gathering such information. LPAR is suitable for both homogeneous and non‐homogeneous networks. Simulation results demonstrate that LPAR achieves improved performance in reducing protocol overhead and also in prolonging network lifetime as compared with existing work. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

Deploying power‐aware on‐demand (PAOD) schemes over routing protocols of mobile wireless ad hoc networks

A mobile ad hoc network (MANET) is an autonomous collection of mobile nodes that communicate over relatively bandwidth‐constrained wireless links. MANETs need efficient algorithms to determine network connectivity, link scheduling, and routing. An important issue in network routing for MANETs is to conserve power while still achieve a high packet success rate. Traditional MANET routing protocols do not count for such concern. They all assume working with unlimited power reservoirs. Several ideas have been proposed for adding power‐awareness capabilities to ad hoc networks. Most of these proposals tackle the issue by either proposing new power‐aware routing protocols or modifying existing routing protocols through the deployment of power information as cost functions. None of them deal with counter‐measures that ought to be taken when nodes suffer from low power reserves and are subject to shut down in mid of normal network operations. In this paper, power‐awareness is added to a well‐known traditional routing protocol, the ad hoc on‐demand distance vector (AODV) routing protocol. The original algorithm is modified to deal with situations in which nodes experience low power reserves. Two schemes are proposed and compared with the original protocol using different performance metrics such as average end‐to‐end delays, transmission success rates, and throughputs. These schemes provide capabilities for AODV to deal with situations in which operating nodes have almost consumed their power reserves. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.