מבוא

רשתות חיישן אלחוטיות (WSN) מקיפים מערכות ניטור מודרניות למעקב סביבתי, אוטומציה תעשייתית, בריאות ותשתיות עיר חכמות.רשתות אלה מורכבות מאבני חיישן בעלות עוצמה נמוכה רבות אשר אוספים נתונים פיזיים או סביבתיים ומתקשרות אלחוטית אל שער מרכזי.בהתחשב במגבלות האנרגיה וביכולות חישוביות מוגבלות של פתרונות חיישן חיישן חיישן, בחירת נתונים יעילים וטכניקת שידור היא קריטית.

תוצאות חיפוש עבור Delta Modulation

Delta Modulation היא טכניקת המרה אנלוגית-דיגיטלית המעבירה רק את ההבדל בין דגימות רצופות, ולא לנסח את ערך הדגימה כולו.המודולטור משווה את הקלט האנלוגי הנוכחי עם ערך צפוי שנוצר על ידי אינגרה.ההבדל (delta) הוא קוונטי לתוך מעט בודד המציין אם הדגימה הנוכחית גבוהה יותר או נמוך יותר מהחיזוי בינארי זה מועבר ומשמש במקלט זהה דרך אות זהה.

היתרונות העיקריים של DM כוללים:

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : 1 (ב) המעגל דורש קופרטור, אינגרה, ו- 1-bit קוונטי, מה שהופך אותו קל ליישום במעגלים משולבים.
  • (ב) ,0 (Low Power:FLT:1 , כי רק מעט אחד מועבר לדגימה, צריכת החשמל של המשדר מופחתת בהשוואה לתכניות מרובות סיביות.
  • (ב) [15], ⁇ (ב) ,הסימן 1 (החיוב) הוא פחות רגיש לרעש מפוסל כפי שהמידע מתבצע על ידי מעברים ולא על רמות מתח מדויקות.

עם זאת, הפשטות של DM מגיעה עלות שתי מגבלות טבועות:0.10.10.1 (הדברים בתקופות של אותות קבועים או לאט משתנים) ו-FLT:2slope overloadFLT 3: 3 (הסתירה כאשר האות משתנה מהר יותר מאשר המדרונות המקסימלית של התפוקה המשולבת).

אתגרים של החלפת דלתא משתנה ב WSNs

המונחים: Slope Overload

האתגר המשמעותי ביותר ביישום DM ל- WSN הוא ה- Trading-off בין רעש גרניט לבין עומס מדרדרונות. a brief size Structure system Designer to choose between low granular noise (גודל של צעד קטן, אך מעקב גרוע של שינויים מהירים) וגילוי נמוך במידה מספקת (גודל של עומס גדול, אך רעש גרניטארי מוגבר) משפיע ישירות על נאמנות נתונים בטמפרטורה, מעקב אחר אותות לא ניתן לטשטשים (במקרה של ירי פתאומי).

(FLT:0)Impact on Data Integrity:BuildFLT:1) קוראי חיישן Distorted יכולים להוביל לאזעקות שווא, אירועים מפספסים או פעולות בקרה שגויות.עבור יישומים כגון ניטור בריאות מבני או איסוף נתונים רפואי, דיוק הוא לא ראוי להשגה, ואת הרעש הטבוע של DM קבוע יכול להיות פורץ דרך.

אנרגיה ורשת חיים

למרות DM מפחית את הכוח לדגימה על ידי העברת קצת, אופי השידור המתמשך של מערכת DM בסיסית יכול לנקז סוללות במהירות. חיישנים לבלות חלק גדול של האנרגיה שלהם על תקשורת רדיו, ואפילו תוכנית חד פעמי יכול להיות יקר אם קצב הדגימה הוא גבוה.בנוסף, המקלט חייב להפעיל את המעגל integrator, אשר מוסיף את התקציב אנרגיה.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

  • (FLT:0) Transmission:FLT:1 Standard DM דורש זרם קבוע, למנוע את החיישן להיכנס למצבי שינה נמוכים.
  • (ב) ויקרא: "הבקשה" (ב) היא חובה לפעול ללכידת כל חלק, מה שמוביל למשיכה מיותרת של כוח כאשר אין מידע מועיל מועבר.
  • (FLT:0) קבלת פני מעל ראש: FLT:1 למרות שהמודולציה עצמה פשוטה, שחזור נתונים למטה תיקון שגיאות עשוי לדרוש חישוב נוסף, צריכת אנרגיה נוספת.

Bandwidth ו Scalability

בפריסה צפופה WSN עם הרבה צמתים הטוענים עבור המדיום האלחוטי המשותף, שיעור ה bit המיוצר על ידי כל משדר DM חייב להיות מנוהל בקפידה. aone node באמצעות קצב דגימה גבוה יכול בקלות ליישב את הערוץ, המוביל להתנגשויות, רנסנסטורים, ולהגדיל את הליטנטיות הקבועה של DM (מעט לדגימה אחת) הופך פחות גמיש מאשר את מספר המודולציה על בסיס של דגימות.

(FLT:0) קולוסליון ואינטרference: ערוצים אלחוטיים 1FLT:1 אינם אמינים מטבעם, וחוסר תיקון שגיאות טבועה של DM פירושו שמעט מושחת יחיד יכול לגרום להפרדה זמנית בין האות המשוודר והבנייה.

שינוי סביבתי

WSNs לעתים קרובות לפעול בסביבות עם טמפרטורות משתנות, לחות, רטטים מכניים והתערבות אלקטרומגנטית. גורמים אלה יכולים להשפיע על הקדמת אנלוגי של המנטרן DM, גרימת סחף ב integrator או comparator סף טמפרטורה שינויים, בפרט, יכול לשנות את גודל הצעד או את תחילתו של integrator, המוביל שגיאות שיטתיות בסימן המשוחזר.

פתרונות כדי להתגבר על האתגרים

החלפת דלתא (ADM)

שינוי דלתא הסתגלות מתייחס לעומס המדרונות ודילמה רעש גרניט על ידי התאמה דינמית בגודל הצעד בתגובה לשיעור השינוי של אות קלט.

  • (FLT:0)Constant Factor Fitive DM (CFADM): גודל שלב 1:1 מוכפל על ידי גורם קבוע כאשר ביטים רצופים הם אותו (למציין מדרדרול תלולים) ומתפצלים כאשר הם משתנים (מציינים אזור שטוח).
  • (FLT:0)Variable Slope DM:FreaLT:1 גודל הצעד הוא אלגוריתמים אשר מעריכים את נגזרת האות, כגון המדרקון המשתנה ברציפות דלה (CVSD) משמש בדרך כלל בתקשורת קולית.
  • (FLT:0)Hybrid DM:FLT:1 משלב מספר כללי הסתגלות כדי לאזן רעש גרנורי ומדרונות עומס על פני נתונים סטטיסטיים שונים של אותות.

(FLT:0)הפעלתו של WSNs:BuildFLT:1) ADM ניתן ליישם בתחום הדיגיטלי באמצעות מיקרובקר, הדורש רק כמה שורות נוספות של קוד.הראש של עדכונים בגודל של שלב הוא רשלני בהשוואה לעוצמה שנשמרה באמצעות שגיאות קוונטיות מופחתות.

פרוטוקולים אנרגיה-אנרגיה וחובה אופניים

כדי להתמודד עם צריכת אנרגיה, צניפים חיישן יכולים לשלב DM לתוך מסגרת ניהול אנרגיה רחבה יותר:

  • (FLT:0) שיעור ה-Sampling: במקום לשדר בקצב קבוע, הצומת מקטין את תדירות הדגימה כאשר האות יציב ומגביר אותו רק כאשר שינויים משמעותיים הם מזוהה.זה יכול להיות מושג על ידי ניטור ערך דלה: אם דואטס רצופים הם אפס או קטן לתקופה, הצומת נכנס למצב של עצלות נמוכה ומשנה רק לעתים קרובות "לא" שינוי.
  • (FLT:0) Transmission with Sleep Modes: ⁇ 1) השתמש ב- buffer כדי לאסוף מספר פיסות DM ולהעביר אותם בחבילה פרץ. בין התפרצויות, הרדיו כבוי.טכניקה זו מקטין את ראש הטרמפ של preamble ו סינכרון עבור כל חלק, מורידה את סך הכל על זמן אווירי.
  • (FLT:0) , אפילו-Driven Transmission:FreaLT:1) החיישן רק משדר כאשר דלה המצטברת עולה על סף.זה יעיל במיוחד עבור ניטור אירועים נדירים כגון זיהוי חדירה או דליפות צינורות.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם IEEE 802.15.4 MacigFLT 1DM ניתן למפות את השכבה הפיזית של תקני כוח נמוך באמצעות מודולציה לא-מאירנית (למשל, OOK או FSK) כדי לפשט את העברת התזמון של המקלט. Efficiently תזמון בשכבה MAC (למשל, באמצעות TDMA או מחסנים) ולהפחית התנגשויות הקשבה.

מחקר שנערך בשנת 2020 דמה את ניטור כרם WSN באמצעות DM ומחזור חובה של 1%.התוצאות הראו ירידה של 70% בצריכת אנרגיה בהשוואה למערכת סטנדרטית של קוד הדופק (PCM), בעוד ששיקום נשאר מתחת ל-2% עבור טמפרטורה ונתוני לחות.

טעות מיגציה וערוץ Coding

כדי להפוך DM חזק נגד שגיאות ערוץ אלחוטי, טכניקות קידוד נוספות ניתן ליישם:

  • (FLT:0) תיקון שגיאות מדרגה (FEC): קודים קלים כגון Hamming (7,4) או קודים אבולוציוניים ניתן ליישם על DM bitstream.מכיוון שלDM bitstream יש ריצוף גבוה (מעטים חתכים יש קורלציה), אפילו קוד החזרה פשוט יכול לעזור.
  • (ב) ⁇ :0) ,0 (החזקה: ⁇ ) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) Hybrid ARQ:FLT:1 השתמש במנגנון בקשה חוזרת אוטומטית (ARQ) עבור מגזרי נתונים קריטיים.זה מגביר את הגמישות, אך מבטיח שלמות עבור אותות אזעקה.

(FLT:0) ייעוץ מעשי: FLT:1 עבור רוב יישומי WSN, קוד החזרה פשוטה (3,1) בשילוב עם ADM מספק סחר טוב בין אנרגיה overhead (שלוש פעמים את ה bits) והתאמה לשגיאות.העלייה באנרגיה שידור היא מתבטלת על ידי הפחתת הרנסנסרים.

המונחים: טמפרטורות Compensation

כדי לטפל בסחף סביבתי, את הרכיבים האנלוגיים של ה- DM Modulator (comparator, integrator) ניתן למקם באופן זמני.טכניקות כוללות:

  • (FLT:0)Digital Tuning:FLT:1 Store calibration coefficients in non-volatile Memory and Fit the Step Size or offset דיגיטלית לפני כל שידור.
  • (ב) [15] ,0) ,(ב) ,(ב) ,1) השתמש במתח ידוע להתאמה אוטומטית של רווח ה-Integrator והופעתו במהלך תקופות של idle.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ :0) ⁇ ⁇ : ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אמצעים אלה מבטיחים כי מערכת DM שומרת דיוק על טווח הטמפרטורה התעשייתית המלא (-40 מעלות צלזיוס ל- +85 ° C) ללא עלות משמעותית או עלייה משמעותית של כוח.

ניתוח השוואתי: DM לעומת Modulation Schemes ב WSNs

כדי לשים DM לפרספקטיבה, זה עוזר להשוות אותו עם חלופות פופולריות בשימוש WSNs:

דופק Code Modulation (PCM)

PCM מקודמת דגימות למילים מרובות-bit (למשל, 8-12 ביטים) היא מציעה נאמנות גבוהה יותר מאשר DM בסיסי, אך דורשת חומרה מורכבת יותר וכוח שידור גבוה יותר. PCM מתאים יותר למדידות אודיו ודיוק גבוה. עם זאת, בסוללות שמשתפות WSNs, אנרגיה נמוכה יותר לפשוט מנצחת לעתים קרובות, במיוחד כאשר בשילוב עם טכניקות הסתגלות.

תדירות Shift Keying (FSK) / On-Off Keying (OOK)

אלה הם תוכניות מודולציה פיזיקלית, בעוד DM היא טכניקה מבוססת מקור. DM יכול להיות יחד עם FSK או OOK עבור ממשק האוויר. השילוב של מקור DM בשיתוף עם OOK שידור מניב מאוד נמוך צריכת חשמל הכוללת, כמו משדר יכול להיות oscillator פשוט שער על ידי DM bitstream.

המונחים:DSSS

DSSS מספקת חסינות רב-פתטית וחוסן להפרעות, אך בעלות רוחב פס וכוח מוגבר.עבור יישומים שבהם אבטחה ואמינות הם רב-חשיבות (למשל, שדות חיישן צבאיים), DSSS בשילוב עם DM יכול להיות יעיל, אם כי על חשבון צריכת אנרגיה גבוהה יותר.

(FLT:0) בחירת הימין שאם: ההרחבה 1 (PLT:0) עבור רוב יישומי ניטור סביבתיים (טמפרטורה, לחות, לחץ), אדפטיבית DM מציעה את התמורה הטובה ביותר בין מורכבות, כוח ודיוק. עבור גבוה דיסלקציה או אותות ארוכי טווח דינמיים (למשל ניטור), מחשב או sigma-del-ta Modulation עשוי להיות מתאים יותר, אבל הם דורשים קוד נמוך תמיד לא זמין.

יישום מעשי ומקריות

מחקר: חקלאות חכמה סולל מעקב

בפריסה חקלאית חכמה בקנה מידה גדול, לחות הקרקע וטמפרטורת החניפים היו מצוידים עם ADM מודולטורים.הצומת המופעל על סוללות תאי מטבע הצפוי להימשך חמש שנים.על ידי שימוש באלגוריתם בגודל של שלב הסתגלות ומחזור חובה של 0.5% (מדגם רק כאשר לחות השתנתה יותר מ 0.5%), הרשת השיגה ER מתחת ל-0.1% ו-שיקום של פחות מ-1.5% בלבד.

מקרה מחקר 2: מדדי מכונות תעשייתיות

מפעל ריסס חיישנים רטט על מכונות רוטטת באמצעות DM עם שיעור דגימה של 4 kHz.האתגר היה עומס יתר במהלך שינויים פתאומיים עומס.הפתרון בשילוב ADM עם הסתגלות בגודל שני שלבים: כלל מעקב מהיר לאירועים טרנסיים והסתגלות איטית לתנורט מצב יציב.המערכת עברה רק אירועים (באמצעות שידור מונע אירוע) הפחתת שיעור הנתונים הממוצע מ-32bps ל- 300 שנים רצופה.

מגמות מחקר ודרכים לעתיד

האבולוציה של WSNs כלפי האינטרנט של הדברים (IoT) ומחשוב קצה פותחים הזדמנויות חדשות עבור DM:

  • (FLT:0) Machine Learning-Aided ADM:03FLT:1) Algorithms יכול ללמוד את דפוסי האות הטיפוסיים של חיישן והתאמה מוקדמת לגודל הצעד, צמצום שגיאות ללא חישובים מפורשים.
  • (FLT:0) אינטגרציה קצירת אנרגיה: FLT:1 טביעת הרגל הנמוכה של DM הופכת אותו אידיאלי עבור צמתים המופעלים על ידי השמש, תרמואלקטרי, או קצירי רטט.
  • (FLT:0)Ultra-Low-Power Radio Design:veFLT) 1:1 אדריכלות רדיו חדשה כגון פס אולטרה-רדיו אימפולסיבית (IR-UWB) יכולה לשדר DM ביטים קצרים מאוד, השגת יעילות ננוקול-פר-ביט.
  • (FLT:0) התחדשות מחדש: FLT:1 במקום לשלוח חתיכות DM גולמי לענן, שערים מקומיים יכולים לשחזר את האות ורק לשדר נורמציות או תכונות דחוסות, צמצום תעבורת רשת.
  • (FLT:0) אינטגרציה עם LPWAN: DM יכול להיות מוקרן ל- LoRa או NB-IoT שכבות פיזיות באמצעות זרם DM bit כדי לשנות את השילוח או subcarriers. ניסויים מוקדמים מראים תוצאות מבטיחות עבור תקשורת לטווח ארוך, חיישן כוח נמוך.

מסקנה

דלתא משתנה, למרות מקורותיה של עשרות שנים, נותר רלוונטי מאוד עבור רשתות חיישן אלחוטיות מודרניות.פשטות טבועה ואנרגיה פשטנית נמוכה לפשוט באופן מושלם עם מגבלות של צניפים מטופחים סוללות.עם זאת, המגבלות הקלאסיות של רעש קוונטין ומדרון דורשות הנדסה זהירה להתגבר.על ידי הפעלת אלגוריתמים בגודל של אלגוריתמים מתקדמים, אופניים ללא יעילות אנרגיה, מוטציות, קידוד, טכניקות קלודות, , טכניקות קלושות וקטנות, יכולות לרת דיוק או רתום או רתול או רתמות.

העתיד של DM ב WSNs שוכן באינטגרציה שלה עם אלגוריתמים הסתגלות אינטליגנטית וטכנולוגיות רדיו בעלות כוח נמוך. כמו רשתות חיישן להיות יותר מתפשט בעידן האינטרנט, הצורך בתוכניות מודולציה יעילות, אמינה ויעילות עלות רק יגדל. דלתא, כאשר מותאם כראוי, מציע נתיב קדימה כי מאזן ביצועים ומעשיות.

לקריאה נוספת על טכניקות הסתגלות ועקרונות עיצוב כוח נמוך, ראה את המשאבים הבאים:

  • (ב) "Accreative Delta Modulation for Wireless Sensor Networks: A Survey" - IEEE Access, 2020igtureFLT 1
  • (FLT:0) "Energy-efficient data transfer in WSN באמצעות מודולציה הסתגלותית" - Journal of Network and Computer Applications, 2019FLT 1
  • (ב) "Delta Modulation for IoT Sensors: A Practical Guide" - EE Times, 2021FLT 1