無線傳感器網絡節能技術研究

邱春榮

（長沙民政職業技術學院，湖南 長沙410004）

1.引言

在無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks）中，傳感器節點的能源容量有限，且電源補充成本高難度大，因此在網絡設計中盡可能地使用節能技術、延長網絡的生命期，就成為無線傳感器網絡至關重要的問題。

2.無線傳感器網絡能耗問題分析

無線傳感器網絡中的能量是由微型傳感器節點消耗的。典型的微型傳感器節點主要包括電源、感應單元、處理單元和無線通信單元四個部分。其中，除了電源單元負責能源供應，其它三個部分都需要不同程度地消耗電能。

感應單元的主要功能是感知溫度、濕度、氣壓等各種信息，并交給處理單元。在感應單元的信息變換、前端處理、信號調節、模數轉換等環節中都需要消耗能量。感應單元的能耗主要取決于以下幾個因素：①所測物理量，測量不同物理量的感應單元所需的能量是不同的。根據能耗量的不同，感應單元可以分為低能耗類、中等能耗類和高能耗類三種。低能耗類感應單元常見的有溫度傳感器、濕度傳感器、光敏傳感器、速度傳感器等。常見的中等能耗感應單元有聲音傳感器和磁傳感器等。典型的高能耗傳感單元有圖像傳感器和視頻傳感器等[1]。②感應時間長短。③感應器的工作環境。比如在存在干擾的場景中，探測的準確性將受到不同程度的影響，感應單元的功率和重復探測的次數都需要加大，能耗量也將增加。

處理單元負責對信息進行融合和處理。在實際應用中，隨著集成電路制作工藝的成熟，處理器的功率很小，其能耗量主要取決于無線傳感器節點的數量和數據包的數量。

收發單元負責信息的轉發，是傳感器節點最大的能耗源。它的工作狀態主要有四種：空閑、接收、傳輸和休眠。其中，休眠狀態的能耗很小，與其它幾種工作狀態相比，其能耗幾乎可以忽略不計。在同樣的工作時間中，空閑、接收和傳輸三種模式所消耗的能耗比為1：1：2.7。在收發單元空閑模式中，偵聽工作占據了絕大多數的工作時間。研究表明，偵聽狀態下所消耗的能量占空閑模式能耗總量的90%以上。在沒有數據傳輸的情況下，讓傳感器節點進入休眠狀態，能夠大幅度地減少能耗。然而，如果開啟頻率過于頻繁，也會造成一定的能量消耗。假設Nt和Nr分別表示發射器和接收器每秒開啟的平均次數，Pt和Pr分別是發射器和接收器的功耗，Po代表發射器的輸出功率，Tdt和Tdr分別表示數據傳輸和接收的實際時間，Tst是發射器的啟動時間，Wo表示整個收發單元的功耗，則

式中Nt和Nr取決于具體的應用場景以及所采用的MAC協議；Tdt和Tdr可以用L/R計算，L表示數據包的大小，單位為bit，R為數據傳輸率[2]。

3.無線傳感器網絡節能技術

在無線傳感器網絡的節能問題上，常見的節能技術分為兩種：數據鏈路層節能技術和網絡層節能技術。

3.1 MAC協議節能技術

數據鏈路層節能技術是通過MAC協議來實現的。根據節能原理的不同，MAC協議節能技術主要有四種[3]。

（1）數據傳輸沖突控制技術

降低數據包傳輸沖突率，減少重傳數據的數量，是數據鏈路層中一種常用的節能途徑，同時也是MAC協議實現的基本功能之一。實現數據重傳率控制的方法很多，常見的方法有：①采用休眠技術；②采用時分多路訪問（TDMA）技術；③利用數據發送導言（Preamble）機制。

（2）休眠機制

休眠機制是指傳感器節點在空閑狀態下，通過自適應或程序控制的方式進入休眠狀態，并控制休眠的時間點和間隔周期，以減少傳感器處于空閑偵聽狀態的時間，從而降低能耗。啟用休眠機制后，應配套采用一定的蘇醒判斷和決策機制，以實現處于休眠狀態下的傳感器節點在必要的時候及時進入空閑偵聽狀態和其他工作狀態。

（3）混合MAC工作機制

主要是指時分多路訪問（TDMA）技術和基于競爭的載波偵聽多路訪問（CSMA）技術相結合的混合機制。在傳感器節點固定不變且數量較少的情況下，可以采用預先分配時隙的TDMA機制；當傳感器節點數量發生變化時，TDMA機制立即變換為動態的時隙分配機制。通過這種混合機制，工作節點可以實現在某個固定的時隙發送或接收數據包，從而避免了數據傳輸過程中發生沖突的可能性。

（4）數據發送導言技術

該技術的基本思想[4]是傳感器節點在發送數據包前發送一段導言（Preamble）數據，以警示傳感器接收節點做好接收準備。導言數據發送的時間應不小于采樣周期的時間間隔。網絡中其他傳感器節點通過采樣，以決定下一步的工作狀態。如果發現通信信道處于繁忙狀態，則繼續偵聽直至接收到正確的數據包或直至信道變為空閑狀態。如果數據接收完畢，則在繼續偵聽一定的時間后，控制節點進入休眠狀態。

3.2 網絡層協議節能技術

網絡層節能技術通常的做法是通過路由協議的節能設計來實現的。路由協議節能思想可以分為四類。

（1）以數據傳輸距離為路由度量值

在典型的First Order Radio無線傳感器節點中，假設兩個傳感器節點距離為d，傳輸的數據包為k，則數據傳輸能耗Et(k，d)為：

其中d0代表距離的閾值；Eel表示無線電收發裝置啟動傳輸或接收電路所需的能耗系數，單位為nJ/bit；ε表示傳輸放大器功耗系數，單位為pJ/bit/m2[5]。

以上分析表明，傳感器節點的傳輸功耗與距離的平方或四次方成正比。因此，減少傳輸距離就降低了傳輸的能耗。但在節點間傳輸數據時，縮短每一跳的傳輸距離會增加傳輸路徑跳數，網絡總能耗不一定能夠下降，同時傳輸延遲也將增加。因此傳輸距離的控制應權衡多種因素綜合考慮。

（2）以傳輸路徑跳數為路由度量值

在數據包傳輸路徑中，跳數越少則路由優先。在傳感器節點發送功率固定不變的情況下，跳數越少則總傳輸距離越小，網絡總能耗也越小，從而達到節能的目的。發送功率可變且傳輸模式為廣播模式的情況下，數據包傳輸路徑跳數少,則意味著參與廣播數據轉發的節點數量少，網絡總能耗也隨之下降。

（3）根據路由路徑的距離動態調節發送功率

在功率可變的無線傳感器網絡中，根據路由路徑的距離調節發送功率，不僅能夠減少數據的發送能耗，還能有效地減少相鄰節點之間的無線電干擾，提高信道的利用率。

（4）采用數據聚集技術

數據聚集技術是指傳感器節點收集所監測區域的物理信息，并在無線傳感器網絡中把數據向上傳輸的融合技術。數據聚集技術是無線傳感器網絡的基礎支撐技術之一。常見的數據聚集操作函數有求平均（AVG）、求中間值（MEDIAN）、求和（SUM）、求最大值（MAX）、求最小值（MIN）、計數（COUNT）等，用戶還可以根據應用需求自定義數據聚集操作函數[6]。

4.結束語

無線傳感器網絡能源受限，能耗問題直接影響到整個網絡的生命期，采用節能技術就成為WSN網絡中的核心問題。本文分析了無線傳感器節點各組成單元的能耗問題及其關鍵因素，并分別從數據鏈路層和網絡層研究了節能工作機制和設計思想。今后的研究方向主要有數據鏈路層MAC的節能技術研究及其應用、基于節能思想的網絡層路由協議設計與實現、WSN網絡各層節能算法的系統設計等。

[1]曾鵬,無線傳感器網絡高效節能的信息收集機制及方法研究[D].沈陽:中國科學院沈陽自動化研究所,2007.20-45.

[2]Shih E,Katz R H and Pister K SJ.Next Century Challenges:Mobile networking for“smart dust”[C].Proceedings of the 5th Annual ACM/IEEEInternational Conference on Mobile Computing and Networking,Seattle,Washington,1999.

[3]李虹,無線傳感器網絡中節能相關若干關鍵問題研究 [D].合肥:中國科學技術大學,2007.22-25.

[4]Wei Ye,Heidemann Jand Estrin D.Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks[J].IEEE/ACMTransactiongson Networking,2004,12(3):493-506.

[5]Heinzelman WB,Chandrakasan A Pand Balakrishnan H.An application_specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J].IEEE transactions on wireless communications,2002,1(4):660-670.

[6]Rajagopalan Rand Varshney PK.Data-aggregation techniques in sensor networks:a survey[J].IEEE communications surveys&tutorials,2006,8(4):48-63.