無線傳感器網(wǎng)絡能耗分析與策略研究

趙 靜， 潘 斌， 王 進， 譚秀蘭

（①成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106；②成都理工大學 信息管理學院，四川 成都 610059；③成都大學 網(wǎng)絡中心，四川 成都 610106）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡具有十分廣闊的應用前景，但是它的能量問題一直制約其大規(guī)模發(fā)展。無線傳感器節(jié)點大多采用能量有限的電池供電，且節(jié)點數(shù)目多、分布廣、所處環(huán)境復雜，通過更換電池來補充能源是非常不現(xiàn)實的問題，而能量消耗直接決定了傳感器網(wǎng)絡的使用壽命，為此，著手以低能耗節(jié)點設計和節(jié)能網(wǎng)絡協(xié)議為首要研究問題，通過研究提高能量有效的策略和正確的應用網(wǎng)絡協(xié)議，延長無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期。

1 傳感器節(jié)點能耗

1.1 節(jié)點結(jié)構

無線傳感器網(wǎng)絡單節(jié)點主要包括數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線收/發(fā)器）以及電源模塊4部分。

1.2 節(jié)點各模塊能耗特性

數(shù)據(jù)采集模塊能耗主要由傳感器的特性決定，不同種類的傳感器及其不同的性能要求會帶來數(shù)據(jù)采集模塊能耗特性的較大的差異。數(shù)據(jù)處理模塊能耗包括處理器能耗和存儲器能耗兩部分，從處理器角度看，傳感器是以采用低端微控制器為代表的節(jié)點，該類節(jié)點的處理能力較弱，所以能量消耗也很小。

無線通信模塊能耗包括功率放大器能耗和電路能耗。各功能模塊能耗特性不盡相同，節(jié)點能耗絕大部分消耗在無線通信模塊上，通常1 bit的信息傳輸100 m距離所需的能量大約相當于執(zhí)行3000條計算指令所消耗的能量[1]。

2 傳感器網(wǎng)絡中的能耗

2.1 傳感器網(wǎng)絡結(jié)構體系

無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構由分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議、網(wǎng)絡管理平臺以及應用支撐平臺這3個部分組成。其中分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議體系由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成。

2.2 網(wǎng)絡能耗特性

傳感器網(wǎng)絡在實際的應用中，各個結(jié)構都伴隨著能量的損耗。網(wǎng)絡中的能耗主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層3方面。

數(shù)據(jù)鏈路負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。當MAC幀頭和控制消息包中沒有包含有效的數(shù)據(jù)時，是一種能量的損耗。另一方面，通信網(wǎng)絡中信道共享，帶來數(shù)據(jù)包沖突、暴露終端和隱蔽終端問題，這無疑造成網(wǎng)絡較大一部分能量的損耗。

網(wǎng)絡層用于發(fā)現(xiàn)和維護數(shù)據(jù)，大多數(shù)節(jié)點無法直接與網(wǎng)關通信，需要通過中間節(jié)點以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點。當網(wǎng)絡中多節(jié)點的動作需要協(xié)調(diào)時，在接入和路由協(xié)議上，當開銷用于協(xié)調(diào)節(jié)點動作時，能耗很大。

傳送層負責數(shù)據(jù)的傳輸控制，主要是通過匯聚節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)、Internet或者其他的鏈路與外部網(wǎng)絡通信。但是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，誤使用剩余能量較低節(jié)點、大量同類數(shù)據(jù)一起傳輸或傳輸與接收不同時等，將引起大量能量的損耗。

3 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能機制

3.1 節(jié)點的節(jié)能策略

3.1.1 低能耗節(jié)點設計

在實際的應用中，傳感器節(jié)點采用電池供電，一旦電能耗盡，節(jié)點就失去了工作能力。為了最大限度地節(jié)約能量，在節(jié)點的軟硬件設計方面需要優(yōu)化節(jié)點的結(jié)構是一種很好的節(jié)能措施。

在硬件設計方面，盡量考慮低功耗器件，在沒有通信任務的時候，及時的切斷射頻部分電源；在軟件設計方面，各層通信協(xié)議都應該以節(jié)能為中心，必要時可以犧牲其他的一些網(wǎng)絡性能指標，以獲得更高的電源效率。

3.1.2 節(jié)點能量管理與調(diào)節(jié)

采用低能耗技術：動態(tài)功率管理（DPM）技術和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）技術，該兩項技術已經(jīng)逐步用于無線傳感網(wǎng)絡微處理器中[2]。

DPM 技術也叫休眠技術，當無線傳感節(jié)點在無計算要求而進入空閑狀態(tài)時，關閉大部分處于空閑狀態(tài)模塊、組件或?qū)⑵湔{(diào)到更低能耗的睡眠狀態(tài)以節(jié)能。

DVS技術是當計算負荷較低時，改變工作電壓和時鐘頻率以降低無線傳感節(jié)點處理器能耗技術。對于目前的廣泛應用的實時嵌入式系統(tǒng)而言，該技術能夠有效地降低功耗而節(jié)能。

3.2 傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議節(jié)能機制

無線傳感網(wǎng)絡中各種節(jié)能機制涉及了WSNs的各層，每一層可以根據(jù)自身的特點和功能的不同，設計出不同的節(jié)能策略。

①介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議[3]，該協(xié)議直接控制著耗能最多的無線通信模塊的活動，針對能耗比例以及造成無效功耗的因素，MAC協(xié)議多采用降低睡眠、偵聽占空比、控制節(jié)點間的連通度、合理分配信道等策略，盡量避免或減少能量消耗，提高網(wǎng)絡的能量高效性；

②低功耗自適應分層路由協(xié)議[4]（LEACH），通過隨機循環(huán)地選擇簇頭將網(wǎng)絡的能量負載均衡分配到各節(jié)點，從而達到降低網(wǎng)絡能耗、提高網(wǎng)絡生存期的目的；

③能量多路徑路由[5]，通過該機制根據(jù)路徑上節(jié)點的能量消耗以及節(jié)點的剩余能量狀況，給每條路徑賦予一定的選擇概率，使得數(shù)據(jù)傳輸均衡地消耗整個網(wǎng)絡能量，延長網(wǎng)絡生存期；

④功率控制：就無線傳感網(wǎng)絡而言，采用高效優(yōu)化的拓撲控制機制[6]，可以合理的調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，在保證通信質(zhì)量的前提下降低發(fā)射功率，并有選擇性地讓部分節(jié)點的通信模塊關閉和均衡節(jié)點能量消耗來降低節(jié)點能耗，可有效的節(jié)約能量資源；

⑤基于能量保護的跨層設計，其主要作用是跨層設計將在不同的層上的信息實現(xiàn)共享，跨層體系結(jié)構中可以制定聯(lián)合能量約束機制實現(xiàn)能量全局優(yōu)化。將MAC協(xié)議與路由項結(jié)合進行跨層設計[7]，可以使整個網(wǎng)絡的節(jié)能效果達到最優(yōu)，延長網(wǎng)絡生存期；

⑥數(shù)據(jù)融合，其目的是減少數(shù)據(jù)傳遞過程中冗余度和最小化傳輸量，它實現(xiàn)能量有效的數(shù)據(jù)傳遞，從而節(jié)約網(wǎng)絡能量。

4 能量補給方案

環(huán)境中有巨大的能量可以供使用，那么從環(huán)境中捕獲能量為傳感器節(jié)點供電將是一種有效的途徑。大多采用太陽能電池、振動、風能、溫差等器件從環(huán)境中獲取能量，但是這種能量補給措施還不夠普及。目前已經(jīng)研究有成果，即以超級電容器和鋰離子電池[8]為儲能器件從環(huán)境中捕獲能量，采用低功耗的能量管理策略，實現(xiàn)了無線傳感器節(jié)點的長壽命工作。

5 結(jié)語

分析了無線傳感器網(wǎng)絡的能耗特性，根據(jù)低功耗節(jié)點模塊設計的原則和節(jié)點工作能耗，研究降低傳感器節(jié)點功耗的節(jié)能方案，同時，考慮不同網(wǎng)絡層能耗的因素，重點研究與歸納傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議節(jié)能機制，總結(jié)了延長無線傳感器網(wǎng)絡生命周期的能量策略。最后指出從環(huán)境中獲取能量補給方案，在實用化應用中，還不夠成熟，這將是未來研究的方向。

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