无线传感器网络功耗问题

1、无线传感器网络的功耗问题Power Consumption of Wireless Sensor Networks(Department of Computer Science and Technology, Nanjing University, Nanjing 210093, China)Email：摘 要:传感器网络是由几十个到上百个节点组成的、采用无线通信方式、动态组网的多跳的移动性对等网络。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。因此，传感器网络已成为国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领

2、域。然而传感器网络的发展也受到了很多的限制，其中能量限制无疑是最根本也是最重要的。本文讨论了无线传感器网络的功耗问题，并对一些节能方法做了一些简单的介绍。关键词:无线传感器网络；跨层优化；功率感知路由中图法分类号:TP-301文献标识码: A 1 引言 近年来，对无线传感器网络的研究有了很大的发展，然而功耗问题仍然是制约无线传感器网络发展的重要因素，因此无线传感器节点的能耗问题受到了国内外研究学者的高度重视。由于传感器节点体积微小，携带电池能量有限，传感器节点由于电源能量的原因失效或废弃，因此电源能量约束是传感器网络应用的障碍1。另外，传感器节点数目多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环

3、境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。以上两点使得传感器网络的应用受到了极大的限制。如果说传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源的话，传感器网络的首要设计目标就是能源的高效利用，如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。传感器节点不同部件的能耗是有所差别的，如图1.3给出了节点各部件能耗分布2： 图1.3节点各部件能耗分布虽然不同的节点在各自的功率数值上会有所差别，但对于大多数传感器节点而言，能耗分布总的特征是一致的，即：第一，传感器模块和处

4、理器模块的能耗要远小于通信模块的能耗；第二，通信模块在发送数据、接收数据以及休眠时消耗了大量的能量，而通信模块在休眠模式下的能耗要小的多。针对以上特点，无线传感器网络的节能方法大致可分为从硬件方面着手和软件方面着手2条思路。硬件上方法主要有提高电池能量的使用效率、降低传感器工作时能量消耗、能量收集技术等。从软件上考虑主要方法有功率意识协议栈、跨层优化、拓扑控制算法等等。以下就几种方法作简单的介绍。2 提出的方法2.1 功率意识协议栈图2.1是无线传感器网络使用的协议栈示意图。目前，有许多方法是从传感节点协议栈的每一层着手研究的。 在物理层，使用低功率器件和交易关闭不必要的性能可以节省大量的电力

5、。通过减少发送时间可以减少无线电收发器的能量消耗。根据瞬时负载流量，动态地采用不同的调制水平可以节省更多的能量。确定每个节点上的能量消耗，找出不同组件影响能量消耗的因素。传感元件消耗的影响因素包括信号采样，电力，信号调理物理信号转换，模拟到数字转换器（ADC）。在数据链路层，数据链路层包括媒体访问控制和错误控制协议。由于传输是传感节点中能量消耗最多的一部分，因此MACMAC协议应该通过减少能源效率最低的访问来节省能源。在碰撞检测和链路监听时，传感节点消耗了很多的能量，因此MAC协议应该避免碰撞，控制数据包和闲监听的开销。在网络层，根据节点的多功能性的不同，网络可以采取定向，多跳，单跳聚类，或者

6、多跳聚类传输方案。按协议所支持的功能决定传输方案类型。几种传输方案如图2.2所示： 图2.2：WSM中的几种传输方案路由协议在不增加延迟的条件下找到最节能的路线。2.2 跨层优化层次结构非常适合有线网络，但是并不非常适合无线传感网络。由于某一层的优化，可能需要其他层的合作，因此这就需要我们合并某些层或者在层与层之间创建新的接口。依赖应用环境，在WSN的5层协议中可以降低用电量，例如：某人设计了一个节能、最短路径路由算法，这个路由可以充分利用同样的传输距离，采用更短距离hops将会节约大量的能量。因此，有大量hops的数据传输将会更加节能，如果MAC层不做相应的优化，路由的优化设计将会被阻碍通过

7、增加竞争而增加能量消耗。 协同通信方案可以降低传输消耗，在这种方案中，多个节点协调形成虚拟的天线阵列以达到空间分集。单中继选择合作交流方案被提出，在这个方案中，将MAC层和物理层以分布式的方式合并为节点选择程序，它最大限度地减少整体能源消耗，并最大限度地提高网络生存时间。使用跨层优化，能量收集技术可以通过整合能源感知路由和MAC控制来达到能源的优化。当网络负载低的时候，节能设计就要从节点着手。对于活动的节点可以使用长的功率传输范围这样使得能源的使用更有效率。相反的，短的功率范围可能就比较适合当网络负载比较大的时候，因为这是无线电设备会花更多的时间在发送和接受上。一个跨层结构为全局的能量优化被提

8、出。它通过局部贪婪设计平衡WSN中的负载。这个框架结构中在路由层使用一个灵活的代价函数和在MAC层使用自适应空闲比来调节节点的行为。这个框架结构使得节点使用它自己和相邻节点的状态信息来调节它的路由和MAC层的行为，从而达到减少能量消耗的目的。3 线性WSN中的本地化功率感知路由由于WSN中大部分的能量是在路由阶段消耗的，本段考虑线性WSN中的一种路由算法，该算法有效的减少了WSN能量的消耗。3.1 系统模型：网络模型：我们考虑传感网络是由n个传感节点和一个基站（BS）组成的，每一个传感节点有唯一的一个ID。从BS开始沿直线排开。如图3.1： 图3.1线性无线传感器网络模型能量模型：假设基站（B

9、S）能无限制的提供能量给传感节点。3.2 最优路由：能量消耗的下限为： 其中：Xn为节点n到BS的距离，Kopt是最佳跳数。3.3 新的本地化功率路由协议MERR算法:如果节点S是即将要发送信息的节点，如果S到BS的距离小于，则S将信息发送到BS那，如果S到BS的距离大于，则S将节点发给离它最近的节点。AMERR算法：S节点直接将信息传给离他最近的节点。该方案4，将信道特性和无线通信装置和传感节点的分布考虑在内，但是没有考虑到节点间的公平性。相比于其他方案，我们的方案更加精简和更具伸缩性。4 总结：WSN是特定的应用程序网络，对于特定的应用需求可能需要几个月到几年的运行时间。由于传感器节点体积

10、微小，携带电池能量有限，因此如何减少传感器网络的能量消耗成为一个重要的待解决问题。因此，必须优先考虑无线传感器网络的设计。功率感知路由协议和拓扑管理确保交通负载以节能的方式分布到各个节点上。为了提高传感节点的寿命，必须整合能量收集技术，低功耗传感器网络设计集成和能源意识协议。在不同的结构的无线传感网络中应用不同的网络拓扑控制算法！致谢 在此,向对本文的工作给予支持和建议的同学，特别是对教授我们无线网络课程的吴小兵老师表示感谢！References: 1 Sun Limin,Li Jianzhong,Chen Yu,Zhu Hongsong.Wireless Sensor NetworkM.Peking:Tsinghua University Press,20052 Pedram,Massoud,Rabaey,Jan M.Power Aware Design MethodologiesM.Springer,2002.3 Sidra Aslam, Farrah Farooq, Shahzad Sarwar, Power Consumption in Wireless Sensor Networks, FIT09, December 1618, 2009, CIIT, Abbottabad, Pakistan.4 Marco Zimm