無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)研究

邱春榮

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004）

1.引言

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks）中，傳感器節(jié)點(diǎn)的能源容量有限，且電源補(bǔ)充成本高難度大，因此在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中盡可能地使用節(jié)能技術(shù)、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命期，就成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要的問(wèn)題。

2.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗問(wèn)題分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量是由微型傳感器節(jié)點(diǎn)消耗的。典型的微型傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括電源、感應(yīng)單元、處理單元和無(wú)線通信單元四個(gè)部分。其中，除了電源單元負(fù)責(zé)能源供應(yīng)，其它三個(gè)部分都需要不同程度地消耗電能。

感應(yīng)單元的主要功能是感知溫度、濕度、氣壓等各種信息，并交給處理單元。在感應(yīng)單元的信息變換、前端處理、信號(hào)調(diào)節(jié)、模數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)中都需要消耗能量。感應(yīng)單元的能耗主要取決于以下幾個(gè)因素：①所測(cè)物理量，測(cè)量不同物理量的感應(yīng)單元所需的能量是不同的。根據(jù)能耗量的不同，感應(yīng)單元可以分為低能耗類、中等能耗類和高能耗類三種。低能耗類感應(yīng)單元常見的有溫度傳感器、濕度傳感器、光敏傳感器、速度傳感器等。常見的中等能耗感應(yīng)單元有聲音傳感器和磁傳感器等。典型的高能耗傳感單元有圖像傳感器和視頻傳感器等[1]。②感應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短。③感應(yīng)器的工作環(huán)境。比如在存在干擾的場(chǎng)景中，探測(cè)的準(zhǔn)確性將受到不同程度的影響，感應(yīng)單元的功率和重復(fù)探測(cè)的次數(shù)都需要加大，能耗量也將增加。

處理單元負(fù)責(zé)對(duì)信息進(jìn)行融合和處理。在實(shí)際應(yīng)用中，隨著集成電路制作工藝的成熟，處理器的功率很小，其能耗量主要取決于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

收發(fā)單元負(fù)責(zé)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，是傳感器節(jié)點(diǎn)最大的能耗源。它的工作狀態(tài)主要有四種：空閑、接收、傳輸和休眠。其中，休眠狀態(tài)的能耗很小，與其它幾種工作狀態(tài)相比，其能耗幾乎可以忽略不計(jì)。在同樣的工作時(shí)間中，空閑、接收和傳輸三種模式所消耗的能耗比為1：1：2.7。在收發(fā)單元空閑模式中，偵聽工作占據(jù)了絕大多數(shù)的工作時(shí)間。研究表明，偵聽狀態(tài)下所消耗的能量占空閑模式能耗總量的90%以上。在沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，讓傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，能夠大幅度地減少能耗。然而，如果開啟頻率過(guò)于頻繁，也會(huì)造成一定的能量消耗。假設(shè)Nt和Nr分別表示發(fā)射器和接收器每秒開啟的平均次數(shù)，Pt和Pr分別是發(fā)射器和接收器的功耗，Po代表發(fā)射器的輸出功率，Tdt和Tdr分別表示數(shù)據(jù)傳輸和接收的實(shí)際時(shí)間，Tst是發(fā)射器的啟動(dòng)時(shí)間，Wo表示整個(gè)收發(fā)單元的功耗，則

式中Nt和Nr取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景以及所采用的MAC協(xié)議；Tdt和Tdr可以用L/R計(jì)算，L表示數(shù)據(jù)包的大小，單位為bit，R為數(shù)據(jù)傳輸率[2]。

3.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能問(wèn)題上，常見的節(jié)能技術(shù)分為兩種：數(shù)據(jù)鏈路層節(jié)能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層節(jié)能技術(shù)。

3.1 MAC協(xié)議節(jié)能技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈路層節(jié)能技術(shù)是通過(guò)MAC協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)節(jié)能原理的不同，MAC協(xié)議節(jié)能技術(shù)主要有四種[3]。

（1）數(shù)據(jù)傳輸沖突控制技術(shù)

降低數(shù)據(jù)包傳輸沖突率，減少重傳數(shù)據(jù)的數(shù)量，是數(shù)據(jù)鏈路層中一種常用的節(jié)能途徑，同時(shí)也是MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基本功能之一。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳率控制的方法很多，常見的方法有：①采用休眠技術(shù)；②采用時(shí)分多路訪問(wèn)（TDMA）技術(shù)；③利用數(shù)據(jù)發(fā)送導(dǎo)言（Preamble）機(jī)制。

（2）休眠機(jī)制

休眠機(jī)制是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)下，通過(guò)自適應(yīng)或程序控制的方式進(jìn)入休眠狀態(tài)，并控制休眠的時(shí)間點(diǎn)和間隔周期，以減少傳感器處于空閑偵聽狀態(tài)的時(shí)間，從而降低能耗。啟用休眠機(jī)制后，應(yīng)配套采用一定的蘇醒判斷和決策機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)處于休眠狀態(tài)下的傳感器節(jié)點(diǎn)在必要的時(shí)候及時(shí)進(jìn)入空閑偵聽狀態(tài)和其他工作狀態(tài)。

（3）混合MAC工作機(jī)制

主要是指時(shí)分多路訪問(wèn)（TDMA）技術(shù)和基于競(jìng)爭(zhēng)的載波偵聽多路訪問(wèn)（CSMA）技術(shù)相結(jié)合的混合機(jī)制。在傳感器節(jié)點(diǎn)固定不變且數(shù)量較少的情況下，可以采用預(yù)先分配時(shí)隙的TDMA機(jī)制；當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量發(fā)生變化時(shí)，TDMA機(jī)制立即變換為動(dòng)態(tài)的時(shí)隙分配機(jī)制。通過(guò)這種混合機(jī)制，工作節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)在某個(gè)固定的時(shí)隙發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包，從而避免了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)生沖突的可能性。

（4）數(shù)據(jù)發(fā)送導(dǎo)言技術(shù)

該技術(shù)的基本思想[4]是傳感器節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包前發(fā)送一段導(dǎo)言（Preamble）數(shù)據(jù)，以警示傳感器接收節(jié)點(diǎn)做好接收準(zhǔn)備。導(dǎo)言數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間應(yīng)不小于采樣周期的時(shí)間間隔。網(wǎng)絡(luò)中其他傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)采樣，以決定下一步的工作狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)通信信道處于繁忙狀態(tài)，則繼續(xù)偵聽直至接收到正確的數(shù)據(jù)包或直至信道變?yōu)榭臻e狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)接收完畢，則在繼續(xù)偵聽一定的時(shí)間后，控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議節(jié)能技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)層節(jié)能技術(shù)通常的做法是通過(guò)路由協(xié)議的節(jié)能設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。路由協(xié)議節(jié)能思想可以分為四類。

（1）以數(shù)據(jù)傳輸距離為路由度量值

在典型的First Order Radio無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)中，假設(shè)兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)距離為d，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包為k，則數(shù)據(jù)傳輸能耗Et(k，d)為：

其中d0代表距離的閾值；Eel表示無(wú)線電收發(fā)裝置啟動(dòng)傳輸或接收電路所需的能耗系數(shù)，單位為nJ/bit；ε表示傳輸放大器功耗系數(shù)，單位為pJ/bit/m2[5]。

以上分析表明，傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸功耗與距離的平方或四次方成正比。因此，減少傳輸距離就降低了傳輸?shù)哪芎?。但在?jié)點(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，縮短每一跳的傳輸距離會(huì)增加傳輸路徑跳數(shù)，網(wǎng)絡(luò)總能耗不一定能夠下降，同時(shí)傳輸延遲也將增加。因此傳輸距離的控制應(yīng)權(quán)衡多種因素綜合考慮。

（2）以傳輸路徑跳數(shù)為路由度量值

在數(shù)據(jù)包傳輸路徑中，跳數(shù)越少則路由優(yōu)先。在傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率固定不變的情況下，跳數(shù)越少則總傳輸距離越小，網(wǎng)絡(luò)總能耗也越小，從而達(dá)到節(jié)能的目的。發(fā)送功率可變且傳輸模式為廣播模式的情況下，數(shù)據(jù)包傳輸路徑跳數(shù)少,則意味著參與廣播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，網(wǎng)絡(luò)總能耗也隨之下降。

（3）根據(jù)路由路徑的距離動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)送功率

在功率可變的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)路由路徑的距離調(diào)節(jié)發(fā)送功率，不僅能夠減少數(shù)據(jù)的發(fā)送能耗，還能有效地減少相鄰節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線電干擾，提高信道的利用率。

（4）采用數(shù)據(jù)聚集技術(shù)

數(shù)據(jù)聚集技術(shù)是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)收集所監(jiān)測(cè)區(qū)域的物理信息，并在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中把數(shù)據(jù)向上傳輸?shù)娜诤霞夹g(shù)。數(shù)據(jù)聚集技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一。常見的數(shù)據(jù)聚集操作函數(shù)有求平均（AVG）、求中間值（MEDIAN）、求和（SUM）、求最大值（MAX）、求最小值（MIN）、計(jì)數(shù)（COUNT）等，用戶還可以根據(jù)應(yīng)用需求自定義數(shù)據(jù)聚集操作函數(shù)[6]。

4.結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能源受限，能耗問(wèn)題直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命期，采用節(jié)能技術(shù)就成為WSN網(wǎng)絡(luò)中的核心問(wèn)題。本文分析了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)各組成單元的能耗問(wèn)題及其關(guān)鍵因素，并分別從數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層研究了節(jié)能工作機(jī)制和設(shè)計(jì)思想。今后的研究方向主要有數(shù)據(jù)鏈路層MAC的節(jié)能技術(shù)研究及其應(yīng)用、基于節(jié)能思想的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、WSN網(wǎng)絡(luò)各層節(jié)能算法的系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

[1]曾鵬,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效節(jié)能的信息收集機(jī)制及方法研究[D].沈陽(yáng):中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所,2007.20-45.

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[3]李虹,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能相關(guān)若干關(guān)鍵問(wèn)題研究 [D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007.22-25.

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