無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗技術(shù)研究

姚剛　胡博

【摘要】 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱WSN）是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。本文介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗技術(shù)的發(fā)展歷程，并對(duì)技術(shù)分支進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 低功耗 節(jié)能 技術(shù)分支

一、引言

在現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案中，節(jié)點(diǎn)都是使用電池供電，因此其能源是受限制的。并且由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域中，網(wǎng)絡(luò)大多工作在人跡罕至的區(qū)域或者高風(fēng)險(xiǎn)的惡劣環(huán)境中，更換電源幾乎是不可能的事，這就要求網(wǎng)絡(luò)在工作時(shí)功耗要小，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的壽命，盡最大可能地節(jié)省電能的消耗。

二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗專利的研究趨勢(shì)分析

2.1節(jié)能方法申請(qǐng)量分析

對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行節(jié)能的方法多種多樣，可以從多個(gè)角度來(lái)對(duì)能耗進(jìn)行優(yōu)化。其中對(duì)路由算法的改進(jìn)，對(duì)MAC協(xié)議的改進(jìn)，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)母倪M(jìn)，是使用比較多的方法。對(duì)路由算法的改進(jìn)，主要是通過(guò)對(duì)分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將分簇網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，對(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)路由路徑進(jìn)行優(yōu)化等。對(duì)MAC層協(xié)議的改進(jìn)，主要是對(duì)S-MAC層協(xié)議的改進(jìn)。而對(duì)硬件的改進(jìn)，也是業(yè)界用來(lái)對(duì)能耗進(jìn)行優(yōu)化的主要方法。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方方面面都會(huì)影響到能耗，所以可有多種細(xì)化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化。

2.2對(duì)MAC層協(xié)議的改進(jìn)方法的發(fā)展歷程分析

1、對(duì)MAC協(xié)議的改進(jìn)最初是由葉偉提出，它最早由參考文獻(xiàn)“An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”（W.Ye，J.Heidemann，and D.Estrin，IEEE INFOCOM，June 2002）提出。

2、2008年5月20日，浙江大學(xué)提出了一種低負(fù)荷無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層監(jiān)聽(tīng)休眠方法，通過(guò)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)使用同步睡眠喚醒機(jī)制、短前導(dǎo)包、偽前導(dǎo)域機(jī)制和二段信道載波監(jiān)聽(tīng)，使得節(jié)點(diǎn)的空閑時(shí)間減少，睡眠時(shí)間大為增加，同時(shí)調(diào)度表只記載本節(jié)點(diǎn)的剩余時(shí)間域，從而大大提高了節(jié)能率，達(dá)到了超低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3、2011年3月7日，杭州電子科技大學(xué)提出了一種無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)時(shí)間同步的低能耗休眠偵聽(tīng)方法。在新節(jié)點(diǎn)建立相對(duì)同步表階段，新節(jié)點(diǎn)首先廣播請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)包，獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的同步信息；然后估算時(shí)鐘偏移，并對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)的多組同步信息進(jìn)行線性擬合，估算時(shí)鐘漂移；最后將鄰居節(jié)點(diǎn)的休眠周期和估算的時(shí)鐘偏移、時(shí)鐘漂移保存在相對(duì)同步表中。

4、2012年04月18日，東南大學(xué)提出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)流量負(fù)載傳輸方法，使用兩種不用的調(diào)度時(shí)間表，發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)度表和接收節(jié)點(diǎn)通信詢問(wèn)調(diào)度表，完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)突發(fā)流量負(fù)載應(yīng)用的數(shù)據(jù)低功耗快速傳輸，利用發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送調(diào)度表，實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞的通信環(huán)境，降低能耗。

三、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能研究最近一直處于熱門狀態(tài)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能相關(guān)的專利申請(qǐng)量也是逐年遞增，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能的方法也是從各個(gè)角度著手，未來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗勢(shì)必越來(lái)越低。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張大蹤，楊濤，魏東梅.“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計(jì)綜述”.傳感器與微系統(tǒng)，第25卷，第5期，2006.

[2] Peng，Y.G.，Li，Y.L.，Lu，Z.C &J.S.Yu，“Method for saving energy in Zigbee network”，Wireless Communications，pp.24-26，September 2009.