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王战备／陕西理工学院电信系（陕西汉中．723003）
摘 要：能量供应与消耗目前影响无线传感器网络生存时间的主要因素.介绍了无线传感器网络节点组成,从硬件消耗和软件消耗两方面分析了影响能量消耗的主要因素,阐述了降低能耗、延长网络生存时间的的5种基本策略,并对无线传感器网络的能量供应方式的发展作了分析预测.
关键词：无线传感器网络,能耗,网络生存时间,节能方法
中图分类号：TP212
文献标识码：B
文章编号：1673-1131(2010)04-041-03
一、引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks．WSN)是通过在检测区域内部署大量具有无线通信与计算能力的网络节点,由节点通过自组织方式构成的能自主完成指定任务的分布式智能化网络系统等.无线传感器网络的节点间距离很短,一般采用多跳的无线通信方式.该网络可以在独立的环境下运行,也可以通过网关连接到Internet．实现远程访问.无线传感器网络的最初起源于军事应用,而今,无线传感器网络正在逐渐的应用于环境与生态监测、健康监护,家庭自动化及交通控制等很多民用领域.通常无线传感器网络中的节点数量较多、分布范围较广依靠不能补充的电池作为能量源,在很多场合下由于条件限制,维护人员难以接近,电池更换非常困难,甚至不可能更换,但是却要求网络的生存时间长达数月甚至数年.所以能量供应就成为影响网络有效生存时间和网络整体性能的主要因素.如何在现有能量供应条件下,在不影响系统功能的前提下,尽可能降低系统能耗,节约电池能量,最大限度延长网络生存时间就成为无线传感器网络设计中的核心问题.
二、系统组成分析
无线传感器网络是由大量网络节点以自组织、多跳方式构成的无线网络形式.节点是构成无线传感器网络的主要因素,也是其中能量消耗的主体,通常无线传感器网络节点由数据感知采集模块、数据处理模块、数据传输模块和能量供应模块四部分组成,其基本结构如图l所示.
数据感知采集模块是由传感器和信号变换器组成．负责完成对感知对象信息的采集功能．并将其转换成相应的数字信息.该模块中能量消耗主要在信号采样、信号变换两方面.
数据处理模块由处理器和控制软件组成,主要完成数据分析处理和节点功能及状态控制,影响该模块能量消耗的主要因素有处理器的功能、性能：控制软件的执行效率及效果,其中控制软件包括操作系统软件和协议软件.
数据传输模块主要有无线收发器件和相关辅助电路组成．主要完成节点数据的无线传输功能.影响该模块能量消耗的主要因素包括无线收发器件采用的调制模式、数据率、发射功率和操作周期等.
能量供应模块电池和电压变换器组成,其主要功能是为节点其他模块供应能量．同时由于自身存在电压变换过程也会消耗一部分能量.
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三、能耗分析与节能策略
3.1能耗分析
通过对无线传感器网络节点组成的分析可知,其中的能量消耗的主要包括以传感器、微处理器、无线收发器等器件正常待机所引起的硬件消耗和协议软件工作所引起的软件消耗两方面.
对于硬件能量消耗而言,随着电子线路集成工艺的不断进步发展,电子器件的低功耗技术已日趋成熟,通过在节点设计中采用具有低功耗特点的微处理器、传感器和无线收发器便可最大程度上降低硬件待机能量消耗.
软件消耗主要是由通信协议软件执行引起的能量消耗.由于各种不同的通信控制协议在实现网络自组织．数据传输与数据转发等方面的算法思想各不相同,使得节点各部件工作状态、工作时间、工作效率各不相同,相应的工作能耗各有差异.
根据Deborah Estrin在2002年Mobicom会议上所作的报告可知：传感器节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块上,无线通信模块在空闲状态和接收状态的能量消耗接近.无线通信模块成为节点能量消耗的核心,无线传感器节
由图2可知,对于无线通信模块而言．尽管在可通过选择低功耗器件来降低硬件待机消耗,但由于工作时所采用的控制协议不同,在实现状态切换时的策略不同,进而所消耗的能量也不同.由此可知影响无线传感器网络能量消耗的主体因素是控制协议,并且硬件工作能量消耗和控制协议软件策略之间是密切联系在一块的,除此之外,网络的能量消耗还与网络构建中的诸多因素有关.
3.2节能策略
无线传感器的能量供应主要以不可补充的电池为基础,在此基础上,为了有效延长网络生存时间,除了在节点设计时选用低功耗器件外,在网络构建与控制协议设计中必须采用节能策略,达到对有限能量资源的最大化利用,最大限度延长网络生存时间.
1.)节点冗余技术
该方法的基本思想是在节点布设过程中．在某一区域通过设置冗余节点（数量可视环境而定）．并在节点间建立互唤醒机制．在一段时间内．让其中一个节点处于工作状态,并且保证该节点能够维持一定的网络覆盖质量,其他节点休眠,待工作节点任务完成进入休眠状态前,通过互唤醒机制唤醒距离它最近的节点.通过这种节点轮流的工作方式可有效提高单节点的生存周期,从而延长整个网络生存时间.
2.)优化介质访问控制(MAC)技术
在无线传感器网络中,通过介质访问控制协议将有限的无线信道资源提供给各节点竞争使用,由此可能引起以下几方面的能量消耗：
(l)数据碰撞：各节点使用共享信道发送或接收数据,共享信道上的数据可能会发生碰撞而导致节点数据重传,造成了节点的能量消耗.
(2)冗余数据处理：节点在工作过程中接收处理大量冗余数据,导致能量的浪费.
(3)过度的空闲论文范文：节点除发送数据外基本处于空闲论文范文状态,而节点空闲状态的也要消耗大量的能量.
(4)附加开销：节点在传输数据时,数据帧中会附加控制信息,从而加长了数据帧长度,数据量的增加造成了额外的能量开销.
在进行MAC协议优化时,采用载波多路监听／冲突避免(C论文范文A/CA)机制和随机退避机制实现信道共享,并可通过设置退避时间来减少数据碰撞的可能,避免数据重传带来的能量消耗；对节点采用“监听／休眠”状态交替转换机制,减少节点空闲监听时间,同时可以减少节点对冗余数据的处理,降低节点能量消耗：在保证数据信息正常传输的基础上尽可能地减少控制信息,降低附加能量消耗.
3.)节能路由协议与数据融合技术
路由协议负责将数据分组从源节点转发到目的节点,它主要包括两方面的功能：路由寻径和数据转发.对于无线传感器网络而言,由于网络工作在有限能源环境下,对路由协议相应的就提出了节能的要求,为保证网络生存时间的最大化,无线传感器网络的路由协议设计必须遵从能量消耗最小、能量消耗均衡的原则.
路由协议设计时首先必须保证具有搜索源节点和目的节点之间所有可能路径的功能,然后根据各路径上节点的通信能量消耗以及节点的剩余能量情况,给每条路径赋予一定的权重或选择概率,使得数据传输能均衡地消耗整个网络的能量.同时可与数据融合技术结合,在完成数据转发之前,通过节点处理器的比较分析,去除冗余数据,减少冗余数据传输,降低无线传输能耗．提高网络生存时间.
4.)功率控制技术
无线通信模块具有发送．接收、空闲或睡眠四种工作状态．根据Deborah Estrin对节点能耗的统计分析可知,无线通信模块的发送、接收、空闲三种状态能量消耗最大,睡眠状态能量消耗最小.要降低无线通信模块的能耗可采用的基本方法是在保证节点正常通信的状况下尽量降低发射功率,即节点可根据目标节点的距离控制数据包的发送功率,通过这种动态的功率调节技术即可达到降耗的目的同时又能够有效避免节点间的信号干扰.
5.) DPM与DVS技术
动态能耗管理(Dynamic Power Management,DPM)是指系统可根据工作负载的变化情况将系统中未被使用的组件转入低功耗模式或者关闭.由于目前大部分的微处理器和外设均考虑了低功耗需求,并且提供了多种功耗操作模式,这为动态功耗管理提供了条件.同时,随着CMOS技术的发展,高效DC-DC电压转换器的出现为动态电压调节(Dynamic Voltage Scaling,DVS)技术提供了良好的基础．DVS使得处理器内核的工作电压和工作频率在运行期间可根据应用任务的实时性进行动态调节.通过在无线传感器网络中引入DPM和DVS技术可实现对现有能量的最优利用,能够有效延长网络生存时间.
四、结束语
目前,无线传感器主要以不可补充的电池为能量源,而在现在的技术条件下要提高单位体积内的电池容量仍存在一定难度,所以能否有效合理的使用现有能量资源就成为响着整个网络的生命周期的主要因素.本文在分析了无线传感器网络能量消耗主要因素的基础上,阐述了几种可以实现网络及节点降耗的基本技术与方法,分析了各个方法的实现思路及设计要点.随着技术条件的不断发展,太阳能发电、风能发电等环保的供电技术已逐渐成熟,利用这些技术实现节点自供电的条件也将逐渐成熟,有理由相信．在不久的将来,能量供应问题将不再成为制约无线传感器网络发展的瓶颈,无线传感器网络必将融入到我们生活的方方面面,并对整个社会的进步发展发挥越来越大的作用.
参考文献
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作者简介
王战备,(1977-),陕西乾县人,陕西理工学院电信工程系教师,讲师,硕士,主要从事网络交换与数据传输方面的教学与科研工作.
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