無線傳感網節點的低功耗設計.doc

無線傳感網節點的低功耗設計 1無線傳感網節點的低功耗設計無線傳感網節點的低功耗設計摘要針對無線傳感網的小體積和低功耗要求，分別對整個無線傳感器網絡的物理層、MAC層以及網絡層進行瞭分析和研究，總結瞭一套低功耗的設計理念，最後給出瞭未來無線傳感器網絡中大量數據傳輸節點的低能耗設計方法。 ?關鍵詞無線傳感網；網絡節點；低功耗設計；能耗分析?中圖分類號TP393文獻標識碼A文章編號2095-1302 (xx)10-0082-03?Low-power Designof WirelessSensor NetworkNode?ZHANG Xiao-hui,GAO Hao,WANG Hai?(College ofInformation Engineeringof CDUT,Key Labof EarthExploration&Information Technologyof Ministryof Education,Chengdu610059,China)?Abstract Forthe smallsize andlow powerof wireless sensor work,the physicallayer,MAC layerand worklayer ofthe entirewireless sensor work areanalyzed.Simultaneously,a setof low-power designis summarized.Finally,how toreduce nodeenergy consumptionof alarge numberof datain wirelesssensor workin thefuture isproposed.?2Keywords wirelesssensorwork;work node;low-power design;energy analysis?0引言?無線傳感器網絡是近年來信息技術研究的一個重要研究領域，它融合瞭傳感器、計算機科學、信號與信息處理、通信等多個領域的技術。 無線傳感器網絡(WSN)是由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點組成，可通過無線通信方式形成一種多跳自組織網絡系統，是當前國際上備受關註、涉及多學科、高度交叉、知識高度集成的前沿研究領域。 作為一項新興的技術，無線傳感器網絡越來越受到國外學術界和工程界的關註，其在軍事偵察、環境監測、醫療護理等眾多領域展現瞭廣闊的應用前景，被認為是21世紀產生巨大影響的技術之一。 無線傳感器網絡具有低能耗、低成本、易於實現、傳輸可靠等優點。 而且由於其本身的冗餘性、無線性、網絡的自組織性，因而具有較強的抗破壞能力1。 ?1無線傳感器網絡簡介?通常情況下，無線傳感器節點由電池供電。 供電佈設完畢後，電池一般難以充電或進行更換。 同時，無線傳感器網絡要求的工作時間較長，通常是幾年甚至幾十年，因此，提高能量效率以延長工作時間已成為無線傳感器網絡主要的設計原則之一。 為瞭提高無線傳感器的能量效率，必須設計出一套從硬件到軟件的、完整的節點低功耗設計方案。 ?3圖1所示是一個無線傳感器網絡的基本結構。 ?由圖可見，一個典型的傳感器網絡通常由分佈在監控區域的傳感器節點、匯集節點、Inter或通信衛星、用戶監控終端組成。 傳感器節點散佈在指定的感知區域內，每個節點都可以采集外界數據，並通過“多跳自組織”方式傳送匯集節點，匯集節點一方面通過自身的無線收發單元接收傳感器節點的數據並上傳到Inter網絡或衛星通信終端，另一方面，可接收來自網絡或衛星終端的命令並傳達給傳感器節點。 用戶監控終端可以通過Inter網絡或衛星獲取傳感器節點采集到的信息，從而達到對佈網區域的實時監控。 ?2WSN硬件及物理層的低功耗設計?無線傳感器網絡節點主要包括數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊和電源管理單元等等四部分2。 其中數據采集模塊由傳感器和A/D轉換單元組成，傳感器將外界異動信息(如溫度、濕度等)轉換成電信號，再通過A/D轉換單元將模擬量轉換成數字量傳送給數據處理模塊。 數據處理模塊則通過對數據作適當的處理與存儲，然後將信息通過無線通信模塊發送給其他傳感器節點或匯集節點。 電源管理單元負責提供穩定的電壓給其它各模塊。 具體的節點組成如圖2所示。 ?數據采集模塊的能耗主要由傳感器的特性決定，傳感器的種類很多，可以檢測溫/濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度等物理量，不同種類的傳感器及其不同性能要求會帶來數據采集4模塊能耗的較大差異。 例如溫/濕度傳感器STHxx系列能支持低功耗模式，采集完數據後可自動轉入休眠模式，其電流小於1A，加速度傳感器ADX210可以測量雙軸向加速度，能耗低於0.6mA，單電源供電范圍為35.25V，而圖像傳感器CIS-VF10則功率較高，通常可以達到100mW。 ?數據處理能耗主要來自於處理器和存儲器兩部分。 以低端微控制器為代表的節點處理器的處理能力不強，但能耗極低，如MSP430系列單片機在電壓為1.83.6V、1MHz時鐘條件下的運行耗電電流為0.1400mA。 但采用ARM處理器為代表的高端處理器的節點能耗相比之下卻要大很多，但這些高端處理器大多支持動態電壓調節(DVS)或動態頻率調節(DFS)等節能策略，同時處理能力強，適合高數據傳輸速率和高數據吞吐率的應用。 如ARM SA-1100微處理器的功耗在501100mW不等。 存儲器的能耗主要來自於ROM和RAM，ROM的邏輯結構簡單，其能耗主要來自於生產工藝，RAM能耗主要來自於內部電流能耗和存儲器與外部電路進行工作時所產生的能耗，所以，選用合適的存儲器以及電路搭配方案也可以進一步減少處理器模塊的能耗3。 ?無線通信模塊的能耗主要來自於功率放大器的能耗，合理的功率放大可以有效保證接收信號的能量，克服信道衰落等因素的影響4。 而選用合適的調制技術則能有效減少功率放大器的能耗，通常采用多進制調制比采用二進制調制需要更大的發射功5率，而采用二進制調制在相同的誤碼率情況下，2PSK的能耗是2FSK能耗的一半，2FSK是ASK的一半。 但多進制調制技術以其頻譜效率高仍然用於實際系統中，不同的多進制調制，其單位比特能耗也不同，如16QAM的單位比特能耗要小於16PSK信號。 同時，利用傳感器節點自身的特點也可采用動態功率管理(DPM)以進一步降低節點能耗，例如在保證檢測質量及通信性能的前提下，關閉節點或節點上的一部分空閑模塊。 ?3傳感網MAC層的節能設計?MAC層位於物理層之上，它直接控制著無線信號的接收和發送，MAC層的主要任務是解決多個節點合理、有效地共享信道資源的問題，在信道共享過層中，往往會浪費許多不必要的能耗，這些能耗主要來自於網絡中多節點競爭通信產生的沖突、空閑節點長時間空閑監聽信道以及其他相鄰節點的串聽，一般無線通信模塊的狀態可以分為發送狀態、接收狀態、空閑監聽狀態和無線收/發信機的休眠狀態，在各狀態中節點的能耗依次減小，休眠狀態的能耗最小，因此，為達到有效節能的目的，節點應盡量長時間的處於休眠狀態，盡最大可能避免空閑監聽和串聽造成的能量浪費。 所以，節點休眠的激活方式是設計考慮的重點。 當業務數據到達時，發送節點如何使接收節點同時激活完成數據的收發，可以采用兩種解決辦法，即主動喚醒方式和被動等待方式。 ?6在主動喚醒方式中，節點通常需要兩套收發信機，一套專門用於信道的偵聽，當業務到來時，發送節點在開始發送分組之前負責喚醒用於業務收發的無線收發信機。 這套收發系統需要功耗盡可能低。 為瞭進一步節省能耗，低能耗的收發信機並非一直處於激活狀態，可以在某個占空比周期激活一段時間，以檢測喚醒信號。 這種方式既保證瞭節點最大化的時間休眠，同時又可以在業務到達時刻隨時激活接收節點。 但它增加瞭傳感器節點的硬件復雜度，所以，在節點體積沒有限制的情況下，可以采用此方式。 ?被動等待方式則依據一定的規則定時激活，收發節點可以同時激活(同步方式)，也可以有先後的激活(異步方式)。 比較常用的同步激活方式有T-MAC和D-MAC，其中T-MAC是根據業務的需求來動態調整節點休眠時間的占空比，最大限度的獲取休眠時間，以減少空閑偵聽；D-MAC是沿著固定的業務流向來實現相鄰節點的休眠同步。 在異步方式下，按照獲知節點的激活信息方式可分為發送喚醒方式和等待通知方式，發送喚醒方式是發送節點在發送分組之前首先發送一段喚醒導頻，接收節點在極短的時間間隔內檢測無線信道內的喚醒導頻，這種方式是以犧牲額外的發送喚醒導頻能量來避免空閑偵聽消耗的能量。 等待通知方式是發送節點收到接收節點的激活通知時才開始發送分組，這種方式以犧牲待發偵聽信標的能耗為代價來避免空閑監聽能耗。 通常隻能用於業務量較低且對時延要求不高的場合。 ?74傳感器網絡層的節能思路?無線傳感器網絡在網絡層的節點能耗主要取決於節點的路由算法。 在WSN中，路由協議不僅關心單個節點的能量消耗，還要考慮整個網絡的能量均耗，所以，在網絡層應根據網絡狀態動態調整路由協議及參數，以達到高效利用能量，延長網絡生命周期的目的。 在網絡層常用的優化方法有數據融合機制，節點休眠機制以及網絡自適應機制。 數據融合思想必須使用在以數據為中心的傳感器網絡中，數據在網絡路由協議中傳輸時，中間節點根據數據的內容將來自多個數據源的數據融合成更少的出口數據然後再轉發。 如果無線傳感器的網絡節點的佈設密度比較大，可以采用節點休眠機制，在不明顯降低網絡監視質量的情況下，讓一部分節點轉入休眠狀態並讓它們輪替工作，以節省無線傳感器節點及網絡的能量消耗，延長工作壽命。 在SPIN路由算法中常采用網格自適應機制來動態調整路由協議，使其網絡中的每個節點都可以對自身的能源進行管理，並根據節點自身的能量等級改變工作模式5。 當剩餘節點能量達到閾值時，使節點減少在協議中的參與行為。 ?5未來WSN的節能措施?目前，惡劣的工作環境、信道衰落、幹擾及無線信號傳輸的不規則性，都給無線傳感器網絡節能的無線通信方案設計帶來瞭挑戰，傳統的多輸入多輸出(MIMO)技術可以提高傳輸的可靠性、能量使用率和帶寬效率等，但無法讓MIMO技術應用到低成本、8小尺寸的傳感器中，最新的基於單天線的傳感器虛擬MIMO方案能夠有效提高節能效率，它可使多個單天線節點形成虛擬天線陣列，每個節點被視為陣列中的一副天線，這些節點會以MIMO的方式進行信息的發送與接收，實驗表明，采用多跳MIOMO-LEACH方案的傳感器網絡的存活時間約為采用傳統LEACH協議的12倍。 同時，由於通信代價比計算代價高幾個數量級，一項新技術，也就是數據聚合技術也成為瞭當今無線傳感器網絡研究的熱點，它利用傳感器節點的本地處理能力對采集到或接收到的其他傳感器節點發送的數據進行網內處理，並消除冗餘信息，然後再傳輸處理後的數據，這樣，就可以用數據處理消耗的極少能量換取通信傳輸過程中的大量能耗。 ?6結語?無線傳感器網絡是物聯網技術領域的一個重要分支。 對於無線傳感器網絡中數據采集的重要組成部分，即傳感器節點來說，由於需要采用電池供電，因此，如何降低傳感器節點的功耗，已經成為當今各研究單位的一個難題。 本文主要從傳感器網絡各協議層出發，分析瞭各層之間如何降低節點功耗的措施以及方法，並分析瞭在大量數據處理中節點的節能問題。 ?參考文獻1李建中,李金寶,石勝飛.傳感器網絡及其數據管理的概念、問題與進展J.軟件學報,xx,14 (10):1717-1727.2HEDETNIEMI S,LIESTMAN A.A surveyof gossiping9and broadcastingin municationworksJ.Networks,1988,18 (4):319-349.3INTANAGONWIWAT C,GOVINDAN R,ESTRIN D.Directed diffusion:a scalableand robustmunication paradigmfor sensorworksC.S.l.:ACM Mobi,2000.4ARICI Tarik,ALTUNBASA