基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗系統(tǒng)的研究

摘 要： 節(jié)能已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心部分。該文研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)對網(wǎng)絡(luò)能耗的影響，主要采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)（DVS）來降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)主要通過減少門等效電容、供電電壓以及降低轉(zhuǎn)換因子、時(shí)鐘頻率來達(dá)到降低動(dòng)態(tài)能耗的目的，其中，降低供電電壓節(jié)能效果最佳。與其他方法相比，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)降低能耗更加明顯、效率更高。通過在CC2430節(jié)點(diǎn)芯片上測試驗(yàn)證，通過改變其分頻比，得出了功耗和頻率的近似線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 能耗； 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)； CC2430

中圖分類號： TN915?34； TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0016?03

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠協(xié)同地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中對象的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往往分布在不可到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域，人為更換電池是不可行的，而在電池技術(shù)沒有太大提高的條件下有必要研究節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗的方法。本文主要從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1?5]

以及動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)[6?9]兩個(gè)方面來研究和分析能耗系統(tǒng)的。

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能效性設(shè)計(jì)，當(dāng)鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)接收消息數(shù)量相應(yīng)增加，但發(fā)送消息的數(shù)量卻相應(yīng)減少，因此在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要平衡發(fā)送數(shù)量和接收數(shù)量間的關(guān)系。由于網(wǎng)絡(luò)中鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)量因拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變而改變，所以不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能效性不同。而對于無線傳感器節(jié)點(diǎn)能效性設(shè)計(jì)，由于數(shù)據(jù)處理期間，各節(jié)點(diǎn)的計(jì)算負(fù)載不平衡，甚至對于同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在不同階段計(jì)算負(fù)載差別也很大，因此引入動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)根據(jù)節(jié)點(diǎn)能耗和計(jì)算能力有效調(diào)節(jié)微處理器電壓有利于減少無線傳感器節(jié)點(diǎn)能耗。

除了無線傳感器節(jié)點(diǎn)小型化外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗設(shè)計(jì)對于提高網(wǎng)絡(luò)壽命，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍也具有推動(dòng)作用。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理規(guī)劃各無線傳感器節(jié)點(diǎn)的位置也有利于減少網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸，降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能效性分析

能效性主要研究固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)條件下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看作由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的二維或三維的網(wǎng)格（本文主要針對二維情況）。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[WSNsm，n]是一個(gè)[m×n]的網(wǎng)格，其中[m×n]表示網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。每個(gè)節(jié)點(diǎn)用[x，y]表示，其中[0≤x≤n-1，0≤y≤n-1]。對每個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，若[S=xs，ys]，[D=xd，yd]，[Δx=xs-xd]，[Δy=ys-yd]成立，其中[S]表示源節(jié)點(diǎn)，[D]表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的位置分辨各節(jié)點(diǎn)的鄰近節(jié)點(diǎn)情況[1]。

下面就邊界傳輸和內(nèi)部傳輸兩種情況來分析采用多種鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芎模趦?nèi)部傳輸方式中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)是相對固定不變的，發(fā)送消息的數(shù)量與鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)是成正比例關(guān)系的，而接收的數(shù)量則視具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而定。邊界傳輸方式則是利用邊界的節(jié)點(diǎn)來接收和發(fā)送信息的，而鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)能耗則是成反比例關(guān)系的。表1 則是兩種傳輸方式在不同鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)的耗能情況。

表1 兩種傳輸方式的耗能情況

通過分析上表可知，除了在有4個(gè)鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)的情況外，邊界傳輸比內(nèi)部傳輸消耗更多能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明[2]：當(dāng)鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能耗較低；而當(dāng)鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，雖然減少了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)，但同時(shí)需要傳遞的節(jié)點(diǎn)數(shù)量反而增加，在這種情況下網(wǎng)絡(luò)能耗反而較高。因此應(yīng)根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇適合的鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)量才有利于提高網(wǎng)絡(luò)的能效性。通過實(shí)驗(yàn)仿真可知，在二維網(wǎng)絡(luò)中，四鄰近節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)能效性最好；而三維網(wǎng)絡(luò)的能效性則普遍優(yōu)于二維網(wǎng)絡(luò)。

2 動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗可以表示為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗之和[10]：

[P=Pdyn+Pstat]

式中動(dòng)態(tài)功率[Pdyn]由每次門電路跳變消耗的能量、跳變頻率以及發(fā)生周期性跳變的門電路數(shù)量共同決定： [Pdyn=αfE]（其中[E=CV2]） ， [α]表示發(fā)生周期性跳變的門電路數(shù)量，[f]表示時(shí)鐘頻率，[C]表示門等效電容，[V]表示供電電壓；而靜態(tài)功率[Pstat]則由跳變時(shí)門電路的總數(shù)、供電電壓和其漏極電流決定：[Pstat=NIV]，[N]表示無狀態(tài)跳變時(shí)上電的門電路總數(shù)，[I]表示門電路的漏極電流，所以：

[P=αfCV2+NIV]

動(dòng)態(tài)功率在微處理器功耗中占主導(dǎo)地位，所以降低動(dòng)態(tài)功率是成為動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)（DVS）中的首選方案。可以通過減少門等效電容，降低轉(zhuǎn)換因子[α]、時(shí)鐘頻率[f]以及減少供電電壓[V]來降低動(dòng)態(tài)功率。其中，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)由于降低了供電電壓，就會(huì)使門限延遲增加，就需要降低時(shí)鐘頻率。所以降低總功率[P]就是降低供電電壓，因?yàn)閯?dòng)態(tài)功率[Pdyn]是供電電壓平方的函數(shù)，并且還與靜態(tài)功率成線性關(guān)系。文獻(xiàn)[11]表明處理器MCU從200 MHz和1.5 V工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到150 MHz和1.2 V工作狀態(tài)可以節(jié)省能耗一半以上。

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)就是利用節(jié)點(diǎn)的微處理器MCU在正常工作狀態(tài)下不需要所有時(shí)刻都保持在峰值狀態(tài)，從而動(dòng)態(tài)改變MCU的工作電壓和頻率剛好滿足當(dāng)時(shí)的運(yùn)行需求，以使在性能和能耗之間取得平衡。通過在CC2430芯片上做過測試，通過改變該芯片的分頻比，經(jīng)實(shí)驗(yàn)仿真得出了MCU的頻率f與動(dòng)態(tài)功耗[Pdyn]成線性關(guān)系，如圖1所示。

微處理器MCU通過動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)來提高能效的流程圖如圖2所示。

該流程圖是用最高效的電壓對信息進(jìn)行加密處理以及確定相關(guān)數(shù)據(jù)處理的電壓，其中信息頭提供的信息決定了解密電壓，微控制器會(huì)采用這個(gè)電壓對剩余的包進(jìn)行解密處理。處理完畢后，再根據(jù)具體的要求重新設(shè)置一個(gè)最有效的電壓。微處理器的主程序和CC2430仿真器的主程序如下所示：

3 結(jié) 語

本文主要通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)來分析和研究其耗能系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了邊界傳輸比內(nèi)部傳輸消耗更多的能量。并且，當(dāng)鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，網(wǎng)絡(luò)耗能較低；反之亦然。在動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)的過程中，通過對CC2430芯片的測試得出了頻率與功耗的近似線性關(guān)系。

除了這兩種方法外，還有其他的方法也可以降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)能耗。如采用變電壓處理器來實(shí)現(xiàn)對處理器的電壓調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)，從而可以達(dá)到降低能耗的目的。另外，通信過程的能耗對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用至關(guān)重要，在這方面的研究，勢必會(huì)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計(jì)的一大趨勢。

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