无线传感器能量优化

无线传感器网络能量优化技术摘要：无线传感器很好地实现了与网络的连接，作为21世纪最有影响力的创新型技术之一，对科学技术的发展和无线传输领域的进一步拓宽至关重要。本文从无线传感器的概况出发，对其消耗进行分析，进而阐述了能量优化技术的相关原理。关键词：无线传感器；能耗；技术优化DiscussiononWirelessSensorNetworkEnergyoptimizationTechniquesWANGQiupeng(Xi’anRailwayVocationalTechnicalInstitute，Xi’an710014，China)Abstract：WirelesssensorcanrealizetherealityandthenetworkconnectionweU，asoneofthemostinfluentialinnovtivetechn0109iesinthenewcentury，thedevelopmentsofscienceandtechn0109yandfurtherexpansioninthe“eldofwirelesstransmissionareimportant。Thepaperstartedfromthegeneralsituationofwirelesssensors，analyzedtheconsumptionofwirelesssensor，andexpoundedtherelatedprinciplesofenergyoptimizationtechn0109y．Keywords：wirelesssensor，energyconsumption，techn0109yoptimization由于无线传感器网络在军事、工业、环境监测、医疗卫生、智能交通等领域有着广泛的应用前景和应用价值，同时也被认为是对2l世纪产生巨大影响力的技术之一．由于无线节点通常受环境的限制，节点采用电池供电，每个节点的能量有限，而且在实际应用中由于传感器节点数量多，分布广，部署环境复杂，有些区域甚至人不能到达，而在这些环境中更换电池或给电池充电亦不现实，因此，除了依靠低能耗技术的发展外，如何减少无线传感器网络中的能量消耗，延长网络的有效工作时间具有十分重要的意义。1无线传感器网络能耗分析传感器节点通常由传感模块、计算模块、存储模块、通信模块、电源模块和嵌入式软件等组成。传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责发送和接收网络管理和探测数据信息，电源模块负责节点供电，嵌入式软件系统运行网络的各层协议。应用程序内存处理器AC/CD转换器传感器网络层MAC物理层电源模块图1-11.1节点能耗分析电源模块一般采用电池给网络节点供电。由于传感器节点的处理器执行指令的能耗远小于数据传输的能耗，因此，通信模块占了整个无线传感器的网络能耗的主要部分，尤其是信道的监听花费很大。一般情况下，通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。对于节点的能量消耗情况，在2002年Mobicom会议的特邀报告中，DeborahEstrin指出：节点的能耗主要集中在通信模块的发送、接收和空闲时。从DeborahEstrin描述的图2中可以看到无线通信模块在发送状态的能量开销最多，而在空闲状态和接收状态的能量消耗基本相同，比发送状态的能量消耗略少，而处于休眠状态的能耗最少．图图图图21.2、网络能耗的分析无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。数据传输等必须经过网络的协议栈，无线传感器的能量消耗贯穿与协议栈的各层，一些研究者从而考虑基于传感器网络的协议栈来减少能量的消耗。无线传感器网络协议栈的构成如图1-3所示。应用服务接口传输控制路由MAC声光热电气磁时间同步定位拓扑控制服务质量管理网络管理接口安全/移动/能量管理网络管理网络通信协议网络管理平台物理层数据链路层网络层传输层应用层图1-32、网络节点的能效优化策略从上述分析可以得到以下结论：传感模块、计算和存储模块以及通信模块占了传感器节点的大部分能量。2.1、传感模块在满足应用需求的条件下，尽量降低传感采集模块在数据采集时的采样频率，从而降低传感器和A／D转换器的功耗．同时，也可以通过软件与硬件相结合，在节点需要采集数据时再采集，在节点不需要时将传感器节点断电或者关闭，进一步降低数据采集模块的能耗．2.2、计算与存储模块利用现代化的技术设计低功耗的硬件，还可以在编写程序时尽量使用简单高效的算法或者使用事件驱动等方式，这样可以通过减少对存储器的读写来减少模块的能耗．其次，在负载较低时，可以使用PeringT等人提出的动态电压调节(DVS，Dynam—icVoltageScalin)算法，虽然DVS在减少能量消耗方面的效果很好，但这种通过负载状态动态调节微处理器的工作电压和频率来降低系统能耗的方法需要预先估计微处理器的负载．针对这种情况，SinhaA等人在DVS算法中引入了动态功率管理(DynamicPowerManagement，DPM)策略H]，即当节点没有监测任务时，关闭节点内部各个设备，节点实时进入低功耗模式，当有任务时再进入工作模式．在这种能量管理策略中，不仅可以降低网络的能量消耗，而且还不会影响到整个网络的性能．另外，可以使用动态能量管理技术，在没有计算任务时，关闭数据处理部件，减少执行指令时的能量消耗，这样，处理和控制模块的功耗会进一步的降低。2.3、通信模块由于无线收发在无线传感器上的消耗一直占据着很大的比重，因此，做好无线通信收发的节能是能量优化的重中之重，也是多年来科研专家最为重视的方面，下述就对常见的4种优化模式进行介绍。2.3.1、多跳通信模式多跳通信模式可以在距离上对无线传感器进行能量优化，在传感器的节点传送网络中，信息点间隔的距离越大，传送的能量消耗越多。特别是距离超过一定限度时，消耗的能量近乎于翻倍式地增长。基于信息传送距离点，可以对传送点的安置进行设计，如果将安置点进行短距和等距式的安放，就可以实现信息在传送点之间的接力，能够很好地节约能量;但是需要注意的是，在这个过程中,不能使通信的频率受到影响，否则会造成信息传送质量的降低。2.3.2、数据压缩与融合技术无线传感器网络中的节点密度大，数量多，一部分节点除了采集自己监测目标的数据的同时，还要负责转发从其他节点上传的数据，而这些数据中大部分是重复和多余的，如果直接转发必然会增加通信的流量，由于无线通信模块发送时的能耗和接收时的能耗要比处理和控制模块计算时消耗的能量大很多，直接转发势必会增加节点的能耗，因此，可以在数据转发之前对数进行预先压缩和融合，减少一些冗余信息，从而减少由于冗余信息而产生的能量消耗。2.3.3、节点休眠调节当处于休眠状态时，节点消耗的能量最低．节点在等待一段随机的时间后，进入周期性的休眠调度，由于节点只能在侦听的状态才能接受数据包，数据包可以在需要发送时通过即时唤醒发送[8]。因此，可在保证通信质量和要求的前提下延长节点的休眠时间，从而减少节点的能量消耗．对比数据压缩与融合和节点休眠技术，可以发现单纯地使用数据压缩与融合节省的能耗只是空闲状态与发射状态能耗的差值，其节能效果有限，而将节省的空闲时间转化为休眠时间，将进一步降低节点的能耗，因此从节省能量消耗的角度出发，在设计无线传感器网络相关的协议时，可以使节点在空闲时从侦听状态转变成休眠状态，休眠时间和侦听时间由于节点的不同会有所差异，这就需要在协议中设置一个合适的占空比，但网络的设计往往不是一个简单的问题，丢包率、吞吐量、延迟等问题也是设计时需要研究的．2.3.4电池容量开拓电池容量的开拓是保证能量延长的最好方法.无线传感器的电池就是保证电力持续性供应的源头，能够在现有电池的容量上有所突破相对于电能节约显得更加实际一些。3、传感器网络能源优化技术3.1、MAC协议为了使无线传感器网络的能量最小，提出了一些能量高效的MAC协议¨2。14|。这些协议的策略都是用休眠机制降低能量的消耗¨5|。这篇文献的主要思想是当传感器节点既不接收也不发送数据的时候，使它保持着空闲状态，也就是说完全关闭传感器电路的一部分。这个策略主要是针对当听到接收信道的数据没有被传送时，减少空闲监听所浪费的能量。为了避免上述情况的能量浪费，文献[16]建议在MAC层当节点被需要工作时，用唤醒机制使处于休眠的传感器节点。VuranandAkyildiz建议关于IEEE802．1lDCFMAC协议的一个改进协议是为了适应代表性的节点具有选择性的特点ⅢJ。这个简单的MAC协议被证明是高效的，胜过现存的具有能量意识的MAC协议，例如文献[13]、[14]和[17]。这个协议具有十分重要的地位，为处理未来节点信道标准建立了根本的准则。为了更加降低网络能量消耗，文献[18]建议了一个MAC机制，这个机制是消除在空间相关的两个节点中传输过程中产生无用的冗余信息，而这个机制是从文献[19]的基础上改进得到的。3.2、容错能力无线传感器运行时涉及到的数据量会非常大,数据在传输过程中出现错误是很难避免的，传感器对错误数据的操作不仅会耗费额外的能量，更重要的是使数据的准确性大打折扣。为了避免此种情况，许多专家学者在这一方面都做了很多的研究，例如对信道进行编码，在一定程度上对差错问题进行了控制；但是由于编码过程中又产生了额外的数据,使处理量得到了增加。因此，此种技术并不能真正做到传感器的节能[4]。LQI(链路质量指示)差错控制技术有着很强的适应能力，通过等级与BCH(纠错)码的对应，使能量效率得到提高，伴随着科研水平的进步，差错控制有待于进一步提升。3.3、基于路由选择的能量优化技术无线传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗较小的消息传输路径，还要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。无线传感器网络的路由协议按网络结构可分为平面型和层次型两类，典型的平面路由协议有：泛洪法(F100diIlg)、闲聊法(Gbssiphlg)、基于协商的路由SPIN、查询的定向扩散(Directeddiffusion)。典型的层次路由协议有：低功耗自适应聚类路由算法LB崛H、基于阈值的能量有效路由协议TEEN、基于链的传感器信息系统功率的有效聚集PEGASIS。近年来也提出了一些有代表性的研究，如文献[28]中综合考虑跳数和剩余能量两个因素，提出了均衡网络能耗的能量跳变路由算法，该算法适用于定期监测数据的传感器网络，且不受网络分布的影响，不过也以增加网络延时为代价，同耐增加了节点维护邻居信息表的开销。文献[29]提出一种基予能量感知的多轻路由机制，该协议在最优路线因能量受限等原因导致传输失败前，可选择另外的次优路线传输数据，实现负载均衡。此外，文献[30，31]利用网络层、数据链路层信息对网络能耗及传输数据之间进行权衡，铪出了最佳的分配方案。文献[32]提出了基于通道传输质量、节点剩余能量的网络能耗平衡算法。该算法的优势在于算法简单，易于程序实现，缺点在于该葬法的调节能力非常有限。4、结束语能量优化是无线传感器网络中至关重要的核心问题，同时，关于无线传感器网能量优化的研究也是一个复杂系统性问题．由于无线传感器网络的多样性，针对不同的应用场合，需要结合实际工况和需求进一步深入研究，如各种基于MEMS技术的低能耗传感器研究以及具有自学习功能的智能通信协议研究等，只有这样才能构建符合实际应用特点的无线传感器网络系统．参考文献1.DeborahEwirelessSensorNetworkstutorialpartⅣ:sensornetworkprotocols20022.PeringT;BurdT;BrodersenRDynamicvoltagescalingandthedesignofalow-powermicroprocessorsystem19983.SinhaA;ChandrakasanADynamicpowermanagementinwirelesssensornetworks2001(02)4.GuY