無線傳感器網絡中影響能源消耗的因素的研究

摘要：在傳感器網絡中，電源能量是各個節點最寶貴的資源。為了使傳感器網絡的使用時間盡可能地長，必須合理有效地利用能量。該文從無線傳感器網絡的體系結構出發，對影響網絡能源消耗的因素進行了研究。

關鍵詞：無線傳感器網絡；能源消耗；因素

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)30-0742-03

Studying of the Factor that Affects the Energy Consume in the Wireless Sensor Network

TIAN Wang-lan

(Hunan City University， Yiyang 413000， China)

Abstract: In the sensor network， the power energy is the most precious resource of each node. Be as far as possible long for making a sensor network， we must make use of energy rationally effectively. The main body of this text has set off from network system structure of a wireless sensor， and has studied the factor affecting the energy consume in a network consumes.

Key words: the wireless sensor network; energy consume; factor

1 引言

無線傳感器網絡是當前在國際上備受關注的涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協作地實時監測感知和采集各種環境或監測對象的信息，這些信息通過無線方式被發送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端，從而實現物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通。傳感器網絡具有十分廣闊的應用前景，在軍事國防、工農業、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區域遠程控制等許多重要領域都有潛在的實用價值，已經引起了許多國家學術界和工業界的高度重視，被認為是對21世紀產生巨大影響力的技術之一。

本文從無線傳感器網絡的體系結構出發，對影響網絡能源消耗的因素進行了研究。

2 無線傳感器網絡體系結構

網絡體系結構是網絡的協議分層以及網絡協議的集合，是對網絡及其部件所應完成功

能的定義和描述。對無線傳感器網絡來說，其網絡體系結構不同于傳統的計算機網絡和通信網絡。通過總結大量文獻的研究工作，并結合自己的體會，本文采用了如圖1所示的網絡體系結構框架[1]。該網絡體系結構由分層的網絡通信協議、傳感器網絡管理以及應用支撐技術3部分組成。分層的網絡通信協議結構類似于TCP/IP協議體系結構；傳感器網絡管理技術主要是對傳感器節點自身的管理以及用戶對傳感器網絡的管理；在分層協議和網絡管理技術的基礎上，支持了傳感器網絡的應用支撐技術。下面重點描述能量管理的功能以及其相關研究的最新進展。

能量管理：在傳感器網絡中，電源能量是各個節點最寶貴的資源。為了使傳感器網絡的使用時間盡可能地長，必須合理有效地利用能量。傳感器網絡的能量管理部分控制節點對能量的使用。

節點是無線傳感器網絡的基本功能單元，傳感器節點的基本組成模塊有傳感單元、處理單元、通信單元以及電源部分。節點的結構見圖2。典型的節點有Berkeley Motes，Intel iMote[2]，ICTCAS/HKUSTBUDS[3，4]，SmartMesh Dust mote等。

3 網絡能源消耗因素的研究

由于傳感網絡應用的特殊性，使得其能源不可能來自工業電源，而只能求助于自身傳輸或自然界的給予，目前使用的大部分都是自身存儲有限能源的化學電池，采用什么能源，采取什么樣的供電方式尤為重要。因此，如何高效使用電池，延長電池使用壽命就成為無線傳感器網絡技術面臨的首要挑戰，目前主要解決方法是采用休眠機制，即節點在沒有事件發生時盡快進入休眠狀態，而在有事件發生時及時自動醒來并喚醒鄰居節點，形成數據轉發的拓撲結構?；陔姵毓╇姷膫鞲衅骶W絡通常運行在火山地帶、戰區等人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環境之中，網絡節點的電源更換或再充電等工作通常無法進行。廣泛分布于被測環境的傳感器節點既要負責收集敏感數據，又要完成數據傳輸的路由等功能。因此，網絡節點電源的無法替換性使能量消耗問題相對于傳感器網絡的其他關鍵技術而言尤為重要，而找到影響能源消耗的因素則成為解決能源消耗問題的有效途徑。

3.1 傳感子系統的檢測事件

理想情況下，傳感子系統自動檢測周期性和非周期性兩類事件時[5]，其能量消耗總量可簡單概括為單次采樣消耗的能量與采樣次數的乘積。因此，要控制該子系統的能量消耗必須從以下兩個方面進行：一是控制單次數據采樣所消耗的能量，二是控制采樣頻率。前者可通過采用低功耗器件，從元器件本身有效控制單次數據采樣的能量消耗，對于后者而言，由于傳感器網絡眾多分布節點中往往是成組節點去檢測相同的對象或敏感數據，有選擇性地減少單個節點的采樣頻率并不會對被測數據有效性和完整性造成破壞，只要依據應用需求合理設置節點采樣任務的激活原則，就能在保證數據準確性的前提下，較好地控制該子系統的能量消耗。

3.2 通信子系統的通信任務

由無線收發部件構成的通信子系統負責節點的通信任務。無線收發部件采用的調制模式、數據率、發射功率和操作周期等都是影響通信子系統能量消耗的關鍵因素，另外，由于通信元器件本身的物理特性等原因，通信子系統即使處于空閑期，也有著與接收期幾乎相近的能量消耗，因此，在沒有通信任務時，應盡可能地使通信子系統進入休眠期，而不是讓其處于空閑期。[6]

短距離無線通信和減少網絡通信流量是通信子系統能量消耗控制的主要手段。傳感器網絡中普遍采用的級跳通信就是通過縮短通信距離，降低發射功率的方法實現能量節省的；數據融合則是通過減少網絡流量達到降低能量消耗的目的。

數據冗余是保證即使個別節點或部分通信鏈路失效時，基站仍能獲取完整數據的有效手段；然而，直接傳輸原始數據則會嚴重增加網絡通信量，造成大量無為的能源消耗。簇首數據融合是消除冗余數據，減少網絡通信量的有效手段之一。傳統的簇首數據融合方式中 簇首節點接收簇內各節點傳來的數據，然后通過內容檢查并消除冗余后將結果數據上傳基站。此種方式僅是降低了數據路由過程中的能源消耗，對簇內數據傳輸的節點能源消耗問題沒有影響。

從現有技術條件來看，值得考慮的是節點成本和能源補給。節點不可能采用太高的頻率，因為頻率與能量的消耗是正相關的，頻率高則能量消耗大。另外無線電通信模塊能量消耗也大，傳送距離同能量消耗也是正相關的，因而須在發送距離和節點數之間做出權衡。

傳感器無線通信模塊的頻段選擇對于整個傳感器節點的數據收發、中轉、傳輸都將產生重要影響，無線通信特有的空間獨占性決定了頻段選擇十分重要。所以，設計無線收發模塊時必須考慮這一因素。

收發芯片最好選擇工作在ISM頻段。2.4GHz是唯一全球通用的ISM頻段。其他頻段還有900MHz～928MHz（只適用于美洲大陸）和868MHz ～870MHz（歐洲大部分地區）。從這方面考慮，CC1000芯片是不錯的選擇，它支持多個載波頻率，其中包括868MHz和915MHz兩個屬于 ISM頻段的基本調制頻率 [7]。

3.3 虛假數據包

傳感器網絡節點無人值守、資源有限的固有特性，使其遭受的攻擊范圍和形式更加多樣化。與常規的資源消耗攻擊有所不同，能源攻擊即是針對節點能源的有限性，不以消耗節點的計算和存儲資源為目的，而是著重消耗節點的能量。攻擊者利用侵入節點，向網絡注入大量的虛假數據，致使節點，尤其是路由節點，在大量的數據通信中耗盡能量失敗，從而導致整個網絡癱瘓。由此而言，入侵者的首要目的是消耗路由節點的能量，其注入的虛假數據的傳送距離越遠，影響的節點數就越多，由于入侵者可能獲得侵占節點的完全控制權，標準的驗證機制對這類網絡內部攻擊的行為是沒有作用的。

在網絡中發送洪泛信息將消耗大量的能源，甚至可能造成網絡的擁塞，使異構無線傳感器網絡無法完成傳感數據的傳送。因此，研究高效、動態地匯聚、分發和更新網絡資源狀態信息的協議對異構無線傳感器網絡是非常重要的。

為盡早檢出和丟棄由被攻擊節點注入的虛假數據包，以達到安全需要和降低由此產生的能源消耗，文獻[8]將交互驗證的思想進一步擴展，在簇首節點到基站的數據傳送鏈路上各個節點間建立關聯關系，如圖3所示，從而所有節點以一種交錯的逐跳方式驗證其要傳遞的數據包。[6]只有t＋1（t是設定的安全上限，取簇內的節點數）個節點全部通過認證，數據包才能被傳遞到基站，因此，只要被攻擊的節點數小于等于t，基站或沒有被攻擊的節點就能檢測出并丟棄由入侵者注入的虛假數據包。

3.4 傳感器網絡軟件、硬件的設計

設計傳感器網絡軟件、硬件各個層面的能量消耗問題至關網絡生命周期。從網絡構成及其運行過程而言，節點各個子系統的能量消耗又相互影響，此消彼長，針對單一子系統的能量消耗控制策略并不能從根本上解決問題。因此必須結合網絡的應用環境，從器件選擇、數據處理算法的有效性和復雜性、數據通信量和網絡運行機制等方面兼顧各個子系統的功能特點和性能要求，整體上評估能量消耗問題，必要時甚至適當降低性能標準，以設計相應的消耗控制策略，有效延長網絡生命周期?？傮w上而言，傳感器網絡能量消耗控制策略應著重從器件本身的功耗特殊性、休眠進入原則、縮短通信距離和減少網絡流量這幾個方面進行量化和設計。

還可通過適當降低網絡或節點的性能來控制節點能量消耗，以有效延長網絡的生命周期。

鏈路層負責數據流的多路復用、數據幀檢測，媒體接入和差錯控制等，保證了傳感器網絡內點到點和點到多點的連接。本層采用了超低功耗的802.15.4的無線數據通信協議，即ZigBee協議。ZigBee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術，具有3個工作頻段，分別為700MHz， 866MHz、2.4GHz，劃分為16個信道，數據傳輸速率為250Kbit/s，用ZigBee技術組成的無線傳感器網絡結構簡單、體積小、成本低、功耗低，適合作為無線傳感器網絡的數據節點。

自組織的簇生成、傳輸數據的加密/解密以及通信鏈路的建立和維護等，都是通過執行相應的指令序列來完成的，算法越復雜，指令條數就越多，消耗的能量也就越大。然而，算法是有效性、可靠性和復雜性的矛盾統一體，有效、可靠的算法往往具有較高的復雜性；簡單算法的有效性、可靠性則可能不適應于應用需求。應用環境的多樣性和不確定性，使得軟件算法的能量消耗遠比硬件的能量消耗控制困難，既要滿足應用環境的需求，還要盡可能降低軟件算法的復雜性。

3.5 傳感器節點的集成度[7]

傳統的傳感平臺主要傳感的物理量局限與聲、光、熱、濕度、磁力和加速度等，而隨著無線傳感技術的興起，以及應用領域的不斷擴大，迫切需要傳感器能夠感知更多的物理量，這就要對傳感平臺進行擴展，在系統設計中可以加入更多的傳感檢測電路，例如，對于煙霧濃度、范圍、甚至所觀測到的視頻的傳感等。當然，這需要系統首先預留擴展接口，另外，增加的部分必須高度集成化，更不能占用過多的系統能源。

隨著集成電路工藝的進步，傳感器節點的集成度已經達到相當高的水平，但由于傳感器網絡應用的特殊性，要求傳感器節點在某些場合應用時必須小到人類不容易發現的程度，因此，傳感器節點的集成度必須進一步提高，設計傳感器節點時，首先要考慮處理芯片的大小，因為處理器芯片的大小往往就決定整個節點的大小，所以應該選擇體積盡量小的處理器芯片，在進行電路設計時，應在不影響電路效果的前提下，盡量減少線路條數。

4 結束語

從網絡構成及其運行過程而言，節點各個子系統的能量消耗又相互影響，此消彼長，針對單一子系統的能量消耗控制策略并不能從根本上解決問題。因此必須結合網絡的應用環境，從器件選擇、數據處理算法的有效性和復雜性、數據通信量和網絡運行機制等方面兼顧各個子系統的功能特點和性能要求，整體上評估能量消耗問題，必要時甚至適當降低性能標準，以設計相應的消耗控制策略，有效延長網絡生命周期?？傮w上而言，傳感器網絡能量消耗控制策略應著重從器件本身的功耗特殊性、休眠進入原則、縮短通信距離和減少網絡流量這幾個方面進行量化和設計。然而到目前為止，傳感器網絡的能量有效性還沒有被模型化和量化，也不具有被普遍接受的標準，需要更進一步地深入研究。

參考文獻：

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