无线传感器网络的能量管理

.-.无线传感器网络的能量管理班级：信息1502学号：2015485姓名：张蕊.-.1进行能量管理的原因无线传感器网络节点密度大，一般部署在恶劣环境中，能源通常很难替代，节点能量供给大都是采用电池供电方式，并要求工作相当长的时间。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的能量成为无线传感器网络软、硬件设计中的核心问题。通过能量管理机制尽量减少节点的能量消耗，可有效延长节点的工作时间和网络的整体寿命，达到应用的需求。因为节点的能量非常有限，所以能量消耗是WSN重点关注的问题。事实上，所有的无线设备都面临能量不足的问题，而以下原因使得WSN的能耗问题更加严重：1.与其承担的感知、处理、自主管理和通信等复杂功能相比，节点的体积非常小，难以容纳大容量电源。2.一个理想的无线传感器网络由大量节点组成，因此，不能通过人工方式更换节点电池或者给电池充电。3.虽然学术界正在研究可再生能源和自动充电机制，但节点太小仍然是限制其应用的因素。4.部分节点失效可能会导致整个网络过早地分离成一些子网。在实现无线传感器网络能量管理方面普遍从每个节点出发，除了在无线传感器网络节点设计过程中采用低功耗硬件之外，还通过动态能量管理等技术使系统各个部分运行在节能模式，可以节约大量的能量。另外，还可以针对无线传感器网络不同应用进行专门的优化，并采用软、硬件整合设计、跨层网络协议设计等一体化能量管理方案来为无线传感器网络节能。2无线传感器网络节点的能耗分析一个传感器节点主要由四部分组成：电源、传感器、处理器和射频模块。传感器感知各种信息，包括温度、湿度、压强、化学物浓度等物理量，然后交由处理器进行信息的处理和融合，最后通过射频模块对信息进行转发。传感器节点的射频模块不仅仅负责接收或发送数据包，还负责侦听通信信道，或控制射频模块的开/关以进入工作或休眠状态。除了产生能量的电源模块以外，传感器、处理器和射频模块都是传感器节点的能耗源。下面就这三个构成部分来详细分析它们对节点能耗所产生的影响。(1)传感器的能耗主要来源于：变换器、前端处理与信号调节、模数转换器。传感器的种类很多，测量不同的物理量时传感器所需要的能耗不同：感应温度和感应声音所需消耗的能量不同，感应声音和感应图像所需消耗的能量也不同。根.-.据能量消耗量，传感器可大致分为三类：·低能耗类：温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、加速度传感器；·中等能耗类：声传感器、磁传感器；·高能耗类：图像传感器、视频传感器。此外，感应的时间长短不同，传感器所需要的能耗也不同；环境的复杂性同样决定了传感器节点感应外部环境信息所需的能耗。但是总体而言，感应所消耗的能量要远小于通信所消耗的能量。(2)在传感器节点中，数据处理的能耗要远小于通信所需的能耗。假设无线信号衰落服从的瑞利衰落，在100米距离上传输1KB的数据所需要的能量大概与在100MIPS/W处理器上执行三百万个指令所需要消耗的能量相当。而在一些大型的传感器网络中，节点数目众多，它们产生的数据包数相当大，在节点上进行一定的数据处理能在少量增加处理器能耗的基础上大量减少数据的通信量，因此是减少传感器节点能耗的有效途径之一。(3)由上述对感应单元和处理单元的分析可知，传感器节点最大的能耗源是射频模块。经过对Telosb节点的简单测试可以发现，Telosb在工作状态下的能耗远大于休眠时的能耗：节点处于传输状态时的能耗为接收状态时能耗的2倍多。传感器节点在空闲、接收、传输这三种模式下的能耗比率为l：1：2.7。指出传感器节点处于空闲侦听状态下所消耗的能量占整个能量消耗的90％以上。由此可见，射频模块在传输和接收模式下消耗能量最多，在空闲模式下运行也很浪费，因为射频电路在空闲状态下仍然处于开启状态，它对无线电信号进行持续的侦听来探测数据包的传入。因此，需要在没有数据包传输的情况下关闭射频模块，让传感器节点处于休眠状态以减少能耗。然而，射频的开启或是关闭同样需要消耗能量。3局部能量管理了解无线传感器节点中不同的子系统是如何消耗能量的，是开发一个局部能量管理策略的第一步。可以利用该信息来避免无用活动，并对如何节约能量进行安排。而且，它可以用来评估节点能量的整体消耗速率，以及该速率是如何影响整个网络的生存期的。下面将对构成一个节点的不同子系统进行详细的介绍。3.1处理器子系统大多数现有的处理子系统都使用微控制器，尤其是英特尔的StrongARM处理器和Atmel的AVR处理器。通过配置，这些微处理器可以工作在不同的电源模式下。例如，ATmega128L微处理器有六种不同的电源模式：空闲模式、ADC降噪.-.模式、节能模式、掉电模式、待机模式和扩展待机模式。空闲模式是在允许SRAM、计时器/计数器、SPI端口和中断系统继续工作的同时，停止CPU工作。掉电模式是在下一次中断到来或者硬件复位之前，保存寄存器的内容，冻结振荡器，并禁用其他所有芯片功能。在节能模式下。异步计数器继续工作，这样可以在其他部件进入休眠状态的同时，使用户仍能保持一个基准时间。ADC降噪模式则是停止除了异步时钟和ADC模块外的CPU和所有I/O模块工作。这样可以将ADC转换时的噪音降到最低。在待机模式中，仅有一个水晶/谐振器振荡器工作，其他设备均进入休眠状态。这样可以快速启动而消耗非常少的能量。在扩展待机模式中，主振荡器和异步时钟都继续工作。除了上述配置，处理器子系统还可以在不同的电压和时钟频率下工作。尽管让处理系统工作在不同的模式下可以有效地节省能量，但是模式间的转换也需要能量，并会产生延迟代价。在设计某种特定的工作模式之前，必须先考虑这些问题。3.2通信子系统通信子系统的能量消耗受到多方面的影响：包括调制类型和调制系数、发射机的功率放大器和天线效率、传输距离和传输速率，以及接收机的灵敏度。其中一些属性可以动态配置。此外，通信子系统可以自主启动或关闭发射器和接收器，或者两个操作都执行。通信子系统中存在大量活动的元件（如放大器和振荡器），因此，即使在设备空闲时，系统中也存在大量的静态电流。确定最有效的活动状态的运行模式并不是一件简单的事情。例如，单纯降低发射频率和功率不一定能降低发射器能耗。原因是，传输数据所需要的有效功率和功率放大器上以热量形式耗散的能量之间存在一个平衡。通常，浪费的能量（以热量形式）随着发射功率的降低而增加。事实上，多数商用发射器只在一两个发射功率上可以高效地工作。若发射功率低于一定水平，放大器的工作效率则迅速下降。一些廉价的收发器，即使工作在最大发送功率模式，也会有超过60%的直流电源功率以热量形式浪费掉了。能量问题面临的另一问题是，通信子系统从空闲模式或者待机模式转换到运行模式需要一定的时间。这个转换会带来延迟，也需要能量。例如，Chipcon公司收发器的频率合成器的锁相回路（PLL）需要192us来上锁。通信子系统从空闲或等待状态过渡到工作状态是需要时间的，由此产生的能耗或带来另一个能量问题。状态的转换会产生延迟，比如，Chipcon公司的收发器频率合成器的锁相环（PLL）需要192微秒来锁相。.-.3.3总线频率和内存时序当处理器子系统通过内部高速总线与其他子系统交互时会消耗能量。能量取决于通信的频率和宽带。这两个值可以根据交互的类型来最优化，但是总线协议时序通常是为特定总线频率而最优化的。而且，为了保证最佳性能，当总线频率改变时，要先通知总线控制器的驱动器。3.4主动式存储器主动式存储器是由电子元件按照行和列排列而成的，每一行形成一个独立的存储体。为了存储数据，这些元件必须定期刷新，刷新频率和刷新间隔可以用来衡量必须要刷新的行的数量。低刷新间隔对应一个必须在刷新操作发生之前完成的低时钟频率，反过来，高刷新间隔对应一个必须在刷新操作发生之前完成的高时钟频率。考虑两个典型的值，2K和4K。刷新间隔为2K时，可以刷新更多的单元并且操作能完成的更快，因此它比4K的刷新率消耗更多的能量。刷新率为4K时，存储器刷新步调低，刷新单元少，但是能耗低。通过设置，一个记忆单元可以工作在以下能量模式中：温度补偿自刷新模式、局部阵列自刷新模式或者掉电模式。存储单元的标准刷新率可以根据它周围环境温度来调整。为此，一些商用的动态RAM(DRAM)已经集成了温度传感器。除此之外，整个存储阵列不需要存储数据时，也可以提高自刷新频率。一次数据存储一般只使用部分存储阵列，因此可以将刷新操作限制在需要存储数据的那部分阵列中，这就是部分阵列自刷新模式。如果没有存储要求的话，则可关闭大部分或整个板载内容阵列的电源。内存时序是另一个影响内存能量消耗的参数，它是指与访问内存单元相关的延迟。在处理器子系统访问特定内存以前，首先要确定特定的行或存储体，然后再用一个行地址选通信号(RAS)将其激活。激活后，可以一直访问该单元，直到用完数据。激活存储单元中的一行所需要的时间是tRAS，该值相对而言很小，但如果设置错误的话，整个系统的稳定性都会受到影响。一个存储单元由列地址选通信号（CAS）激活。从一列或一个存储单元被选中到数据开始读写的时间差记为tRAS，该时间可长可短，取决于存储单元如何被访问。如果是顺序访问的，就可以不用考虑。但如果存储单元是随机访问的，就要先释放正在被访问的列，然后才能选中新的列。在这种情况下，tRAS会造成极大的延时。在列地址选通信号（CAS）和有效数据到达数据端口之间的延时称为CAS延时。CAS延时越低，性能越好但能耗越高。停止访问一行并选中下一行所需的时间称为tRP。结合tRCD，切换行并选中需要读写或刷新的下一个单元所需的时间可表示为tRP+tRCD。选中和预加电之间的时间差称为tRAS，用它来衡量下一个存储器选中之前处理器所需等待的时间。表3.1列出了描述RAM时序的参数。.-.表3.1RAM时序的参数参数描述RAS行地址选通或行地址选择CAS列地址选通或列地址选择tRAS预加电与激活一行之间的延时tRCD从RAS到CAS访存时间访存需要的时间tCLCAS时延tRP从一行到下一行需要的时间tCLK时钟周期的持续时间指令率芯片选择时延等待时间数据可以从内存中读写所用的全部时间当用时钟逻辑访问RAM时，RAM中的时间通常会取最接近的时钟周期。例如，当一个100MHz（时钟周期为10ns）的处理器访问RAM时，一个周期为50ns的SDRAM进行首次读操作时需要5个时钟周期，在进行同样容量的后续操作时需要2个时钟周期。通常用“5-2-2-2”来描述这一时序。3.5电源子系统电源子系统用于给其他所有的子系统提供能源。它由电池和DC-DC转换器构成，某些电源系统还包括变压器等额外部件。DC-DC转换器负责将主电压转换为各个部件正常工作所需的电压。转换可以使降压过程（buck）,也可以是升压过程（boost）,或者是升降压之间转换过程（flyback），这取决于各个子系统的需求。不过，转换也需要消耗能量，而且转换效率可能也不高。3.5.1电池无线传感器节点是电池供电的，电池的电量有限。影响电池质量的因素有多种，但是最大的因素是成本。在大范围内部署WSN时，使用成百上千个电池的成本会给网络部署带来很大的限制。电池容量以安培时来定义，符号是C。这个定义描述了一个电池在为显著影响额定电源电压（或电压差）前提下的放电速率。事实上，随着放电速率的增加，额定容量不断减小。大多数便携式电池的额定值为1C,意思是当以1C的速率放电时，电池能在一个小时内连续提供1000mA的电量。实际上，电池的运行情况要比上面描述的差。通常用普克特方程来定量描述电池容量的误差，即电池的实际持续时间：.-.其中，C是电池的理论电量，单位为安培时；I是电流消耗，单位为安培；t是电池的放电时间，以秒为单位；n是一个与电池内阻直接相关的普克特常数。普克特常数的值表明了电池在大电流放电时的性能。n接近于1，说明电池的性能良好。当电池在大电流下放电时，n越大电量就损失的越多。电池的普克特常数通过实验获得，例如铅蓄电池的n值在1.3-1.4之间。当拉电流速率比放电速率要高时，电流的消耗速率高于电解液中活性物质的扩散速率。如果这一过程持续较长时