淺析無線傳感網絡節能策略

摘要：無線傳感網絡是因特網技術之后，又一個對人們生活產生重大影響的信息技術。目前在軍事、醫療、環境等領域有著相當的應用，必將在未來生活中影響人們的方方面面。該文主要對從無線傳感網絡能量的角度出發，分析了無線傳感網絡能量特點和節能的必要性，同時給出節能策略。

關鍵詞：無線傳感網絡；信息技術；節能策略

中國分類號：TP393 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)31-0867-02

Elemental Analysis on the Wireless Sensor Network of Energy-saving Strategy

WANG Yi-min1，2， WU Jian-guo1

(l.Ministry of Education's Key Laboratory of Intelligence Computing and Signal Processing， Anhui University， Hefei 230039， China; 2.Network Center of Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China)

Abstract: Wireless sensor networks is another information technology that have a significant impact on people's lives after Internet. At present， there are considerable applications in military， medical， environmental and other fields and it will affect every aspect of people's lives. This article mainly focuses on wireless sensor networks from energy point of view， analyses features of the wireless sensor network energy and necessity of energy-saving， at the same time gives the energy-saving strategy.

Key words: wireless sensor networks; information technology; energy-saving strategy

1 引言

21世紀是信息時代，各種各樣的信息技術使得人們的生活越來越方便，特別是通信技術，嵌入式計算技術，傳感器技術等迅速發展，融合這三大技術的無線傳感網絡（WSN:Wireles Sensor Network）正成為當今信息技術發展的前沿。

無線傳感網絡主要功能是能夠實時檢測和采集網絡分布區域內的各種監測對象的特定信息，包含對信息的采集、處理、融合以及傳輸。它可以在任何時間、地點和環境下去為人們獲取詳實可靠的信息，因此，在許多領域有著廣泛的應用，比如國防軍事、環境監測、農業病蟲害監測、交通管理、醫療衛生等。目前已成為信息研究的熱門對象，是在因特網之后又一對人們生活產生重大影響的技術，因特網使現實社會虛擬化，而無線傳感網絡在實現了物質世界虛擬化，使邏輯上虛擬的信息世界和真實的物理世界融合在一起，改變了人類與自然的交互方式。

2 無線傳感網絡體系結構

無線傳感網絡主要由大量隨機分布無線傳感器（節點）自組織并采用多級跳中繼方式傳遞信息的無線網絡。無線傳感器是整個網絡基本單元，主要分為四個模塊：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊。傳感器模塊主要負責對外部物理世界監測（如溫度、濕度等各種信息）并將監測到信息進行數模轉換。處理器模塊主要負責將信息存儲并融合打包。無線通信模塊主要功能將打包的數據通過無線收發器保證及時準確的傳輸到目的節點。能量供應模塊主要提供無線傳感器其它三個模塊工作的能量，一般為紐扣電池。如圖1所示。

體系結構里主要包括普通節點，骨干節點，網關節點，監控中心四個部分組成，其中普通節點負責監測數據的采集并無線發射功能，骨干節點除了普通節點的作用外，還負責接受其他普通節點采集數據，并將其融合再發射相鄰骨干節點，采用這種多級跳的方式將數據送到網關節點，網關節點負責將這些監測數據并入因特網傳遞給遠處監控中心，監控中心負責對所采集的數據進行分析并得到相應結果以供決策。如圖2所示。

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圖1 圖2

3 無線傳感器網絡節能意義與能耗特點

3.1 節能意義

無線傳感器網絡在民用和軍用方面具有極高的價值，可以在大范圍內用于收集、處理和發布復雜的環境數據，但在使用過程中存在著一些現實約束。無線傳感器網絡實際應用中傳感器節點需要量大，要求單價便宜，所以一般體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池，而且一般這些節點組成的無線傳感器網絡往往被部署在偏遠地區或環境惡劣的區域，有些區域甚至人員不能到達，對于有成千上萬節點的無線傳感器網絡來說，對電池的更換是非常困難的甚至是不可能的。但是無線傳感器網絡的生存時間卻要求長達數月甚至數年，為了保證無線傳感器網絡的長運行時間（延長網絡的生命周期），因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節約無線傳感器網絡的電池能量成為無線傳感器網絡軟硬件設計中的核心問題，也是當前國內外研究機構關注的焦點。

在體系結構中已經介紹了一個典型的無線傳感器節點主要由四部分組成：

傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊。傳感器模塊通過感應器感知各類相關信息，如溫度、濕度、光線強度、煙霧濃度等，然后交由處理器模塊進行信息的融合和處理;最后通過無線通信模塊對數據信息進行轉發。傳感器節點的無線通信模塊不僅負責接收和發送數據包，還負責偵聽通信信道，或關閉無線電轉入休眠狀態。除產生能量的電源外，傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊都是能源消耗點。下面分別對這三個模塊說明一下其對能耗的影響：

1) 傳感器模塊：其能耗主要來源于變換器、前端處理與信號調節、模數轉換器。傳感器的種類很多，測量不同的物理量時傳感器所需的能耗不同；感應的時間長短不同，傳感器所需的能耗也不同；環境的復雜性也決定了感應所需能量的多少，比如在充滿噪音的場景下，探測的準確性受到影響，探測所得到的數據其不可靠因素增加，為了獲得精確的數據，探測所需的能耗和重復探測的次數加大，因此總體耗能就大。根據能耗量，傳感器可大致分為三類：①低能耗類的，如溫度傳感器、濕度傳感器、光敏傳感器、加速度傳感器等；②中等能耗類的，如聲音傳感器、磁傳感器等；③高能耗類的，如圖像傳感器和視頻傳感器等多媒體相關的。但從總體上來說，感應所消耗的能量要遠小于通信所消耗的能量。

2) 處理器模塊：隨著集成電路發展，在傳感器節點中，數據處理的能量消耗遠小于通信所需要的能量消耗。假設無線電服從四次方路徑衰耗的瑞利衰落，在100米距離上傳輸1KB的數據所消耗的能量大概與在l00MIPS/W處理器上執行3百萬條指令所消耗的能量相當。

3) 無線通信模塊：它是傳感器節點最大的能量消耗最大的模塊，據試驗，傳感器節點里能量70%左右消耗在通信模塊上。國外提出了一個無線電功率消耗的公式：

Pradio=Nlx[Plx(Ton-lx+Tst)+PoutTon-lx]+Nrx[Prx(Ton-rx+Tst)]

其中Nlx/rx分別是發射器和接收器每秒開啟的平均次數，Plx/rx分別是發射器和接收器的功耗，Pout是發射器的輸出功率，Ton-lx/rx分別是數據傳輸或接收的實際時間，Tst是發射器的啟動時間。Nlx/rx主要依賴于具體的應用場景和采用的MAC協議。一般的低功率無線電收發器的Plx/tx值均在20分貝毫瓦左右，而Pout的值接近0分貝毫瓦。

4 無線傳感器網絡節能策略

由于無線傳感器網絡監測區域一般環境惡劣且無線傳感器數目眾多，通常為一次性使用（即能量耗完，這個節點的使命結束），電源能量約束直接影響傳感器網絡生存周期和覆蓋區域（有些節點過早的能量耗盡），限制了傳感器網絡的有效性，是阻礙傳感器網絡應用的嚴重問題。根據上面傳感器網絡能耗的特點，我們可以有以下幾種節能的策略。

4.1 單個節點的節能優化

單個節點除了在節點設計中采用低功耗硬件之外，主要以下三個方面來考慮節能：

1) 接受信號強弱來決定發射功率

通過上面的分析，通信模塊是耗能的主要部分。首先從發射功率入手，由于網絡中傳感器是隨機分布，不可能完全均勻，傳感器節點可以在初次發射無線電波，通過相互接受的信號強弱，給出合理的發射功率以節省能量。

2) 提高數據的融合度

數據采集以后，要通過處理器模塊對數據融合打包，尤其在骨干節點，必須把下面的所有節點所采集的信息融合打包，形成數據流，由通信模塊傳輸。提高數據的融合度，減少數據流的長度，節省發射的時間以達到節省節點能量的效果，這是降低單個節點能耗的有效途徑之一。

3) 動態電源管理

通過動態電源管理 (Dynamic Power Management， DPM)等技術使系統各個部分都運行在節能模式下也可以節約大量的能量。最常用的電源管理策略是關閉空閑模塊，在這種狀態下，無線傳感器節點或其一部分將被關閉或者處于低功耗狀態，直到有令其感興趣的事件發生。DPM 技術的核心問題是狀態調度策略，因為不同的狀態有不同的功耗特征，同時狀態切換也有能量和時間開銷。

4.2 整個網絡節能優化

網絡節能優化主要從網絡整個全局來看待整個系統的節能。

1) 睡眠調度機制

在二維平面上，傳感器節點的傳感范圍通常是以傳感器節點為圓心，r為傳感半徑的覆蓋圓盤。由于網絡中傳感器節點的分布通常具備隨機性和密集性，許多節點的傳感范圍之間會出現交疊，因此會導致覆蓋冗余節點 (覆蓋冗余節點是指進入不工作的休眠狀態也不會影響網絡整體覆蓋效果的節點)的出現在同一塊區域內，可以在這一區域內，讓部分節點在一段時間內處于休眠狀態，通過睡眠調度機制在適當時候進行喚醒，使區域內的節點輪流休眠，達到節省能量延長網絡壽命的效果。

2) 選擇最優傳輸路線

對整個傳感器網絡而言，需要從全局上考慮所有采集信息從各個數據源出發最終匯集到網關中心，是如何在源和目的地之間找到一條節能的多跳路由成為問題的關鍵。最簡單的節能路由協議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過它傳送數據。但這樣未必能延長網絡的生存時間，因為某些處于關鍵位置的節點可能被過度使用而導致電源過早耗盡.為避免這種情況，使得各個節點的能量相對消耗均衡，更多的考慮了骨干節點電池的剩余電量，所以最終的最優傳輸路線的選擇是總能量最小消耗和各個節點均衡消耗相結合，動態的變化和選擇形成最優傳輸路線。

5 結束語

隨著目前對無線傳感網絡的深入研究，在未來生活中必將得到廣泛應用，對人們生活方式產生巨大影響。延長無線傳感網絡的使用壽命是目前無線傳感網絡研究的熱點。本文從無線傳感網絡能耗特點出發，具體分析的節點各個模塊的功能及能耗情況，從節點個體和整個網絡兩個層面分別提出節能的策略，實現延長無線傳感網絡的生命周期目的。

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