無線傳感器網絡節能策略分析

王 莘

(西安航空學院電氣學院，陜西西安，710077)

0 引言

無線傳感器網絡WSN由大量的有傳感、計算和通訊能力的傳感器節點組成，主要用于探測物理事件或者現象，收集和處理相應的數據，并最終把這些信息傳輸給用戶。

能量問題長期以來一直制約著WSN的發展。為了降低節點能耗,所采取的主要措施有有兩方面:一是節約節點能量，就是減少單位有效信息在進行采集和傳遞中的能耗，盡量降低網絡節點運行中不必要的能量損耗；二是平衡節點能耗，是通過選用合適的路由選擇算法使各個節點得到均衡利用，不至于因某個關鍵節點的使用率過高而使電池能量耗盡，導致網絡無法正常運行，降低網絡生存期。

1 節點節能

下面介紹本文涉及的幾種節能技術：

1)動態電源管理技術:所謂“動態電源管理”是指在保證正常通信、功能的條件下動態地分配系統資源，保證系統始終處在運行元件最少及元件處正常工作的最低能耗狀態，完成系統任務的一種技術。該技術的核心問題是保證在狀態切換的功耗小，時間開銷短。

2)動態電壓調整技術:動態電壓調整(DVS)技術是指充分利用系統工作時工作負載的變化性，在保證系統正常工作的前提下動態改變設備工作電壓，以降低系統功耗。大多數的節點的計算負載不是固定的，它是因工作量不同而動態變化的，因此處理器不需要始終保持在峰值性能。DVS就是根據處理器的這個特性，來對處理器的工作電壓進行調節，動態的改變工作頻率，使供電系統可以滿足處理器的正常運行需求的同時降低了系統的能耗。

3)動態調制調整技術:動態調制調整(DMS)技術是以調節節點在通信中的波特率大小來減低節點能耗的一種技術。在通信過程中，系統傳輸傳輸單位數據所需的能量會隨著波特率的下降而下降，由此也會引起通信中的信息傳輸速率下降。

2 基于負荷預測的節點節能技術

通過前文的介紹，我們知道了DPM、DVS、DMS可有效的降低節點能耗，而幾種技術采取協作運行會更有效的降低節點能耗，然而受到空閑時間等因素的約束，多種節能技術的共存還存在一定的困難。正是為了解決此類問題，本文提出了一種基于負荷預測的節點節能技術，記為LPSPT。該技術通過收集節點的工作信息，并對其進行有效的分析，來實現對收發設備及處理單元的負荷預測，實現使用DPM、DVS、DMS的共存。

2.1 LPT的實現

本文是通過三個步驟來實現LPSPT技術:信息采集、負荷運算和執行操作。

（1）注冊登錄:是負責獲取負荷運算所需相關原始信息的。

一個時間段的日志記錄生成一般涉及到兩個命令信息：“開始”和“結束”。通信/線程開始時會發送一個“開始”信息給記錄模塊，結束時會發送一個“結束”信息。當記錄模塊收到以下兩組信息時就會生成一個日志記錄：一是連續收到“開始”、“結束”兩個信息；一是連續收到兩個“開始”信息，計算如式(3.1)所示。

（2）負荷預測:主要是確定系統執行任務時可用的空閑時間的。

LPSPT技術會對當前時隙正在運行的相關收發單元和處理單元進行負載預測。計算相關收發單元和處理單元的負載是需要完成任務的執行時間TD和通信時間TC的。下面對相關的計算進行詳細的描述:

1)預測計算當前時隙進行的線程集，就是判斷在一個時隙周期內是否有新添加的線程周期，以此來完成對相關單元的負載預測。

2)線程執行總時間TD的計算如式(3.2)所示。

式(3.2)中，線程總數量用TNum表示、線程的執行時間ETi表示、線程頻率用fi表示、所有線程的最高頻率用fmax表示。通過算式可看出當fi=fmax時，該線程的時間就是ETi,故系統對線程的頻率依賴性較強。

3)總的通信時間Tc的計算如式(3.3)所示。

式(3.3)中,通信總次數用CNum表示,第i次通信時間用CTi表示，通信波特率用bi表示，所有通信中的最高博特率用bmax表示。式(3.2)相識，該系統對通信的波特率依賴性較強。

（3）執行操作:主要有兩個功能:一是計算處理目前系統單元的工作狀態和將要執行的任務；二是WSN運行時，執行相關操作，改變單元工作狀態。

執行操作的計算過程如下所示:

1)從當前的所有可用的頻率和波特率中，個選其一組成一個組合（f,b），選取的所有組合生成一個集合Q；

2)通過式(3.4)判定選擇的組合(f,b)是否適用于當前時隙,若不適用直接舍去該組合；

3)確定處理器和無線收發器單位時間內的能量消耗Ep和Ec；

4)節點在該時隙的能量消耗Et，如式(3.5)所示。

5)將Q內所有元素依次重復步驟2-4；對比Et的大小，確定Et最小的最優組合。

2.2 性能仿真

通過模擬仿真對LPPST、DMS、DVS對比三種技術的節點能耗情況。通過三種能耗的對比，對LPPST的性能作出客觀正確的評價。

設定LPPST的應用環境。我們設定LPPST在定點觀測系統中使用。再設定仿真參數，仿真參數如表3.1所示。控制寄存器由晶振控制其頻率變化，電壓和頻率的關系參照克魯索處理芯片計算處理器的能耗。仿真線程集如表3.2所示。

表3.1 LPPST仿真參數

表3.2 仿真線程集參數

仿真實驗中，為了精確地評價設備的能耗，采用處理器和收發設備的能耗比例來反映系統的能耗特性。能耗比例通過Ep/Ec來表示。

2.3 仿真結果分析

圖3.1是仿真得到的能量關系圖，圖中X、Y軸分別代表示能耗率、總能耗百分比。由此圖可得到以下結論：

1)如圖第一線程集節約了約40%的能源，第二線程集節約了約25%的能源。

2)在能耗較高時，使用LPPST技術節點節能效果也很穩定。

3)在能耗較小時，可看出DVS比LPPST更有效地降低能耗，也就是說LPPST的開銷較大。

圖3.1 能耗關系圖

綜上所述，雖然LPPST技術存在系統開銷較大的問題，但對于大多數傳感器網絡而言，即使考慮到系統開銷過大這一問題。LPPST技術都能有效地起到節點節能的作用，且在大多數情況下，節點能耗都是最小的。所以說LPPST技術是一種有效地節點節能技術。

3 結束語

本文針對無線傳感器網絡的能耗問題，提出了一種基于負荷預測的節點節能技術。該技術通過對DPM、DMS和DMS三種技術的協作使用，通過收集節點的工作信息，并對其進行有效的分析，來實現對接點無線電發送設備、無線電接收設備及處理器、處理單元的負荷預測，來改變系統相關單元的工作狀態，以降低系統的能耗。仿真實驗表明，LPT技術對比單一技術可有效的降低傳無線感器網絡的節點的能耗，延長網絡的生存期。

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