無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能效分析

摘要： 關(guān)鍵詞： 中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 2095-2163（2017）06-0032-04

Abstract： As energy efficiency is the most important parameter to evaluate the performance of Wireless Sensor Networks， the structure of sensor node is presented， and the energyconsumption sources of the whole Wireless Sensor Networks is discussed. Dynamic power management and dynamic voltage scaling are proposed， which are used to improve the energy efficiency of single node. The energy efficiency mechanisms are discussed，used from physical layer to transport layer. Finally， the power control in Wireless Sensor Networks is analyzed.

0引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensors Network，WSN）是在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，以無線通信方式形成的單跳或多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以協(xié)同感知、采集和處理監(jiān)測區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能大大提高人類對物理環(huán)境的遠(yuǎn)端監(jiān)視和控制能力，實(shí)現(xiàn)信息世界、物理現(xiàn)實(shí)與人類社會的互通，因此在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用[2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往需要大規(guī)模地部署于人跡罕至的區(qū)域、災(zāi)害現(xiàn)場等，因此在可靠性、安全性等方面都面臨極大挑戰(zhàn)。能量效率、定位技術(shù)、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)融合和安全技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)[3]。與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不同，無線傳感節(jié)點(diǎn)一般由電池供電，只能配備有限的能量，要進(jìn)行能量補(bǔ)給幾乎是不可能的。此外，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量不足將加重其相鄰節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)擔(dān)，從而加劇部分區(qū)域節(jié)點(diǎn)的能耗，甚至可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重新配置或失效。因此如何有效地利用有限的能量資源，減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，直接影響著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，是進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)需要優(yōu)先考慮的重要約束[4]。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

1.1傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)通常由感知模塊、控制模塊、無線通信模塊、能量供應(yīng)模塊和輔助模塊組成，如圖1所示。

由圖1可知，感知模塊通常由傳感器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）電路兩個(gè)子單元組成，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息送給控制模塊?？刂颇K的核心是微處理器，執(zhí)行任務(wù)調(diào)度、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲、能量管理等功能。無線通信模塊負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊提供正常的電源供應(yīng)，除了電池供電的方式，能量供應(yīng)模塊還可以從外部環(huán)境中，如從太陽能、氣流、水流、溫差等獲得能量。輔助模塊則是為了實(shí)現(xiàn)某些特殊功能，如GPS定位、移動管理、電動機(jī)驅(qū)動等。

1.2節(jié)點(diǎn)能耗

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。節(jié)點(diǎn)從外界接收的數(shù)據(jù)來自兩個(gè)方面，一是自身感知模塊采集到的信息，二是來自接收到其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。對于自身采集到的信息，若需要將經(jīng)操作變換后的結(jié)果發(fā)送給其它節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)行壓縮、加密等后置處理后交給發(fā)送單元。對于來自其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，則需要進(jìn)行解壓縮、解密、檢驗(yàn)等前置處理。從數(shù)據(jù)處理流程中可知，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量主要是消耗在信息感知、通信和數(shù)據(jù)處理三個(gè)方面[5]。

具體來說，感知能耗取決于終端信息采集的頻率、傳感器的靈敏度、以及事件檢測的復(fù)雜度、環(huán)境噪聲等，這部分能耗通常只占整個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗中較小的部分。通信能耗是無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗中最重要的部分。在傳感器節(jié)點(diǎn)的通信能耗中，不僅要考慮無線通信模塊正常工作時(shí)的能耗，對于采用休眠機(jī)制的傳感節(jié)點(diǎn)，還要考慮模塊啟動或喚醒時(shí)的能耗。數(shù)據(jù)處理能耗比通信能耗小得多[6]，但也是無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗中不可忽略的部分，在超常的計(jì)算任務(wù)負(fù)載情況下，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能源將占總能耗的30%[7]。

感知能耗和數(shù)據(jù)處理能耗與傳感器節(jié)點(diǎn)的特征電路實(shí)現(xiàn)有關(guān)，如傳感器的靈敏度、ADC轉(zhuǎn)換速度、微處理器和存儲單元的類型等，屬于傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的能效性。通信能耗與傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議等緊密相關(guān)，屬于無線傳感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能效性。因此，無線傳感器的能效性主要是從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，一是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能效性；二是無線傳感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能效性。

2無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能效分析

目前，動態(tài)能量管理（Dynamic Power Management， DPM）[8]和動態(tài)電壓調(diào)整（Dynamic Voltage Scaling， DVS）技術(shù)在低功耗無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中得到逐步采用。

2.1動態(tài)能量管理

動態(tài)能量管理的基本思想是：當(dāng)節(jié)點(diǎn)無任務(wù)時(shí)，關(guān)閉傳感器節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)功能模塊，進(jìn)入低功率休眠模式，在需要工作時(shí)再將其喚醒。按傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)單元模塊的工作表現(xiàn)，可將節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)分為5種[9]，如表1所示。

由表1可知，S0是完全激活狀態(tài)；S1狀態(tài)中可以接收數(shù)據(jù)，但不能處理和存儲數(shù)據(jù)；S2中處理模塊進(jìn)入休眠模式，通過事件觸發(fā)才會被喚醒；S3中除了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊外，其它模塊都處于非活動狀態(tài)；S4處于深度休眠，節(jié)點(diǎn)各模塊都被關(guān)閉。

由于傳感器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要消耗一定的能量并產(chǎn)生延時(shí)，不合適的狀態(tài)轉(zhuǎn)換非但無法達(dá)到節(jié)能，反而會導(dǎo)致能耗增加，因此狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略對于DPM非常重要。endprint

2.2動態(tài)電壓調(diào)整

通過傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算負(fù)荷是隨時(shí)間變化的。動態(tài)電壓調(diào)整的工作原理是根據(jù)計(jì)算負(fù)荷的大小動態(tài)調(diào)整處理器的工作電壓和時(shí)鐘頻率，在傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算負(fù)荷較低時(shí)，動態(tài)降低節(jié)點(diǎn)的電壓和時(shí)鐘頻率可以有效地減少節(jié)點(diǎn)的能耗。動態(tài)電壓調(diào)整的工作過程如圖4所示。

動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)處理器計(jì)算負(fù)荷和時(shí)鐘頻率的有效匹配。因傳感器的計(jì)算任務(wù)具有一定的隨機(jī)性，故而在動態(tài)電壓調(diào)整過程中需要對計(jì)算負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。

3無線傳感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能效分析

由于通信能耗是無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗的首要突出部分，因此為了提高無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能效，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，除了在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮低能耗之外，在所有的通信協(xié)議層都需要考慮能效因素。

3.1物理層能效機(jī)制

無線傳感器在物理層可采用超聲波、無線電波、紅外、光波等作為傳輸媒介，其中無線電波是當(dāng)前廣泛通用的傳輸方式。目前，現(xiàn)有的無線通信方式在理論上都可應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用低成本、低功耗的短距無線組網(wǎng)技術(shù)，如超寬帶技術(shù)（Ultra Wide Band，UWB）、ZigBee、藍(lán)牙等。若需要進(jìn)行長距離的組網(wǎng)，則可以采用目前移動通信采用的無線技術(shù)。

3.2數(shù)據(jù)鏈路層能效機(jī)制

媒體訪問控制（Medium Access Control， MAC）是數(shù)據(jù)鏈路層中最重要的控制協(xié)議，可為傳感節(jié)點(diǎn)分配、調(diào)度無線通信資源，是保障網(wǎng)絡(luò)可靠、高效通信的核心協(xié)議之一。MAC主要是通過提高碰撞回避能力，降低因分組碰撞、分組旁聽、控制分組開銷、空閑偵聽等所造成的能量浪費(fèi)。如S-MAC[9]協(xié)議采用周期性偵聽/休眠的低占空比機(jī)制降低節(jié)點(diǎn)能量消耗。T-MAC[10]協(xié)議能自適應(yīng)地改變偵聽時(shí)間，通過減少空閑偵聽時(shí)間來降低能耗?；跁r(shí)分復(fù)用的LMAC（Lightweight MAC）協(xié)議采用固定時(shí)隙組成長度一定的幀結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)控制一個(gè)時(shí)隙，除了收發(fā)節(jié)點(diǎn)外其它節(jié)點(diǎn)都進(jìn)入休眠狀態(tài)。

引入休眠機(jī)制可以有效地降低能量消耗，但會產(chǎn)生傳輸時(shí)延增加的問題，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要權(quán)衡考慮。

3.3網(wǎng)絡(luò)層能效機(jī)制

低能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由實(shí)現(xiàn)的基本保障，所有路由協(xié)議都需要考慮能量有效性問題。如信息協(xié)商傳感器協(xié)議[11]（Sensor Protocol for Information via Negotiation， SPIN）通過消除冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送來節(jié)約能量。地理位置路由協(xié)議[12]（Geographic and Energy Aware Routing， GEAR）根據(jù)地理位置信息，建立一條從匯聚節(jié)點(diǎn)到事件區(qū)域的優(yōu)化路徑，避免泛洪轉(zhuǎn)發(fā)來降低通信能耗。低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議[13]（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy， LEACH）在應(yīng)用中就是研究建立簇，并采用壓縮和局部數(shù)據(jù)融合來減少傳輸數(shù)據(jù)量，再通過隨機(jī)輪換簇首以平衡能耗負(fù)擔(dān)，達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的目的。

3.4傳輸層能效機(jī)制

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層的協(xié)議大多采用重傳機(jī)制來實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)龐大，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)資源有限，因此傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議并不適用于無線傳感器協(xié)議，取而代之的是運(yùn)行在定向擴(kuò)散協(xié)議之上的高能效傳輸協(xié)議，以及采用多重網(wǎng)絡(luò)路徑和前向糾錯(cuò)技術(shù)，通過增加端到端的可靠性來減少網(wǎng)絡(luò)能耗。

4功率控制技術(shù)

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗測定，傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸功率是一個(gè)重要的度量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率控制是指在不影響網(wǎng)絡(luò)連通性的前提下，通過動態(tài)地調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率減少網(wǎng)絡(luò)中不必要的能量消耗，以此來提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間和系統(tǒng)的能耗效率。

功率控制不僅可以影響到系統(tǒng)的能量消耗，也會對網(wǎng)絡(luò)的其它性能產(chǎn)生影響，如網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延等。目前，功率控制技術(shù)主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。在網(wǎng)絡(luò)層，主要通過改變發(fā)射功率對路由進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，達(dá)到全網(wǎng)性能最優(yōu)。在鏈路層的功率控制主要是通過MAC協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)信道狀態(tài)和下一跳節(jié)點(diǎn)的距離調(diào)整發(fā)射功率。

5結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖隙即嬖谥艽蟮牟煌m然在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮定位、同步、數(shù)據(jù)融合和安全防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，但由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)自身能量有限且無法得到有效補(bǔ)充，因此能量有效性是無線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)時(shí)需要首先考慮的因素。

本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要的能量消耗源，分別圍繞無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)討論分析了提高能量利用率的各種技術(shù)和典型拓?fù)鋮f(xié)議與機(jī)制，以及功率控制對延長網(wǎng)絡(luò)壽命的重要性。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究提高能效，優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源配置的機(jī)制和方法。

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