無線傳感器網絡能量有效性的評估指標分析

張小瓏　石志東　房衛東,2*　王秀芝　單聯海

1(上海大學通信與信息工程學院　上海 201899)

2(中科院上海微系統與信息技術研究所　上海 200051)

3(上海物聯網有限公司　上海 201800)

4(上海無線通信研究中心　上海 200335)

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無線傳感器網絡能量有效性的評估指標分析

張小瓏1石志東1房衛東1,2*王秀芝1單聯海3,4

1(上海大學通信與信息工程學院上海 201899)

2(中科院上海微系統與信息技術研究所上海 200051)

3(上海物聯網有限公司上海 201800)

4(上海無線通信研究中心上海 200335)

摘要能量的有效使用是決定無線傳感器網絡長期可靠運行的重要因素，而對其的度量，則反映在能量有效性評估指標。根據無線傳感器網絡節點的能耗分布，采用分類對比的方法簡述了無線傳感器網絡節點的能耗分布，分析并提出了影響無線傳感器網絡能量有效性的關鍵因素。針對能量有效性評估指標的選擇，通過研究關鍵因素對現有能量有效性評估指標的影響，分類并比較了這些指標的適用范圍和特點。結果表明不同應用場景應選擇合適的能耗評估指標，這些指標的分類為無線傳感器網絡能量有效性評估指標的選擇與優化提供指導。

關鍵詞WSNs能量有效性評估指標

ANALYSIS ON EVALUATION METRICS OF ENERGY EFFICIENCY IN WIRELESS SENSOR NETWORKS

Zhang Xiaolong1Shi Zhidong1Fang Weidong1,2*Wang Xiuzhi1Shan Lianhai3,4

1(School of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 201899,China)2(Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology,CAS,Shanghai 200051,China)3(Shanghai Internet of Things Co.,Ltd.,Shanghai 201800,China)4(Shanghai Research Center for Wireless Communications,Shanghai 200335,China)

AbstractAs an important factor, the effective use of energy makes the wireless sensor networks operate in long-term and reliably, therefore, its measurement is reflected in the energy efficiency evaluation metrics. Based on the power consumption distribution of nodes in WSNs, we give a brief on the power consumption of nodes in WSNs in the way of classified comparison, and analyse and present the key factors affecting the energy efficiency of WSNs as well. Focusing on the choice of energy efficiency evaluation metrics, and through studying the influence of key factors on existing energy efficiency evaluation metrics, we classify and compare the availability scope and features of these metrics. Results indicate that proper energy efficiency evaluation metrics should be chosen for different applied scenes. The classification of these metrics provides the guidance for choosing and optimising the evaluation metrics of energy efficiency in WSNs.

KeywordsWireless sensor networks (WSNs)Energy efficiencyEvaluation metrics

0引言

無線傳感器網絡(WSNs)由大量價格低且體積微小的傳感器通過自組織方式構成，其中，傳感器可以感知周圍的環境信息，將這些傳感的信息收集處理后通過特定的路由協議將傳感數據傳輸給匯集節點(基站)，從而可以實現對環境的實時監控[1]。隨著計算機、集成電路和通信等技術的飛速發展，WSNs已成為IT領域的熱點，在很多領域得到了廣泛應用[2]，如環境監測[3]、醫療、智能家居、智能農業等。

與傳統的網絡技術相比，WSNs有很多優勢，如低成本、自組網能力和容錯能力等，但同時也存在著技術挑戰，其中之一就是能量資源的限制。通常，WSNs節點的能量供給來源于電池，由于其應用場景的多樣性，尤其是很多傳感器節點部署在野外、工作時無人值守，對于能量的重新獲取非常困難，甚至是不可能的[4,5]。因此，如何提高傳感器節點的能量有效性，以延長整個網絡的壽命，是WSNs研究領域中重要的課題之一。

當前，提高WSNs能量有效性的方法有五個主要方面：節點休眠調度、功率控制、介質訪問控制(MAC)協議、路由協議和數據管理[5]。研究目標主要關注于協議和算法，對能量有效性系統的評估還沒有很好的方法，盡管提出了一些能量有效性評估指標，但這些指標大多只關注優化能耗的某些方面，存在著局限性，應用場景單一等弊端。因此，本文通過系統地研究WSNs的能耗分布，提出了影響WSNs能量有效性的關鍵因素，分析了這些因素對現有能量有效性評估指標的影響，分類比較并提出了已有指標的適用范圍和特點，為WSNs能量有效性評估指標的選取與優化提供幫助。

1WSNs的能量有效性

1.1WSNs節點能耗分布

WSNs的能耗主要體現為節點能耗。WSNs節點包含四個模塊如圖1所示：傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和供電模塊[6]。

圖1　WSNs節點結構

(1) 傳感器模塊

傳感器模塊主要負責感知周圍環境信息，并將收集到的模擬信號轉換為數字信號。傳感器模塊的能耗取決于幾個環節：信號采樣、A/D轉換和信號調制，同時，也與節點傳感活動有關(周期、睡眠/喚醒等等)。其周期性模式的能耗模型為：

Esensor=Eon-off+Eoff-on+Esensor-run

(1)

式中Eon-off是關閉傳感器運行一次的能耗，Eoff-on是打開傳感器運行一次的能耗，Esensor-run是傳感器運行時的能耗，它等于傳感器工作電壓乘以當前運行的傳感器數量和傳感運行的時間間隔。

(2) 處理模塊

處理模塊的完成傳感器的控制、協議通信和數據處理。通常，該模塊支持三個狀態：休眠、閑置、運行。其能耗表示為Ecpu：

(2)

式中Ecpu是各個狀態的能耗Ecpu-state和狀態之間轉換能耗Ecpu-change的總和。其中，i=1,2,…,m為處理器運行狀態，m是處理器狀態數，j=1,2,…,n是狀態轉換的類型，n是狀態轉換數。Pcpu-state(i)是狀態i的功率，Tcpu-state(i)是在狀態i上運行的時間常變量。Ncpu-change(j)狀態轉換j的頻率，ecpu-change(j)狀態轉換j一次的能耗。可以看出微控制單元(MCU)性能高低可以顯著影響節點的能耗。

(3) 無線通信模塊

無線通信模塊主要負責發送和接收傳感數據，通常包含四種狀態：發送、接收、監聽和休眠，其中，發送/接收(或監聽)的能耗所占比重最大。其能耗通常可以分為接收能耗和發送能耗。其總功耗表示為：

PT(d)=PTB+PTRF+PA(d)=PT0+PA(d)

(3)

PR=PRB+PRRF+PL=PR0

(4)

PA(d)=kdn

(5)

其中PA(d)是功率放大器的功耗，它是傳輸范圍d的函數,k和n是常系數，2

(4) 供電模塊

節點的供電模塊通常直接與電池相關，電池是復雜的模塊，其運行取決于許多因素，包括電池尺寸、電極材料的類型和在電解質中活性材料的擴散率，此外，額定容量和松弛效應這樣的非理想因素也會影響電池的運行[7]。通常，供電模塊的能耗與其他模塊相比小很多，可以被忽略。

對于WSNs節點的部分組成所消耗的能量對比見圖2所示，從圖可以看出無線通信模塊的發送、接收和監聽狀態的能耗最大；無線通信模塊比其他模塊的能耗要大很多。

圖2　傳感器節點能耗情況[8]

1.2影響節點能耗的因素

通過對節點能耗的分析，可以發現其無線通信的能耗所占比重最大，而在無線通信中，影響能耗的關鍵因素分別是傳輸距離、時延與調制。

(1) 傳輸距離

發送數據的能耗E與傳輸距離d的相關為[9]：

E=kdn+c2

(6)

其中k為常系數，c是固定常數，一般是電路等能耗。通常節點之間的障礙物越多干擾越大n就越大。從式(6)可看出傳輸距離和能耗是非線性關系，隨著傳輸距離的增加，能耗會快速上升。如果節點間的傳輸距離太小，那么從源節點到匯集節點就需要過多的中繼節點，從而增加電路能耗等額外的能耗；但是若節點間的傳輸距離太大，則會直接增加功率放大器的功耗。同時過大的傳輸距離也會由于信道干擾、功率下降等原因使通信信道的可靠性下降，導致誤碼率增加[10,11]，研究表明單跳傳輸的成功接收率一般為70%~90%，而在惡劣環境下會更低[12]，若再經過多跳傳輸，成功接收率會進一步降低，導致數據重傳率增加，從而進一步增加能耗。由于通信模塊的能耗占節點能耗比重最大，故每跳的傳輸距離選擇會顯著影響節點的能耗[13,14]。

(2) 時延

WSNs為減少能耗，采用節能技術之一是動態電源管理(DPM)技術[15]。即當有節點需要感知、處理數據以及監聽、發送或接收數據時，開啟相應模塊進行相應操作；如不需要進行任何操作時，則進入休眠模式。在監聽模式中，盡管傳感器節點實際上不接收或傳送數據，也會消耗大量的能量。若節點長期處于休眠狀態會延長WSNs的使用壽命，增加能量有效性，但也因此會增加數據的處理與轉發時延。另一種節能技術是動態電壓調節(DVS)，其本質上是一種MCU的節能方法[15,16]。MCU執行任務時的能耗E為：

(7)

其中Coff，VDD和ntotal表示有效充電電容、任務電壓和執行的指令周期總數。大多數MCU系統有一個時變計算負載，因此并不總是需要系統達到峰值性能。DVS通過動態調整處理器的電源電壓來滿足瞬時處理要求，因此消除了性能閑置能量。但這種降低運行頻率的方法使處理延增加，而增加能耗。

從上面分析可看到，時延與能耗存在必然的關聯，不可為了節約能量而忽視時延的增加，因為許多應用對時延的要求是很嚴格的[17]。另一方面，當節點模塊轉換為低功耗狀態時必然會引起時延增加，而時延增加也可能引起處理時間增加，從而增加能耗。因此需要在數據吞吐量、時延、能耗與網絡性能間的進行權衡[18]。

(3) 數據信息的調制

四川工商學院ICT云創園目前組織成員有42人，涵蓋2016級、2017級同學，主要由中興通信學院的學生組成，其組織架構如圖2所示。

數據信息的調制也會影響無線通信模塊的能耗，動態調制調節(DMS)是用于無線通信模塊的數據調制方面節能方法。與DVS相似，系統運行時的負載狀態是動態變化的，因此在滿足時延條件的前提下，根據當前負載，動態調節數據調制級別可以降低通信模塊的能耗[7,19]。其中，傳輸比特率Rb和調制級別K的關系為：

Rb=K·Rs

(8)

其中Rs是傳輸符號率。

而傳輸功率Ps和調制級別K的關系為：

Ps=Cs·Rs·(2K-1)

(9)

其中Cs是常數。從式(8)、式(9)可以看出，若使用高階調制，則每比特信息的平均傳輸時間小，能耗小，但會增加誤碼率且每個數據包收集處理數據的時延和電路能耗，因此能耗也會增加；相反，若使用低階調制，則每比特信息的平均傳輸時間大，能耗大，但會降低誤碼率且每個數據包收集處理數據的時延和電路能耗，因此能耗也會減少。因此根據應用要求和信道狀況選擇合適的調制，是提高WSNs能量有效性的有效途徑之一[20]。

綜上所述，傳輸距離、時延和調制方案都是影響節點能量有效性的重要因素。因此，在優化與評估網絡協議的能量有效性時要綜合考慮這些因素。

2能量有效性評估指標

WSNs的能量有效性評估指標不僅可以用來評估網絡協議的總體性能，還是指導網絡協議的選擇、設計和優化的有效方法。根據上節中影響節點能耗的關鍵因素，將能量有效性評估指標的分析結合“傳輸距離”、“時延”和“數據信息的調制”分成三類。

2.1與傳輸距離相關的指標

Bin L.等人提出了EPTD(Energy consumption Per unit Transmit Distance)評估指標[21]，考慮了傳輸能耗和電路能耗和傳輸距離的關系。指標可以表示為：

Ed=E/d

(10)

其中，E表示傳輸每比特的總能耗，d表示傳輸距離。通過該指標可以確定基于協同多輸入多輸出(CMIMO)分簇WSNs的最優協同傳輸節點數量和傳輸距離，進而選擇合適的下一跳轉發簇，從而優化WSNs的能量有效性。

2.2與時延相關的指標

Benedito J. B. Fonseca Jr.等人研究了能耗分布、重新部署率和調制技術，提出單位時間平均運行成本COPT(Cost of Operation Per unit Time)[23]：

(11)

其中Nd(t)表示在時間t內重新部署的次數，Cw是系統帶寬的單位時間成本，Cd是每次重新部署的總成本。通過該指標評估了重新部署WSNs的單位時間運行成本，并為調制技術的選擇提供指導。

Stephanie L.等人重點考慮了要保證信息新鮮度的WSNs應用[24]。提出“能量×時延”，將時延作為一個重要因素，權衡WSNs與能耗的關聯。

EPUT(Effective Packet per Unit of Time)指單位時間傳輸的有效數據包。在數據傳輸過程中由于采集和保證可靠性等原因，會造成冗余，因此使用EPUT來衡量有效數據包的傳輸效率，進而衡量能量有效性。

網絡壽命(Lifetime)已成為評估傳感器網絡的一個關鍵指標。它為傳感器網絡的使用提供了一個上限，近期許多算法或協議的提出就是要增加WSNs的壽命，同時也使用網絡壽命作為評估標準。目前，網絡壽命的定義尚未有統一標準。Isabel D等總結常見的幾種網絡壽命定義，并對其分類，而且指出一些影響網絡壽命的因素[25]，并提出了一種更一般化且簡明的網絡壽命定義。Mustapha R.S.等人則考慮了網絡壽命的時空分布特點，通過已有的Lifetime評估指標評估了幾種常見的協議，分析了節點數量和節點離基站距離以及簇首數量對每種協議網絡壽命的影響[26]。Atay O.等人提出了一種基于實用性的網絡壽命衡量框架WCOT (Weighted Cumulative Operational Time)[27]，指出網絡壽命的定義應與具體應用相關的，網絡壽命指標不應僅僅關注WSNs時間軸上的單個點，而忽略了網絡運行狀態的演變。通過利用實用性函數作為基礎，從而將WSNs的網絡狀態考慮在內。由于不同應用的實用性函數不同，而且同類型應用的實用性函數也會有差別，因此，如何選取準確的實用性函數是一個難點。而且WCOT給出的網絡壽命是一個相對時間不是絕對時間。

2.3與調制方案相關的指標

Josephine A等人提出EPUB(Energy per Useful Bit)[28]：

(12)

其中BD和BP分別是一個數據包的數據和前同步碼平均數量，T是單位為s的比特時間，PTX是以mW為單位的傳輸功率，PRX是以mW為單位的接收功率包括模數轉換(ADC)和同步電路。常數ξ是由MAC方案決定的，表示接收模式(PRX)和發送模式(PTX)時間的平均比值。Josephine A等考慮了調制時的附加同步控制編碼的影響，并將EPUB分為收發功耗和附加同步控制編碼兩部分分別分析。通過該指標可較好地評估和比較傳感器網絡物理層的能耗，指導WSNs物理層的設計，并可結合實際無線設備分析數據包長、數據速率、載波頻率和調制方案對能耗的影響。

Qing C等人提出了EPB(Energy Per Bit)評估和優化不可靠鏈路的能量有效性[11]。Matthew H.等人在使用EPB的同時[29]，結合加性高斯白噪聲和塊瑞利衰落信道模型，對調制方案、傳輸功率和跳距離等方面進行了優化，降低了物理層的能耗。和EPB類似，EPUE(Effective Packet per Unit Energy)是指單位能量傳輸的有效數據包。該指標可以用于在數據傳輸過程中調制方案、調制級別、誤碼率和數據冗余等因素對能量有效性的影響。

2.4其他指標

夏先進等人考慮了WSNs應用和節點等方面的異構性，利用經典力學中的做功理論建立WSNs能量有效性評估指標[30]。通過使用“做功效率”，即WSNs在使用壽命內的有效做功與總功耗(實際能耗)的比值作為評估WSNs能量有效性的指標，提出平均能量衰減率和能量熵作為WSNs能耗狀態的衡量指標，綜合的設計了一套WSNs能量有效性評估的框架，能夠用于異構的WSNs中，可更有效地評價和分析WSNs的能量有效性。另外，總能耗和總傳輸數據包分別是指每輪數據傳輸所消耗的總能量和傳輸的總數據包，是用于評估協議常見的指標。

3評估指標分析比較

通過對評估指標中影響能量有效性因素的研究，分析、比較并總結了常見的WSNs評估能量有效性的指標。如表1所示，(++)表示重點考慮、(+)表示有考慮到、(-)表示沒有考慮到。

表1　WSNs評估能量有效性指標的分析比較

續表1

通過表1可以看出，每種評估指標關注點都不同，考慮的因素及適用范圍不同，也各有優點和不足。EPTD用于分簇協同傳輸多跳WSNs，且只用于協同傳輸節點選擇和中繼簇選擇；EPSBM是在EPSB的基礎上改進的，僅針對跳距離的選擇；COPT只用于重新部署的網絡，適用范圍小；“能量×延遲”一般用于注重時延的WSNs中；EPUT考慮了數據冗余和時延的影響，間接評估了能量有效性；Lifetime是評估WSNs性能最直接的指標，很多提高能量有效性的方法或協議的提出就是要延長Lifetime，因此也造成了Lifetime的多種定義，且差別很大，難以反映WSNs運行過程中的瞬時能耗，尤其是某些Lifetime的定義只關注于分析而不適用于網絡性能的優化；EPUB主要是針對物理層的數據速率、載波頻率和調制方案的分析和優化，而沒有考慮其他因素的影響；EPB是較具有一般性的評估指標，物理意義簡明，考慮的因素全面；EPUE直接用于網絡性能評估，物理意義明確；做功效率只關注于能耗分析而不適用于網絡性能優化，且計算公式復雜，公式的準確性也難以判定；總能耗和總傳輸數據包過于簡單，局限性大且不適于網絡優化。

無線傳感器網絡能量有效性研究的主要目的就是增加網絡壽命，因此，我們認為Lifetime指標是無線傳感器網絡設計中最常用的評估指標；EPB指標相對于其他指標更加簡單，而且體現了網絡性能和能耗的關系，是一種比較普遍的評估指標；當研究最優傳輸距離時，可以選擇EPSBM作為評估指標；當網絡延時被認為很重要時，可以考慮選擇“能量×延遲”作為評估指標；當研究控制編碼的影響時，建議使用EPUB指標。

4結語

WSNs能量的有效性分析與合理的評估指標是評價WSNs協議以及指導WSNs設計的關鍵。

本文結合影響WSNs能量有效性的主要因素對一些常見的評估指標進行了分析，總結了這些指標的特點和適用范圍以及優缺點，提出了針對不同應用場景，合適的能耗評估指標，方便研究者根據需要選擇合適的指標來評估WSNs的能量有效性，并有助于協議的改進和WSNs的設計。我們下一步的工作是在此基礎上，進一步改進評估指標，得到更加便于實現的輕量級能耗評估評估指標。

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中圖分類號TP212

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.02.021

收稿日期：2014-06-09。國家自然科學基金青年基金項目(6130 2113)；上海市自然科學基金項目(13ZR1440800)；上海市青年科技啟明星計劃項目(14QB1404400)。張小瓏，碩士生，主研領域：無線傳感器網絡信息安全，能量有效性。石志東，研究員。房衛東，高工。王秀芝，碩士生。單聯海，副研究員。