无线传感器网络的节能策略

1、#第二章无线传感器网络的节能策略lifj无线传感器网络节点体积微小，一般釆用电池供电，可以使用的电量非常 有限。并且传感器节点个数多、分布区域广，有些节点甚至部署在火山地带、 敌人区域等人无法接近的恶劣甚至危险的区域之中，通过更换电池的方式来补 充节点的能源是非常困难甚至是不可能的。但是无线传感器网络的生存时间却 要求长达数月甚至数年，因此，能量消耗问题相对于传感器网络的其他关键技术而言尤为重要；在不影响性能的前提下，设计有效的能量消耗控制策略成为 传感器网络软硬件设计中的核心问题。2.2传感器节点的能耗分析传感器节点的能量消耗模块由通信模块、处理器模块和传感模块组成，下面分别分析这几个模块的

2、能量消耗。(1) 通信模块的能量消耗阖传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。数据传输的能量消耗包括 数据发送和数据接收两个方面。在无线收发器集成电路中，混频器、频率合成 器、电压控制振荡器、相同步逻辑(PLL)和功率放大器都要消耗能量。所以， 在传输过程中，不但要计算各种部件工作的功耗，也要考虑各部件的启动功耗。 无线通信的能量消耗模型可用下式来表示：Et 二 Etx + E* =化(匚皿 + 几谢心(Gf +)(2.1)IfJ式中，乞、乞,分别指发送器和接收器消耗的能量；化、乙分别指发送器 和接收器消耗的功率；巳域指无线发送器的输出功率；T卄、分别指无线 发送器和接收器打开的时间；Tg

3、、為十分别指无线发送器和接收器启动的时 间。如果L为数据包的长度，R为数据传输速率，则T”、心卡等于L/R.目 前流行的低功耗无线收发器的耳、巴典型值约为20dbm,沧约为0dbm口叭 通常，无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。在空闲状态， 传感器节点一直监听无线信道的使用情况，检査是否有数据发送给自己，而在 睡眠状态则关闭通信模块。表2.1和表2.2分别是Rockwell的WINS项目和 MEDUSA-II项目中无线传感器节点的能耗数据0】。从表中可以看到，在发送 状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近,，略少于发送状 态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。表2

4、d WINS项目中无线传感器节点的能耗数据MCU模式传感器模式无线收发电路状态功耗（mW活跃开启发送（功耗：36.3mW）1080.5发送（功耗：19mW）986.0发送（功耗：13.8mW）942.6发送（功耗：3.47mW）815.5发送（功耗：251mW）807.5发送（功耗；0.96mW）787.5发送（功耗；0.30mW）773.9发送（功耗：0.12mW）771.1活跃开启接收751.6活跃开启空闲727.5活跃开启睡眠416.3活跃开启移除383.3睡眠开启移除64.0活跃移除移除360.0表2.2 MEDUSA-II项目中无线传感器节点的能耗数据MCU模式传感器模式无线收发电路

5、状态调制模式数据率功耗（mW）活跃开启发送（功耗:0.7368mW）OOK2.4kbps24.58发送（功耗:0.0979mW）OOK2.4kbps19.24发送（功耗：0.7368mW）OOK19.2kbps25.37发送（功耗；0.0979mW）OOK19.2kbps20.05发送（功耗:07368mW）ASK24kbps26.55发送（功耗0.0979mW）ASK2.4kbps21,26发送功耗：0J368mW）ASK19.2kbps27.46发送（功耗：0.0979mW）ASK19»2kbps22.06活跃开启接收22.20活跃开启空闲22.06活跃开启关闭-9.72空闲开启

6、关闭5.92睡眠关闭关闭* 10.02(2) 处理器模块的能量消耗处理器模块的能量消耗主要由王作电压、运行时钟、内部逻辑复杂性以及 制作工艺决定。工作电压越髙、运行时钟越快，其功耗也越大。出于电源管理 的目的，处理器通常有活跃、空闲和睡眠等多种操作模式，每种模式有不同的 电源消耗。比如，StrongARM在空闲模式功耗为50 mW,而在睡眠模式时只有 0.16 mWe睡眠模式直接关系到节点的生命周期的长短，为了延长节点的生命 周期，节点需要在绝大多数时间处在待机或睡眠状态。此外，在不同操作模式 之间切换也有电源和延迟开销。因此，不同的操作模式、模式之间的切换和处 理器在每种模式的时长对整个节点

7、的能量消耗有很大的影响。* 处理器模块的能量消耗远小于通信模块的能量消耗。文献22指出，如果 使用Micadot节点，其发送一个比特的数据所消耗的能量约为4000nJ,而处理 器执行一条指令所消耗的能量仅为5nJ,即发送一个比特数据的能耗可以用来 执行800条指令。所以，在多跳传感器网络中，为了尽量减少能量消耗，将釆 集的数据本地化处理是非常重要的。(3) 传感器模块的能量消耗传感器模块的能量消耗包括：1)信号采样以及物理信号到电信号的转换;2) 信号调制；3)信号的模数转换。理想情况下，传感器模块的能量消耗总量 可简单概括为单次采样消耗的能量与采样次数的乘积。2.3无线传感器的节能策略节省无

8、线传感器网络的能量，可以从节点级和网络级两个层面来考虑。2.3.1节点级的节能策略由于传感器模块的能量消耗相对于通信模块、处理器模块来说很低，因此 本文中只讨论通信模块和处理器模块的节能策略。(1) 处理器模块的节能策略处理器的选择会对节点的电池消耗带来很大的影响，比如，Intel的 StrongARM常用于高端领域，在执行指令时功耗达到400mW,而ATmegalO3L AVR的功耗就只有16.5 mW,不过提供的性能也要弱的多。除了在节点设计中 采用低功耗硬件之外#通过动态电源管理(Dynamic Power Management, DPM) 和动态电压调节(Dynamic Voltage

9、 Scaling)等技术使系统各个部分都运行在节能 模式下也可以节约大量的能量。DPM的工作原理是，当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态，直到有感兴趣的事件发生。这种事件驱动能量管理对于提高传感器节点的生存期非常重要。但是状态 切换也有能量和时间开销，如果状态转换策略不合适，不仅无法节能，反而会导致能耗的增加。DVS的工作原理是，当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率从而降低处理能力，可以节约微处理器的能耗。在大多数传感器节点上, 计算负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器所有时刻都保持峰值性能。DVS技术就是利用了这一点，动

10、态改变微处理器的工作电压和频率使其刚好满足当时的运行需求,从而在性能和能耗之间取得平衡。(2) 通信模块的节能策略由上面通信模块的能量消耗分析可知，通信模块的能量消耗占传感器节点 能量消耗的大部分，因此，研究通信模块的节能对提高整个系统的电源使用效 率有重要意义。通信模块的节能策略主要有以下几种。1) 减少单跳通信距离无线通信能耗与通信距离的关系为；E = 0(2.2)其中，参数满足关系2<n<40 n的取值与很多因素有关，例如传感器节 点部署贴近地面时，障碍物多干扰大，n的取值就大；天线质量对信号发射质 量的影响也很大。考虑诸多因素，通常取为3,即通信能耗与距离的三次方 成正比。

11、随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此，在满足通信连通度的 前提下应尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器节点的无线通信半径在 100m W内比较合适。2) 增加休眠时间、 无线收发器有四种操作模式：发送、接收、空闲和休眠。除了休眠状态外, 其它三种状态的能耗都很大，因此，应该根据实际需要动态改变通信模块的状态，减少不必要的转发和接收，在传感器节点没有收发数据时，把无线通信模 块关掉或进入休眠状态以降低能耗，这类似于DPM算法。232网络级的节能策略由于无线传感器网络属于一种资源受限的网络，网络节点的能量、计算能 力和存储量都非常有限，尤其是能量非常有限，因此任何网络协议的设计都必 须以提高

12、网络的能量效率为首要目标。(1) MAC协议MAC (medium access control)协议决定无线信道的使用方式，分配有限的 无线通信资源。传统网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性，提高 带宽的利用率以及增加网络的实用性。在无线传感器网络中，节点能量是很有限的，而且补充能量是很困难的，因此，节省能量成为传感器网络中MAC协 议设计首要考虑的问题°造成网络能量浪费的原因包括如下几个方面：1）如果MAC协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的 过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞这就需要重传发送的 数据，从而消耗节点更多的能量。mi2）节点接收

13、并处理不必要的数据。这种串音（overhfaring）现象造成节点 的无线接收模块和处理模块消耗更多的能量。3）节点在不霊要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听（idle listening）,以便接收可能传输给自己的数据。这种过度的空闲侦听或者没必要 的空闲侦听同样会造成节点能量的消耗。4）在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网 络能量。为了减少传感器网络中的能量消耗，研究人员从不同方面提出了多个MAC 协议，如基于竞争的MAC协议，基于时分复用的MAC协议和基于其他类型的 MAC协议。下面以基于竞争的S-MAC协议切来举例说明MAC协议的节能策略。S-MAC协议是

14、针对传感器网络的节省能量需求而提出的MAC协议，它采 用以下机制：周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式，控制节点尽可能处于睡眠 状态来降低节点能量的消耗；邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚 拟簇，减少节点的空闲侦听时间；通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网 络中的传输延迟；釆用带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据；通过消 息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传递延迟。<2）路由协议路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点。它主要包括 两个方面的功能：寻找源节点和目的节点间的优化路由，将数据分组沿着优化 路径正确转发°传统路由协议在选择最优路径

15、时厂很少考虑节点的能量消耗问 题。而无线传感器网络中节点的能量有限，延长整个网络的生存期成为传感器 网络路由协议设计的重要目标，因此需要考虑节点的能量消耗以及网络能量均 衡使用的问题。24-r对整个无线传感器网络而言，需要从全局上考虑如何将流量从数据源传递 到目的地，这里的重要问题是如何在源和目的地之间找到一条节能的多跳路虫° 节能路由是在普通的路由协议基础上，考虑相关的能耗因素，引入新的与电源 消耗有关的衡量指标，实现能耗的节约，这方面已经有很多研究成果。最小能量消耗路由是从数据源到汇聚节点的所有路径中选择节点耗能之 和最少的路径¥最少跳数路由是选取从数据源到汇聚节点跳数

16、最少的路径竹但 在无线传感器网络中，如果频繁使用同一条路径传输数据，就会造成该路径上 的节点因能量消耗过快而过早失效，从而使整个网络分割成互不相连的孤立部分，减少整个网络的生存期。为此，Rahul C. Shah等人提出了一种能量多路径 路由机制。该机制在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据路径上节点 的通信能量消耗以及节点的剩余能量情况，给每条路径赋予一定的选择概率， 使得数据传输均衡消耗整个网络的能量，延长整个网络的生存期。INLEACH(low energy adaptive clustering hierarchy)是MIT的 Chandrakasan等 人为无线传感器网络设计的低功

17、耗自适应分层路由算法。它的工作原理建, 相邻的节点形成簇并以循环的方式随机选举簇头，各个节点把数据发送给簇头, 由簇头触合数据并把数据发给汇聚点。其中，簇头完成数据融合工作，它收集 簇中各个节点的信息，融合得到有用信息，并对数据包进行压缩，然后才发送 给汇聚点，这样就可以有效减少数据流fb LEACH协议中簇头需要完成数据融 合压缩，负责与基站通信。LEACH协议采用的簇头产生方法，将与远方汇聚点 进行数据传送的可能性平均的分摊在每个节点上，从而达到降低网络能源消耗、 提高网络整体生存时间的目的。(3) 数据融合传感器网络的基本功能是收集并返回其传感器节点所在监测区域的信 在收集信息的过程中釆

18、用各个节点单独传送数据到汇聚节点的方法是不适 合的，主要有以下两个原因。1) 浪费通信带宽和能量。在覆盖度较髙的传感器网络中，邻近节点报告的 信息存在冗余性，各个节点单独传送数据会浪费通信带宽；同时，传输大量数 据会使整个网络消耗过多的能量，缩短网络的生存时间。2) 降低信息收集的效率。多个节点同时传送数据会增加数据链路层的调度 难度，造成频繁的冲突碰撞，降低了通信效率，从而影响了信息收集的及时性。r<<为避免上述问题，传感器网络在收集数据的过程中需要使用数据融合技 术。数据融合是将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求 的数据的过程。数据融合对冗余数据进行网内处理，

19、即中间节点在转发传感器 数据之前，首先对数据进行综合，去掉冗余信息，在满足应用需求的前提下将 需要传输的数据量最小化。网内处理利用的是节点的计算资源和存储资源，其 能量消耗与传送数据相比要少很多，因此，在一定程度上尽量进行网内处理， 减少数据传输量，可以有效地节省能量。理想的融合情形下，中间节点可以把n 个长度相等的输入数据分组合并成1个等长的输出分组，只需要消耗不进行融合 所消耗能量的1/n即可完成数据传输；最差情况下，融合操作并未减少数据量， 但通过减少分组个数，可以减少信道的协商或竞争过程造成的能量开销。文献26对网络中数据融合方法对无线传感器网络能耗的影响进行了深入 的分析，并将网络中

20、数据融合的优化问题归结为构造最小SteinerW问题*由于 在随机分布的无线传感器网络中构造最小Steiner树是一个NP难问题，文中给出I了三种实用的次优方案：1) 近源汇聚(center at nearest source ,CNS):距离汇聚节点最近的源节点 充当数据的融合节点，所有其他的数据源都将数据发送给这个节点。最后由这 个节点将融合后的数据发送给汇聚节点。此种方案中融合节点一旦确定，融合 树便形成了。2) 最短路径树(shortest paths tree, SPT)：每个数据源都各自沿着到达汇 聚节点的最短路径传送数据，这些最短路径会产生交叠从而形成融合树。交叠 部分的每个中间

21、节点都进行数据融合。此种方案中，当所有源节点确定各自的 最短传输路径时，融合树的形态便确定了。3) 贪心增长树(greedy incremental tree, GIT)：此种方案中融合树是逐步 建立的，先确定树的主干，再逐步添加枝叶。最初贪心增长树只有汇聚节点与 距离它最近的源节点之间的一条最短路径；然后每一步都从剩下的源节点中选 出距离贪心增长树最近的节点连接到树上，直到所有的源节点都连接到树上。这三种方案比较适合事件驱动的应用，因为这样的网络环境具备源节点数 目少、位置相对集中以及数据相似性大的特点，可以在远距离传输(如到汇聚 节点)之前尽早地进行数据融合处理，有效减少数据的传输量。在数据的可融 合程度一定的情况下，它们之间的节能效果关系为：GIT>SPT>CNSo(4) 差错控制技术在无线传感器网络中，数据通信的开销占了能量消耗的绝大部分。特别地, 差错控制策略对数据通信的能量消耗有重大的影响。因此，就