無線多媒體傳感器網絡節(jié)能覆蓋的有效途徑分析

聶羅娜

摘要：在當前的研究過程當中，對目標環(huán)境進行全面的信息獲取需要借助無線多媒體傳感器網絡，其裝備包括傳感器、攝像機、麥克風等多種設備，這種具有計算和通信能力的節(jié)點以自組織方式形成感知網絡，可以對大信息量的媒體內容進行收集和處理，在不同的功能層次上具有問題解決能力。但無線多媒體傳感器網絡的主要問題在于節(jié)能效率和節(jié)能控制方案，本文也將圍繞這一部分的問題展開探索研究。

關鍵詞：無線多媒體傳感器;網絡節(jié)能;有效途徑

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）33-0091-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

進入新時代之后信息成為推動社會發(fā)展的主要，而無線傳感器網絡通過部署在監(jiān)測區(qū)域內的微型傳感器，形成無線通信網絡組織系統(tǒng)。通常情況下，無線傳感器的能量消耗絕大部分集中在無線收發(fā)的過程當中，呈現出聚集狀態(tài)。而網絡本身要采集大數據量的多媒體內容，相應的節(jié)能策略需要做出調整，針對無線傳感器網絡的特點和應用方式建立層間協作反饋機制。

1 無線多媒體傳感器的網絡架構

1.1 高能量網絡架構

在傳統(tǒng)的無線傳感器當中，一般有兩種類型的結構，包括平面結構和分級結構。平面結構當中所有節(jié)點的功能和地位在原則上不存在差異性安全性較高，且不需要任何維護就可以實現目的節(jié)點和原節(jié)點之間的聯系。但平面結構的主要缺陷在于網絡的可擴展性不足。為了進一步降低節(jié)省的能源消耗實現有效通信升級，分級網絡結構開始出現，各個不同的簇頭可以按照事先的指定要求合理工作。這種網絡結構的優(yōu)勢在于大規(guī)模節(jié)約網絡能耗并降低了數據傳輸量，由于各個成員節(jié)點在絕大多數時間內是處于通信關閉的狀態(tài)，但聯通網絡可負責長距離的路由和轉發(fā)，不僅不會影響到原有覆蓋范圍內的數據通信，同時也會大規(guī)模節(jié)省網絡能耗[1]。各個成員節(jié)點的數據在融合之后進行轉發(fā)，也可以減少數據通信量和網絡信息數量。所以無線傳感器網絡當中的節(jié)點能量大致相等，且傳感區(qū)域內的節(jié)點，剩余能量保持接近時，說明傳感區(qū)域能量同構;反之當傳感器其他某個節(jié)點的剩余能量比其他節(jié)點明顯更高，就可以判定傳感器與能量異構。在一般的網絡體系當中，如果是能量同構狀態(tài)，那么節(jié)點的能耗將被簇頭到基站的距離以及其他節(jié)點的距離來計算和決定;在能量異構狀態(tài)下，還要考慮到通信的能耗與高能量節(jié)點應用問題，例如這些高能量節(jié)點是否可以成為簇頭。

1.2 網絡體系

無線多媒體傳感器網絡的基本結構可以被劃分為三種類型。

首先是同類型傳感器節(jié)點的單層結構，這種結構具有良好的信息處理能力，可以被作為信息的中心。多媒體信息可直接通過路徑傳遞到無線網關，而不再需要通過無線通信進行傳輸，大幅節(jié)省能量消耗。

其次是多種類型傳感器的單層結構，結構內包含多種類型的節(jié)點和不同物理特性的多元化網絡體系，簇頭對于這些多元化的數據可進行感知和處理，然后將這些數據傳遞到無線網關和存儲機構。

最后則是由不同類型傳感器節(jié)點組成的多層體系結構，在不同層次方面具有不同的傳感節(jié)點，負責不同職責的傳感任務要求。這些節(jié)點在具體應用上雖然存在差異，但卻擁有更加穩(wěn)定的設備功率和資源利用方法，可以負責比較復雜的任務。

2 無線多媒體傳感器網絡的節(jié)能覆蓋方案

2.1 能耗模塊

無線傳感器網絡各個組成模塊的能耗情況有所不同，而相應的組成部件都可以被認為是主要的能耗來源。

以常見的傳感模塊為例，傳感模塊的能耗主要來源于變換器或信號調節(jié)系統(tǒng)等，在對某些物理量進行測定的過程當中，所需要的能耗差異性較大。一般情況下，溫度傳感器和濕度傳感器的能耗較低，而圖像傳感器和視頻傳感器的能耗非常高，磁力傳感器的能耗處于中等水準。從這里我們可以看出不同應用標準的傳感器在能耗要求上存在差異，尤其是在應用環(huán)境發(fā)生改變之后，能耗會產生明顯變化[2]。例如在噪聲環(huán)境之下，如果要獲得更加精確的數據，則需要考慮到傳感模塊的頻率要求，必要時增加傳感次數，此時必然引起能耗增加，也說明網絡節(jié)點的能耗會比普通傳感器的能耗更高。

一般認為在無線傳感器網絡當中，處理模塊的能耗比通信模塊的能耗更低，不過在涉及多媒體信息解碼和信息壓縮方面的處理模塊的能耗則非常驚人。我們可以將能耗的具體消耗情況表述為以下公式：

P=CV2f

可以看到其中P是功耗，C是系統(tǒng)負載電容，V是電壓，f是系統(tǒng)工作的頻率。電源電壓大小對功耗的影響程度非常明顯，而工作頻率和負載電容也是功耗的不同影響因素，這說明在實際的工作當中，可以對工作電壓和工作頻率進行調節(jié)，從而降低處理模塊的能耗。

無線通信模塊則是最大的能耗組成部分，特別是節(jié)點在空閑偵聽狀態(tài)下的能耗量非常驚人。由于多媒體節(jié)點在不發(fā)送數據的過程當中一直要維持監(jiān)聽狀態(tài)，過度監(jiān)聽往往會造成資源的浪費，而且在相同的時間傳遞數據時也會因數據干擾導致能量浪費。例如多媒體節(jié)點會接收到其他節(jié)點的目的地信息，此時接收數據上的能源被白白浪費，所以在不接收其他信息的前提之下，可以考慮加無線收發(fā)裝置的功能全部關閉。

2.2 處理模塊節(jié)能

全文提到多媒體節(jié)點會涉及大量的信息處理，無論是信號變換還是信息編碼，都需要耗費大量能量，例如多媒體信息處理對應的特征與模式識別等。

在節(jié)能方式的選擇上，我們可以考慮采用動態(tài)管理方法，即讓某個節(jié)點在某些狀態(tài)下屬于空閑狀態(tài)，使部分模塊可以維持到低能耗狀態(tài)或休眠狀態(tài)。這樣一來，能量管理工作的效率將得到穩(wěn)定提升，動態(tài)電源管理模式的加入也能讓整體系統(tǒng)的功耗管理策略可以根據資源需求情況做出動態(tài)調節(jié)。某些耗電量較多的運算部分在不進行工作時可進入非常低的能耗消耗狀態(tài)，如果需要涉及這一部分的部件應用，則系統(tǒng)重新喚醒，達成不同的服務請求。

在電壓管理的選擇上，以降低微處理器的工作電壓并適當降低處理能力，實現能耗節(jié)約。操作系統(tǒng)的調度程序可以對任務進行篩選，然后根據工作負荷監(jiān)視的結果確定工作電壓和工作頻率，并且對未來的工作負荷進行預測，確定處理及更新頻率的具體要求。

2.3 傳感模塊節(jié)能

雖然傳感模塊在無線多媒體傳感器網絡當中的能耗較小，但是在整個網絡當中，由于模塊的能耗呈現出明顯的規(guī)律性狀態(tài)，所以傳感模塊的能耗也應該被納入考慮范圍之內。并且由于多樣化的傳感類型，開始出現某些矢量傳感器的能耗處于較高水準，這說明在今后的工作當中，應該在多個方面開展節(jié)能策略的研究和評估[3]。例如在低功耗的傳感模塊設計方面，我們在滿足整體傳感應用需求的同時可選擇功耗更低的傳感設備。另外由于傳感器網絡的協同工作機制，可以利用節(jié)點的協作標準來彌補傳感部件在范圍和空間層面上的缺陷。即便出現突發(fā)狀態(tài)和隨機事件，也可以讓傳感模塊處于關閉狀態(tài)來節(jié)約能量，直到被事件所喚醒。通過這種技術措施，可以減少信息的冗余程度完成信息的壓縮，必要時可通過模式識別方法來進行技術控制，使用某些精度較高的傳感措施。

2.4 通信模塊節(jié)能

通訊模塊是整個網絡系統(tǒng)節(jié)能工作中最為重要的部分，減少通訊流量意味著接受數據的能耗顯著降低。由于多媒體的節(jié)點所采取的部署方式以隨機部署為主，所以數據冗余現象無法避免，傳感區(qū)域重疊必然引起能耗增加。對此可以考慮將信息進行融合和處理以降低數據沖突產生的可能性。因為沖突會直接導致數據包的分析和能量開銷，對此需建立更加科學合理的沖突預防機制，降低通信能耗，減少因為無效操作引起的能耗浪費或傳輸錯誤導致的數據量額外消耗。

在一些特殊情況下，可以選擇在不影響網絡性能的前提下增加節(jié)點休眠的時間與優(yōu)化通信距離，不僅可以降低傳輸距離，同時還可以降低每一跳的距離。減少總傳輸距離與減少跳數之間密切相關，兩種方法都是減少網絡能量消耗的主要方式，參與節(jié)點數量越多，則網絡能耗也就越多。

2.5 網絡低功耗設計措施

網絡低功耗設計措施的主要目的是將網絡協議層次當中的能耗限制在合理的范圍之內。

以物理層為例，物理層的主要能耗體現在麥克風設備或其他攝像頭設備方面，要想在節(jié)點端進行多媒體信息處理，必然會導致較大程度的開銷耗費，所以我們考慮提升無線多媒體傳感器的節(jié)點能量并降低傳感能耗，這種方法可以成為物理層能耗降低的主要措施。

對于MAC層來說，如何在能量消耗最小的基礎之上保持穩(wěn)定的物理傳輸性能成了今后工作的重點，這需要平衡其他的性能與單純的能耗指標。對此應該展開合理的錯誤控制減少錯誤產生，避免數據包重新傳輸導致的額外能量開銷[4]。

網絡層則是能耗限制的主要方面。一般情況下，在涉及信息輸送時必然會出現流量，所以降低流量的主要方法就是選擇能耗更低的路由來減少數據。不過這種方法可能導致某些屬于關鍵區(qū)域的節(jié)點提前耗費能量，因此路由算法的改進可能成為技術方案之一。總體而言，在無線傳感器的網絡環(huán)境之下，需建立更加高效的管理機制降低不必要的能耗消耗。

在應用層方面，由于應用需求存在差異，所以不同的應用標準會導致不同的能量消耗結果。一個簡單的視頻會議能量消耗一定會比一個高精度的信息流傳輸直播能耗更低，即便是同一類的功能應用，多媒體節(jié)點的能耗也會因時期不同而產生差異。所以根據不同的應用標準選擇應用層的節(jié)能策略，也將影響到和網絡的整體能耗[5]。

在網絡層方面，典型的網絡層功能仍然與傳統(tǒng)的WSNs比較接近，但綜合考慮到多媒體節(jié)點在模型感知方面的實際需求，所以在網絡層當中不僅要評估路由協議還需要對網絡覆蓋方案作出調節(jié)，減少數據冗余和聯通缺陷問題，特別是要構建節(jié)能的路徑傳輸機制和優(yōu)秀的覆蓋調度方案，建設自適應傳感體系。

3 結語

本次研究在分析無線多媒體傳感器網絡覆蓋的基礎之上進行了節(jié)能與能耗問題的研究，并且從架構部署和執(zhí)行的角度進行了應用評估，討論了不同層次的節(jié)能技術要求和設計標準，確定了良好的實現策略。在這些技術應用的基礎上可以構建能量穩(wěn)定的網絡路徑傳輸方案，實現多媒體的高效運行。在今后的工作實踐環(huán)節(jié)，應該進一步深入無線多媒體網絡的優(yōu)化部署策略，重點提升系統(tǒng)的容錯性和適應性。

參考文獻：

[1] 沙超，王汝傳，黃海平，等.一種基于多目標遺傳優(yōu)化的無線多媒體傳感器網絡節(jié)能覆蓋方法[J].電子學報，2012，40（1）：19-26.

[2] 郭劍，孫力娟，肖甫，等.基于PSO的無線多媒體傳感器網絡覆蓋增強算法[J].電子設計工程，2011，19（18）：1-4.

[3] 嚴英，郭劍.基于QGA的無線多媒體傳感器網絡覆蓋增強算法[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2011，31（6）：44-48.

[4] 霍海平，曾建潮，趙靜.基于Voronoi算法的無線多媒體傳感器網絡覆蓋控制研究[J].太原科技大學學報，2016，37（6）：438-442.

[5] 楊曉陶，聞英友，陳繼洋，等.基于視覺相關性的無線多媒體傳感器網絡節(jié)能策略[J].東北大學學報（自然科學版），2018，39（5）：613-618.

【通聯編輯：唐一東】