無線傳感器網絡能耗分析與策略研究

趙 靜， 潘 斌， 王 進， 譚秀蘭

（①成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106；②成都理工大學 信息管理學院，四川 成都 610059；③成都大學 網絡中心，四川 成都 610106）

0 引言

無線傳感器網絡具有十分廣闊的應用前景，但是它的能量問題一直制約其大規模發展。無線傳感器節點大多采用能量有限的電池供電，且節點數目多、分布廣、所處環境復雜，通過更換電池來補充能源是非常不現實的問題，而能量消耗直接決定了傳感器網絡的使用壽命，為此，著手以低能耗節點設計和節能網絡協議為首要研究問題，通過研究提高能量有效的策略和正確的應用網絡協議，延長無線傳感器網絡的生命周期。

1 傳感器節點能耗

1.1 節點結構

無線傳感器網絡單節點主要包括數據采集模塊（傳感器、A/D轉換器）、數據處理模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線收/發器）以及電源模塊4部分。

1.2 節點各模塊能耗特性

數據采集模塊能耗主要由傳感器的特性決定，不同種類的傳感器及其不同的性能要求會帶來數據采集模塊能耗特性的較大的差異。數據處理模塊能耗包括處理器能耗和存儲器能耗兩部分，從處理器角度看，傳感器是以采用低端微控制器為代表的節點，該類節點的處理能力較弱，所以能量消耗也很小。

無線通信模塊能耗包括功率放大器能耗和電路能耗。各功能模塊能耗特性不盡相同，節點能耗絕大部分消耗在無線通信模塊上，通常1 bit的信息傳輸100 m距離所需的能量大約相當于執行3000條計算指令所消耗的能量[1]。

2 傳感器網絡中的能耗

2.1 傳感器網絡結構體系

無線傳感器網絡體系結構由分層的網絡通信協議、網絡管理平臺以及應用支撐平臺這3個部分組成。其中分層的網絡通信協議體系由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成。

2.2 網絡能耗特性

傳感器網絡在實際的應用中，各個結構都伴隨著能量的損耗。網絡中的能耗主要體現在數據鏈路層、網絡層、傳輸層3方面。

數據鏈路負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。當MAC幀頭和控制消息包中沒有包含有效的數據時，是一種能量的損耗。另一方面，通信網絡中信道共享，帶來數據包沖突、暴露終端和隱蔽終端問題，這無疑造成網絡較大一部分能量的損耗。

網絡層用于發現和維護數據，大多數節點無法直接與網關通信，需要通過中間節點以多跳路由的方式將數據傳送至匯聚節點。當網絡中多節點的動作需要協調時，在接入和路由協議上，當開銷用于協調節點動作時，能耗很大。

傳送層負責數據的傳輸控制，主要是通過匯聚節點采集的數據，經衛星、移動通信網、Internet或者其他的鏈路與外部網絡通信。但是在數據傳輸過程中，誤使用剩余能量較低節點、大量同類數據一起傳輸或傳輸與接收不同時等，將引起大量能量的損耗。

3 無線傳感器網絡節能機制

3.1 節點的節能策略

3.1.1 低能耗節點設計

在實際的應用中，傳感器節點采用電池供電，一旦電能耗盡，節點就失去了工作能力。為了最大限度地節約能量，在節點的軟硬件設計方面需要優化節點的結構是一種很好的節能措施。

在硬件設計方面，盡量考慮低功耗器件，在沒有通信任務的時候，及時的切斷射頻部分電源；在軟件設計方面，各層通信協議都應該以節能為中心，必要時可以犧牲其他的一些網絡性能指標，以獲得更高的電源效率。

3.1.2 節點能量管理與調節

采用低能耗技術：動態功率管理（DPM）技術和動態電壓調節（DVS）技術，該兩項技術已經逐步用于無線傳感網絡微處理器中[2]。

DPM 技術也叫休眠技術，當無線傳感節點在無計算要求而進入空閑狀態時，關閉大部分處于空閑狀態模塊、組件或將其調到更低能耗的睡眠狀態以節能。

DVS技術是當計算負荷較低時，改變工作電壓和時鐘頻率以降低無線傳感節點處理器能耗技術。對于目前的廣泛應用的實時嵌入式系統而言，該技術能夠有效地降低功耗而節能。

3.2 傳感器網絡通信協議節能機制

無線傳感網絡中各種節能機制涉及了WSNs的各層，每一層可以根據自身的特點和功能的不同，設計出不同的節能策略。

①介質訪問控制（MAC）協議[3]，該協議直接控制著耗能最多的無線通信模塊的活動，針對能耗比例以及造成無效功耗的因素，MAC協議多采用降低睡眠、偵聽占空比、控制節點間的連通度、合理分配信道等策略，盡量避免或減少能量消耗，提高網絡的能量高效性；

②低功耗自適應分層路由協議[4]（LEACH），通過隨機循環地選擇簇頭將網絡的能量負載均衡分配到各節點，從而達到降低網絡能耗、提高網絡生存期的目的；

③能量多路徑路由[5]，通過該機制根據路徑上節點的能量消耗以及節點的剩余能量狀況，給每條路徑賦予一定的選擇概率，使得數據傳輸均衡地消耗整個網絡能量，延長網絡生存期；

④功率控制：就無線傳感網絡而言，采用高效優化的拓撲控制機制[6]，可以合理的調整節點的發射功率，在保證通信質量的前提下降低發射功率，并有選擇性地讓部分節點的通信模塊關閉和均衡節點能量消耗來降低節點能耗，可有效的節約能量資源；

⑤基于能量保護的跨層設計，其主要作用是跨層設計將在不同的層上的信息實現共享，跨層體系結構中可以制定聯合能量約束機制實現能量全局優化。將MAC協議與路由項結合進行跨層設計[7]，可以使整個網絡的節能效果達到最優，延長網絡生存期；

⑥數據融合，其目的是減少數據傳遞過程中冗余度和最小化傳輸量，它實現能量有效的數據傳遞，從而節約網絡能量。

4 能量補給方案

環境中有巨大的能量可以供使用，那么從環境中捕獲能量為傳感器節點供電將是一種有效的途徑。大多采用太陽能電池、振動、風能、溫差等器件從環境中獲取能量，但是這種能量補給措施還不夠普及。目前已經研究有成果，即以超級電容器和鋰離子電池[8]為儲能器件從環境中捕獲能量，采用低功耗的能量管理策略，實現了無線傳感器節點的長壽命工作。

5 結語

分析了無線傳感器網絡的能耗特性，根據低功耗節點模塊設計的原則和節點工作能耗，研究降低傳感器節點功耗的節能方案，同時，考慮不同網絡層能耗的因素，重點研究與歸納傳感器網絡通信協議節能機制，總結了延長無線傳感器網絡生命周期的能量策略。最后指出從環境中獲取能量補給方案，在實用化應用中，還不夠成熟，這將是未來研究的方向。

[1] IYER R, KLEINROCK L． QoS Control for Sensor Networks[C]//IEEE.In Proceedings of the IEEE International Conference on Communications.USA： IEEE 2003：517-521．

[2] 王雪． 無線傳感網絡測量系統[M]．北京：機械工業出版社，2007：87-89．

[3] 孫若玉,鄭國強,李濟順． 基于WSN的能量高效MAC協議研究[J]． 通信技術,2008,41(08)：169-172．

[4] 郭強,孫強,李雪,等．無線傳感器網絡LEACH協議的研究[J]． 通信技術,2008,41(12)：155-157．

[5] SHAH R,RABAEY J． Energy Aware Routing for Low Energy Ad hoc Sensor Networks[C]// IEEE. In Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC’02).USA：IEEE ,2002：350-355．

[6] AKYILDIZ I F, SU W, SANKARASUBRAMANIAM Y, et al．A Survey on Sensor Nerworks[J].IEEE Communications Magazine,2002,40(08)：102-114．

[7] 王殊,閻毓杰,胡富平,等． 無線傳感器網絡的理論及應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社,2007：15-16．

[8] 蘇波,李艷秋,于紅云,等．從環境中獲取能量的無線傳感器節點[J].傳感技術學報,2008, 21(09)：1586-1589．