無線傳感器網絡的節能策略研究

【摘要】 無線傳感器網絡是由部署于一定監控區域內的大量微型傳感器節點構成，以無線通信方式進行數據傳輸的一種多跳自組織網絡系統，其在工業控制、搶險救災、環境監測、目標跟蹤等眾多領域應用前景廣闊。然而傳統傳感器節點能源存在著有限性，一旦電池能耗完則其節點便失去相應作用。為此，需要采取相應的節能策略，以確保無線傳感器網絡運行的穩定性與綜合效益。

【關鍵字】 無線傳感器 網絡 節能

一、無線傳感器網絡及其節點構成的基本認知

無線傳感器網絡是由大量傳感器節點構成，在其網絡系統中，采取人工或飛行器埋設方式，按照實際需求將傳感器節點布置于監測區域內，采取自組織形式進行節點網絡構建。節點在無線傳感器網絡系統中承擔著信息采集與傳輸任務，同時承擔著路由角色，節點作業所采取的數據信息則通過多條路由傳輸給匯聚節點。

匯聚節點屬于無線傳感器網絡特殊節點，其具備較強的信號發射能力，能夠通過移動網絡通信、Internet或衛星等，將監測區域范圍內數據遠程傳輸給管理中心，實現數據收集與處理任務。

傳感器節點屬于無線傳感器網絡的基礎部分，其節點以電池為能源，一旦電池消耗殆盡，則節點無法進行信息采集工作。

為確保網絡傳感器節點運行長期穩定，則需要采取節能策略以提高節點工作壽命。典型傳感器節點主要包括四個部分，分別為感知子系統、處理子系統、通信子系統及功能單元系統。

傳感器節點在工作中其耗能存在著一定差異性，如通信子系統較之處理子系統能耗更多，通信子系統進行一個比特數據的傳輸則相當于處理子系統完成數千個指令處理所消耗能量。

在睡眠狀態下，通信子系統能耗水平較低。一般情況下感知子系統具備較低能耗，但如感知器精度要求較高，則其能耗水平增加。為確保無線傳感器網絡運行質量，提出基于工作周期、基于移動性與基于數據驅動的三種節能策略。

二、基于工作周期的無線傳感器網絡節能策略

在無線傳感器網絡中，節點狀態分為睡眠與活動兩種，其中活動狀態即屬于無線傳感器網絡節點的工作周期，建立于工作周期基礎之上的無線傳感器網絡節能策略，主要以降低通信子系統能耗為目的，其節能策略分為能量控制策略與拓撲控制策略。

2.1能量控制策略

依據網絡流量運行狀況，進行通信子系統周期性睡醒狀態切換，是實現能量控制策略的基本思路。能量控制策略，進行通信子系統喚醒，其主要包括三種方式，分別為依據要求的睡醒協議喚醒、異步喚醒協議與依據約定的睡醒協議。

2.1.1依據要求的睡醒協議

其中依據要求的睡醒協議，要求通訊節點只有在執行通信活動時方保持工作狀態，其他時間則進入睡眠狀態。為有效解決睡眠可節點喚醒并保持與其節點通信，可以采取喚醒無線電形式來實現。

喚醒無線電多采取低能量與低速率無線電，進行喚醒指令的有效傳達。當無線電喚醒節點后，節點進入工作狀態并保持通信，打開高能量與高速率無線電，執行數據傳輸工作，當數據傳輸結束后，節點重新進入到睡眠狀態。這種節能策略在低工作周期環境中較為適用，如火災探測與信息傳輸等領域，具備代表性意義的協議包括STEM-B、PTW、STEM-T等。

以STEM-B協議為例，對其喚醒工作方式進行探究。在源節點與附近目的節點需要進行通信時，采取喚醒無線電方式進行周期性喚醒信號發送，當目標節點接收到喚醒信號后，則會與系統進行喚醒確認，確認后打開數據無線電。如在喚醒操作過程中，喚醒信道出現沖突，任何感知到喚醒信號的節點則都將其無線電打開，不進行喚醒信號確認；如系統沒有接收到喚醒確認，源節點將在設置發送次數最高值以內持續發送喚醒信號。

2.1.2異步喚醒協議

異步喚醒協議實現的基礎為：無線傳感器網絡每個節點，均設置有相應的睡醒調度函數，從而進行睡醒時間表產生。不需要進行時鐘考慮，相鄰節點如需進行相應通信，只需要進行重疊喚醒時間表即可實現。其協議以異步算法設計為核心，異步算法則確保節點通信需求的基礎上，將節點活動時間進行最小化處理，并確保節點滿足網絡拓撲及碰撞等特殊情況，如RAW協議。

RAW協議，以睡眠調度函數為依托，對節點進行周期性喚醒，節點喚醒后進入工作狀態，在一定時間后重新進入睡眠。當節點被成功喚醒后，以鄰居發現機制進行活動鄰居尋找，如S節點需要向D節點進行數據包發送作業，S節點轉發集中存在著m個鄰居可以進行轉發，其中存在與節點S一起被喚醒的概率，用公式表達則為：

通過公式可以看出，當m值越大時，P概率值越大，其在高密度感知網絡中應用較為廣泛。

2.1.3依據約定的睡醒協議

依據約定的睡醒協議，其是將鄰居節點進行同一時間設定被進行喚醒，其時間設定同步，當節點喚醒后進行通信作業。采取這種協議方式，可實現鄰居廣播信息傳遞，較為典型的協議包括DMAC、SMAC、TMAC協議等。

2.2拓撲控制策略

應用無線傳感器網絡節點冗余，實現網絡節點壽命延長是拓撲控制策略的基本思路。在其節能策略中，要求選擇節點的一個子集，確保該子集通路正常并處于工作狀態，其他節點則保持睡眠狀態。

以GAF協議為例，將區域內節點感知區域劃分為一定虛擬式方格，其節點路由等效，同一時間保持一個路由即可。GAF協議則對節點頭進行周期性選擇，并讓其承擔一定的路由任務。剩余能量愈多節點，其被設定為節點頭的可能性越高，從而確保整個無線傳感器網絡生命周期與節點密度保持一致。

三、基于移動性的無線傳感器網絡節能策略

無線傳感器網絡依據移動物體特性，構建移動性節能策略，其策略包括移動MS策略與移動中繼MR策略兩種形式。建立于移動性的無線傳感器節能策略，讓普通節點采取一跳或若干跳的方式，將數據傳輸給移動relay或移動sink，實現了靜態網絡多跳數據傳輸的突破，從而在很大程度上降低了轉發次數與連接錯誤，進而實現節能操作。

3.1 MS策略

MS移動性節能策略在無線傳感器中的應用結構圖如下所示：

圖1 應用MS策略的無線傳感器網絡結構示意圖

由圖1可見，網絡結構劃分普通節點層與MS層，普通節點層進行數據感知，MS層執行數據收集。應用該策略時，要求在其區域內設定候選地點并選擇出哨兵節點，通過哨兵節點進行附近節點能量信息的捕獲，在接收到MS詢問信號后將捕獲信息傳輸給MS，依據剩余能量信息MS選擇節點能量較多地點作下一次移動目的地。MS策略在應用中其目的地停留時間經過精確計算，在平衡能量消耗的同時可以實現無線傳感器網絡壽命最大化。

3.2 MR策略

在無線傳感器網絡中應用MR策略，其網絡結構示意圖如圖2。

該策略下無線傳感器網絡結構分三層，分別為普通節點層，執行數據感知作業，第二層為MR層，承擔著數據收集與數據中轉工作，將獲取數據傳輸給AP，第三層屬AP層，承擔MR數據接收工作，并將所收集的數據信息與sink節點進行同步。

圖2 應用MR策略的無線傳感器網絡結構示意圖

四、基于數據驅動的無線傳感器節能策略

基于數據驅動的無線傳感器節能策略主要包括數據預測及高效能數據采集兩個模塊，其在降低感知子系統能耗方面應用廣泛。

4.1數據預測

通過數據預測，可以將源節點發送給sink節點的數據量進行有效降低，從而在很大程度上降低通信子系統能耗。在低階AR基礎上進行PAQ數據預測模型構建。在布置傳感器初期，感知節點執行數據采樣，并將其采樣值進行隊列存儲，當隊列存儲滿之后，感知節點以時間序列進行PAQ模型計算，并將該模型向sink節點發送。感知節點數據采集與模型預測數據執行對比，如預測值符合標準要求則認定模型有效，如預測值偏差較大，則應更換模型。采取這種工作方式，只要求感知節點向sink節點傳遞PAQ模型，無需進行采樣值傳輸，從而實現了無線傳感器節能。

4.2高效能數據采集策略

提高數據采集效率，能夠有效降低采樣數量并降低感知子系統能源消耗。較為典型的高能效數據采集策略如Backcasting，其策略應用空間聯系進行采樣數量控制。其策略要求在節點間采樣值差異偏大的區域范圍內，將更多節點激活并進行感知。因一定區域內開始節點處于睡眠狀態，實現節點激活需經過以下操作：第一，進行部分節點激活，并將部分節點作為初始化節點子集，通過部分節點進行環境感知并劃定子區域，子區域節點自組織成簇，由簇頭進行節點激活評估并將評估結果發送給sink節點；第二，當區域內空間聯系降低時，sink節點發送激活信號給簇頭，按照信號要求簇頭將區域內相應節點進行激活。

五、結語

無線傳感器網絡在搶險救災、環境監測、目標跟蹤及工業控制等領域應用十分廣泛，其是由大量微型傳感器節點構成，節點以電池為基礎能耗，一旦能耗殆盡則無法實現其相應功能。為此，進行無線傳感器節能策略研究則具備著重要的現實意義。在分析無線傳感器網絡及其節點構成的基礎上，提出基于工作周期、基于移動性與基于數據驅動的三種節能策略，并對其策略工作模式及工作協議進行探究。實踐證明，采取綜合的節能策略，能夠有效提高無線傳感器網絡生命周期，實現更好的現實效益。

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