無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效策略研究與分析

摘要：實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點問題和基本問題。該文先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了能耗分析，然后分別從單個節(jié)點、整個網(wǎng)絡(luò)的角度出發(fā)總結(jié)了目前已有的能量高效策略，提出了能量高效的傳感器節(jié)點設(shè)計、能量高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；能量高效；節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)23-934-02

Wireless Sensor Networks Energy Efficient Strategy for Research and Analysis

ZHANG Shun-li， ZHANG Yue

(Information Science and Technology College，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China)

Abstract: It is a hot point and basic problems to achieve energy efficient of wireless sensor networks.Firstly，the thesis analyzes wireless sensor networks of the energy consumption， and then from a single node， the entire network point of view summs up the current energy efficiency strategy. Lastly， the thesis proposes energy efficient design of the sensor nodes， energy efficient design of sensor networks.

Key words: wireless sensor networks; energy efficient; node; networks

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前一個重要的研究領(lǐng)域，在軍事和民用方面都有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，例如環(huán)境監(jiān)測、場景重構(gòu)、運動跟蹤、運動探測、戰(zhàn)場監(jiān)督、遙感和全球定位等。然而，在發(fā)展的過程中，也遇到一些約束及挑戰(zhàn)，其中能量有限可以說是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個“瓶頸”。實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點問題和基本問題。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗可以分別從宏觀與微觀角度進(jìn)行分析，即：傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗分析與傳感器節(jié)點能耗分析。

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗分析

從整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來看，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的發(fā)射功率，不僅影響本身的能量消耗，而且影響網(wǎng)絡(luò)的無線通信質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、路由計算量。

盡管目前已經(jīng)在無線網(wǎng)絡(luò)做了大量的研究，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)有很大的區(qū)別，主要表現(xiàn)在兩個方面：首先有基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)是一個非常不對稱的結(jié)構(gòu)，盡管每一個移動節(jié)點電源能量有限，但是它的基站是沒有能量限制的，對于這類無線網(wǎng)絡(luò)，通常是通過犧牲基站的能量來節(jié)約移動節(jié)點的能量，這類方法對于每一個節(jié)點都能量有限的且沒有基礎(chǔ)設(shè)施的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)顯然是行不通的；其次，在一般的有基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)，移動節(jié)點之間彼此沒有直接的通信。每個節(jié)點都是通過基站獲得服務(wù)或者與其他節(jié)點通信，移動節(jié)點的能量管理只需要考慮到本地應(yīng)用，而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點間的依賴性非常高，節(jié)點之間必須通過合作來形成路徑和提供其它服務(wù)，因此延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)比延長單一節(jié)點壽命重要的多。因此貪心算法——每一個節(jié)點都尋求最小化自己的能耗對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說不是有效可行的。

2.2 傳感器節(jié)點能耗分析

從單個的無線傳感器節(jié)點來看，傳感器節(jié)點包括四部分：電源，數(shù)據(jù)感知部件（傳感器模塊），數(shù)據(jù)處理部件（處理器模塊），數(shù)據(jù)傳輸部件（無線通信模塊）。其中消耗能量的模塊包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的功耗都很低。絕大部分能量消耗在無線通信模塊上，而無線通信模塊可以處于發(fā)送、接收、空閑或睡眠四種狀態(tài)，空閑狀態(tài)就是監(jiān)聽無線信道上的信息，但不發(fā)送或接收。睡眠狀態(tài)就是無線通信模塊處于不工作狀態(tài)，無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)下能量消耗最大，在空閑狀態(tài)和接受狀態(tài)的能量消耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗，在睡眠狀態(tài)下的能量消耗最少。當(dāng)傳感器節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)時，無線通信的能量消耗與通信距離的關(guān)系為：

E=kdn

其中d為發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離，參數(shù)n為信號消減因子，一般為2到4之間的實數(shù)。如果考慮周圍部署環(huán)境及天氣情況影響，通常n取3。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效途徑分析

由上面的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗分析，可以看出要實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效，可以從兩個方面考慮：

一方面是提高整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期，可以從以下方面著手：優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議（路由協(xié)議、MAC協(xié)議）、實行良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂疲p少活動節(jié)點（通過選取覆蓋集，交替實行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，剩余節(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)）。

另一方面是降低單個傳感器節(jié)點的能量消耗，特別是降低節(jié)點的無線通信模塊的能量消耗。這可以從以下方面著手：減少通信時間（不活動的時候節(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)）、減少通信流量（通過數(shù)據(jù)融合減少冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送）、減少發(fā)送節(jié)點的發(fā)送功率（減少單跳通信距離，使用多跳短距離無線通信方式）。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效策略

從前面的分析可以看出，要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的能量高效，最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期，就必須采取策略既要盡量節(jié)約單個節(jié)點的能量消耗，更要有整體思維，從網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)來最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期。我們可以有以下能量高效策略：能量高效的傳感器節(jié)點設(shè)計及能量高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

4.1能量高效的傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點主要由電源、傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊四部分組成，而節(jié)點的能耗主要來自處理、無線通信、傳感三個操作。因此，可以對這三個模塊分別實現(xiàn)能量高效設(shè)計。

4.1.1 能量高效的數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

在數(shù)據(jù)處理模塊中，除了采用低功耗的硬件設(shè)計外，我們可以采用動態(tài)電源管理DPM和動態(tài)電壓調(diào)整DVS來實現(xiàn)單個節(jié)點的能量高效。

1)動態(tài)電源管理DPM。即當(dāng)節(jié)點周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)（即睡眠狀態(tài)）。

2)動態(tài)電壓調(diào)整DVS。即當(dāng)計算負(fù)載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率從而降低處理能力，可以節(jié)約微處理器的能耗。

4.1.2 能量高效的無線通信模塊設(shè)計

由2.2中分析可知，節(jié)點中能量絕大部分消耗在無線通信模塊上。因此考慮提高無線通信模塊的能量使用效率對于提高整個傳感器節(jié)點的能效有著非常重要的作用。在無線通信模塊中，我們可以采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)、多跳短距離無線通信、工作狀態(tài)控制來實現(xiàn)單個節(jié)點的能量高效。

4.1.3 能量高效的傳感器模塊設(shè)計

傳感器模塊用于感知周圍環(huán)境，將周圍環(huán)境的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)輸出可以分為模擬和數(shù)字兩類。在傳感器模塊中，可以采用信息過濾和數(shù)據(jù)融合來實現(xiàn)單個節(jié)點的能量高效，信息過濾或數(shù)據(jù)融合技術(shù)減少了感應(yīng)的數(shù)據(jù)量，從而減少了傳感器模塊的能量消耗。

4.2能量高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

由于延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)比延長單一節(jié)點壽命重要的多，因此更多的時候我們是從整個網(wǎng)絡(luò)的角度出來實現(xiàn)能量高效，有的時候甚至通過增加某些單一節(jié)點能耗來換取整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期的增長。目前主要從以下方面實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的能量高效：覆蓋控制、拓?fù)淇刂啤⒛芰扛咝У穆酚蓞f(xié)議、能量高效的MAC協(xié)議、數(shù)據(jù)融合等。

4.2.1 覆蓋控制

在環(huán)境監(jiān)測這類無線傳感器應(yīng)用中，通常高密度部署大量的無線傳感器節(jié)點。由于節(jié)點密度高，某個目標(biāo)區(qū)域或目標(biāo)點可能被多個節(jié)點所覆蓋、監(jiān)測，稱為“覆蓋冗余”。這就造成了大量節(jié)點對同一目標(biāo)區(qū)域或目標(biāo)點重復(fù)覆蓋或監(jiān)測（感知），能量極大地浪費。網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制的主要思想是：利用節(jié)點的冗余性，通過節(jié)點調(diào)度、密度控制等機制，在不影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能條件下，讓一部分節(jié)點處于活動狀態(tài)，提供服務(wù)，另一部分則處于睡眠狀態(tài)，從而減少能量的消耗。

覆蓋控制按所覆蓋的目標(biāo)特點分類可以分為：區(qū)域覆蓋，點覆蓋，柵欄覆蓋。

4.2.2 拓?fù)淇刂?/p>

拓?fù)淇刂剖菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的核心技術(shù)之一。通過拓?fù)淇刂菩纬傻牧己镁W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠減小通信干擾、提高M(jìn)AC協(xié)議和路由協(xié)議的效率，特別是對于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的能量高效、延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期等具有重要意義。

傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频闹饕芯繂栴}是：在滿足一定網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的基礎(chǔ)上，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其主要目標(biāo)是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的能量高效、延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。目前對拓?fù)淇刂频难芯糠譃閮蓚€方面：節(jié)點功率控制、睡眠調(diào)度機制。

4.2.3 能量高效的路由協(xié)議

路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點，傳統(tǒng)路由協(xié)議在選擇最優(yōu)路徑，很少考慮節(jié)點的能量消耗，更多地考慮減少時延、提高網(wǎng)絡(luò)利用率、避免擁塞等，而在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點能量有限，路由協(xié)議的設(shè)計首要考慮是如何高效利用能量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不僅關(guān)心單個節(jié)點的能量消耗，更關(guān)心整個網(wǎng)絡(luò)能量的均勻消耗，避免部分節(jié)點過早耗盡能能量而影響整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的地位與功能是否一樣，可以將路由協(xié)議分為平面路由協(xié)議、層次路由協(xié)議。

4.2.4 能量高效的MAC協(xié)議

MAC(medium access control)協(xié)議決定無線信道的使用方式，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議重點考慮節(jié)點使用帶寬的公平性、提高帶寬的利用率和增加網(wǎng)絡(luò)的實時性不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計的首要考慮因素是如何高效的利用能量。如果設(shè)計不當(dāng)，串音(overhearing)、空閑偵聽(idle listening)、碰撞、控制信息過多等都會造成大量的能量、資源浪費，其中空閑偵聽是浪費能量的主要因素。由2.2中能耗分析可知，傳感器節(jié)點在睡眠時能耗最少，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議為了能節(jié)約能量，通常采用“偵聽/睡眠”交替的無線通信使用策略。

5 結(jié)束語

本文在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能耗分析的基礎(chǔ)上，提出了能量高效的傳感器節(jié)點設(shè)計、能量高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

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