無線傳感器網絡能耗問題研究

劉剛，劉昭斌，楊元峰

（蘇州市職業大學計算機工程學院，蘇州 215104）

0 引言

無線傳感網（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監測區域內大量靜止或移動的微型傳感器節點組成，傳感器節點監測的數據通過其他傳感器節點，以無線通信的方式逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳路由后到達基站（或網關），協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，最后通過互聯網或衛星把這些信息發送給網絡的管理者。在軍事、醫療、環境科學、空間探索等領域具有廣闊的應用前景[1]。

由于傳感器節點通常是部署在無人監測區域內，當傳感器節點的能量被耗盡，在無法更換電池或充電的情況下，該節點也就失效。因此，能耗是無線傳感網的一個致命問題。如何有效地節約節點能耗，延長網絡的生命周期，是無線傳感網研究中一個重要課題。

國內外學者針對無線傳感網能耗問題進行了廣泛的研究。在網絡層，Heinzelman W.B.等人[2]將網絡劃分為層次化的簇結構，按照簇頭選擇算法選取節點作為簇頭節點，其余非簇頭節點按照一定規則加入相應的簇中，簇內的非簇頭節點將感知數據發送給各自的簇頭節點，數據在簇頭節點經過融合之后轉發給基站，以達到降低網絡能耗的目的。X Fan等人[3]對其簇頭選擇方法進行了改進。

趙彤等人[4]綜合考慮傳感器網絡中節點鏈路接入、數據包傳輸能耗及節點剩余能量的基礎上，提出了一種自適應能耗均衡路由策略來延長網絡壽命。

在MAC層，Jung E.S.等人[5]通過在非必要時段關閉發射機或使得節點睡眠的方式，來減輕空閑偵聽功率或降低總沖突數來節省能耗。李方敏等人[6]提出了一種基于SMAC(Sensor-MAC)可適用于無線傳感器網絡的功率控制MAC（Media Access Control）協議，該協議在降低網絡能耗的同時保證了節點間通信的公平性。本文基于Contiki/Cooja平臺重點研究了不同網絡拓撲結構對無線傳感網絡能耗和壽命的影響。

1 無線傳感網的能量消耗

1.1 體系結構

無線傳感網典型的結構如圖1所示。節點具有傳感、信息處理和無線通信功能。這些節點既是信息的發起者，也是信息的轉發者。通過網絡自組織和多跳路由，將感知數據發送給網絡（或基站）。網關（或基站）再通過Internet、衛星或移動通信網與外部網絡互連[7]。

圖1 無線傳感網結構

無線傳感網一般具有大規模、自組織、硬件資源受限、電池容量有限等特點[8]。傳感器節點作為無線傳感網的重要組成元素，其組成結構包括傳感模塊、信號處理模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分，如圖2所示。節點的能量供應通常是由電池完成。

圖2 傳感器節點組成

1.2 能量消耗

由傳感器節點的組成可以看出，無線傳感網的能耗主要表現在以下幾個方面。

●數據感知能耗：數據的感知是通過傳感器采集的，因此這部分能耗主要是信號采樣和信號變換。

●數據處理能耗：數據處理主要完成數據的計算、分析、融合、狀態控制等。處理器性能和軟件算法的執行效率等是影響這部分能耗的主要因素。

●數據傳輸能耗：由于感知數據是經過功率放大器后在無線介質中傳輸的信號，因此這部分能耗主要包括無線收發器的調制解調、信號放大、空閑監聽等。

1.3 能量模型

無線傳感網在網絡層路由，MAC層信道監聽、碰撞檢測等引起的能耗，歸根結底都是在傳感器節點本身產生的。目前能耗模型的研究大多是基于對傳感器節點物理組成的度量[9]，傳感器節點的能耗模型[10]如圖3所示。

圖3 能耗模型

能耗可以表示為：

其中ETx、ERx分別是發送和接收k比特數據的能耗；Eelec是發送機電路能耗；εamp是功率放大器能耗；k是傳輸的數據分組大小；d是兩節點之間的距離。

1.4 影響因素

從公式（1）可以看出無線傳感網的能耗與節點間的距離、節點的發射功率、傳輸分組的大小、網絡路由協議等因素有關。

（1）節點間距離影響

WSN中數據的傳輸，可以采用大功率直接傳輸，也可以采用小功率以多跳的方式傳輸。無論采用哪種方式，都避免不了兩節點之間的直接通信。對于通信中的一條鏈路，在給定接收門限功率Pr時，成功接收數據的發射功率Pt為：

其中，K是常數；d是節點間距離；n是路徑衰落指數。由公式（2）可知，節點間距離越大，發射功率越大，能耗也就越大。

（2）節點跳數影響

從圖1的無線傳感網拓撲結構可以看出，感知數據以多跳的方式進行傳輸。設節點N1向節點Nm發送一個數據包，整個過程的總能耗為：

其中，Ehop-i是從節點Ni到節點Ni+1傳輸一個數據包的能耗。可以看出數據包在傳輸過程中經歷的跳數越多，其能耗越大。

（3）網絡規模影響

無線傳感網是由部署在監測區域的若干傳感器節點組成。每個傳感器節點都會消耗能量。顯然，在WSN中的傳感器節點越多，能耗也越大。因此，在保證服務正常運行的前提下，選擇恰當的節點數量，控制適當的網絡規模，也能有效的降低網絡能耗。

（4）路由協議影響

一般來說，選擇鏈路較好的路由路徑可以保證數據包傳輸的可靠性。進而避免因重傳而產生的不必要的能耗。另外，在路由路徑的度量時，可以考慮以能耗最小作為路由選擇度量的依據，從而節省節點能量，延長網絡壽命。因此，選擇有效的最小能耗路由協議能降低網絡能耗。

2 實驗與分析

Contiki是一個開源的、以事件驅動的操作系統，實現了低功耗、能量受限、內存受限的微型設備的互聯互通。為了研究影響WSN能耗的因素，本文選取Conti?ki/Cooja平臺，從節點間距離、傳輸條數、路由協議、網絡規模四個方面對WSN中的能耗問題進行四個仿真實驗。

仿真實驗選取1個基站節點，10個傳感器節點，隨機部署在100米×100米的區域內，傳感器節點的傳輸范圍設定為80米，進行20輪的數據采集。

實驗1：傳感器節點間距離對網絡能耗的影響

實驗1的網絡中10個傳感器節點都在一跳范圍內可以和基站節點進行直接數據傳輸。圖4是節點到基站間距為25米時以及節點到基站距離增大一倍后的能耗仿真結果。從圖4可以看出，節點間距離越大，能耗越大。

圖4 節點間距離對網絡能耗的影響

實驗2：傳感器傳輸跳數對網絡能耗的影響

為了能清楚展現數據傳輸跳數對網絡能耗的影響。實驗2的網絡中10個傳感器節點到基站的距離相同，將傳感器節點的傳輸范圍調至50米。拓撲結構如圖5所示。10個傳感器節點傳輸數據到基站時經過的跳數如圖6所示。圖7是不同跳數的節點在收集20輪數據時的能耗情況。

圖5 實驗2的網絡拓撲結構

圖6 各節點通信跳數分布

圖7 各節點的能耗情況

從圖7可見，數據采集過程中，采集路徑經過的跳數越多，能耗越大。

實驗3：路由協議對網絡能耗的影響

在網絡拓撲結構相同的情況下，實驗3分別采用基于跳數最少和能耗最小的路由協議進行仿真，來觀察不同路由協議對網絡能耗的影響，結果如圖8所示。

圖8 不同路由協議的網絡能耗

從圖8可以看出，基于能耗最小路由協議的網絡能耗大約是基于跳數最少路由協議能耗的50%。

實驗4：網絡規模對網絡能耗的影響

實驗4分別采用10和20個傳感器節點，在和基站一跳范圍內進行直接數據傳輸。能耗仿真結果如圖9所示。

從圖9可以看出，無線傳感網中節點數量越多，網絡能耗越大。20個傳感器節點的網絡能耗大約是10個節點網絡能耗的兩倍多。

圖9 不同網絡規模能耗

3 結語

本文對無線傳感網絡中數據采集時的能量消耗問題進行討論和分析。可以得出，WSN中的網絡能耗與節點間距離、傳輸路徑的跳數、網絡規模以及路由協議等多個因素有關。最后利用Contiki/Cooja仿真平臺，對不同影響因素下的能耗進行了仿真。實驗表明，由于節點的資源和能量有限，在WSN中進行傳感網節點部署時，節點間應選擇合適的距離，避免間距過大造成能耗過大；網絡路由協議也可采用基于能耗最小度量，并盡量減少路徑跳數；節點數量在滿足覆蓋度的要求下，移除冗余節點，進而延長網絡壽命。