浅析无线传感网络节能策略

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摘要：无线传感网络是因特网技术之后，又一个对人们生活产生重大影响的信息技术。目前在军事、医疗、环境等领域有着相当的应用，必将在未来生活中影响人们的方方面面。该文主要对从无线传感网络能量的角度出发，分析了无线传感网络能量特点和节能的必要性，同时给出节能策略。

关键词：无线传感网络；信息技术；节能策略

中国分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)31-0867-02

Elemental Analysis on the Wireless Sensor Network of Energy-saving Strategy

WANG Yi-min1，2， WU Jian-guo1

(l.Ministry of Education's Key Laboratory of Intelligence Computing and Signal Processing， Anhui University， Hefei 230039， China; 2.Network Center of Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China)

Abstract: Wireless sensor networks is another information technology that have a significant impact on people's lives after Internet. At present， there are considerable applications in military， medical， environmental and other fields and it will affect every aspect of people's lives. This article mainly focuses on wireless sensor networks from energy point of view， analyses features of the wireless sensor network energy and necessity of energy-saving， at the same time gives the energy-saving strategy.

Key words: wireless sensor networks; information technology; energy-saving strategy

1 引言

21世纪是信息时代，各种各样的信息技术使得人们的生活越来越方便，特别是通信技术，嵌入式计算技术，传感器技术等迅速发展，融合这三大技术的无线传感网络（WSN:Wireles Sensor Network）正成为当今信息技术发展的前沿。

无线传感网络主要功能是能够实时检测和采集网络分布区域内的各种监测对象的特定信息，包含对信息的采集、处理、融合以及传输。它可以在任何时间、地点和环境下去为人们获取详实可靠的信息，因此，在许多领域有着广泛的应用，比如国防军事、环境监测、农业病虫害监测、交通管理、医疗卫生等。目前已成为信息研究的热门对象，是在因特网之后又一对人们生活产生重大影响的技术，因特网使现实社会虚拟化，而无线传感网络在实现了物质世界虚拟化，使逻辑上虚拟的信息世界和真实的物理世界融合在一起，改变了人类与自然的交互方式。

2 无线传感网络体系结构

无线传感网络主要由大量随机分布无线传感器（节点）自组织并采用多级跳中继方式传递信息的无线网络。无线传感器是整个网络基本单元，主要分为四个模块：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块。传感器模块主要负责对外部物理世界监测（如温度、湿度等各种信息）并将监测到信息进行数模转换。处理器模块主要负责将信息存储并融合打包。无线通信模块主要功能将打包的数据通过无线收发器保证及时准确的传输到目的节点。能量供应模块主要提供无线传感器其它三个模块工作的能量，一般为纽扣电池。如图1所示。

体系结构里主要包括普通节点，骨干节点，网关节点，监控中心四个部分组成，其中普通节点负责监测数据的采集并无线发射功能，骨干节点除了普通节点的作用外，还负责接受其他普通节点采集数据，并将其融合再发射相邻骨干节点，采用这种多级跳的方式将数据送到网关节点，网关节点负责将这些监测数据并入因特网传递给远处监控中心，监控中心负责对所采集的数据进行分析并得到相应结果以供决策。如图2所示。

■

图1 图2

3 无线传感器网络节能意义与能耗特点

3.1 节能意义

无线传感器网络在民用和军用方面具有极高的价值，可以在大范围内用于收集、处理和发布复杂的环境数据，但在使用过程中存在着一些现实约束。无线传感器网络实际应用中传感器节点需要量大，要求单价便宜，所以一般体积微小，通常携带能量十分有限的电池，而且一般这些节点组成的无线传感器网络往往被部署在偏远地区或环境恶劣的区域，有些区域甚至人员不能到达，对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，对电池的更换是非常困难的甚至是不可能的。但是无线传感器网络的生存时间却要求长达数月甚至数年，为了保证无线传感器网络的长运行时间（延长网络的生命周期），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电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题，也是当前国内外研究机构关注的焦点。

在体系结构中已经介绍了一个典型的无线传感器节点主要由四部分组成：

传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块。传感器模块通过感应器感知各类相关信息，如温度、湿度、光线强度、烟雾浓度等，然后交由处理器模块进行信息的融合和处理;最后通过无线通信模块对数据信息进行转发。传感器节点的无线通信模块不仅负责接收和发送数据包，还负责侦听通信信道，或关闭无线电转入休眠状态。除产生能量的电源外，传感器模块、处理器模块和无线通信模块都是能源消耗点。下面分别对这三个模块说明一下其对能耗的影响：

1) 传感器模块：其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的能耗不同；感应的时间长短不同，传感器所需的能耗也不同；环境的复杂性也决定了感应所需能量的多少，比如在充满噪音的场景下，探测的准确性受到影响，探测所得到的数据其不可靠因素增加，为了获得精确的数据，探测所需的能耗和重复探测的次数加大，因此总体耗能就大。根据能耗量，传感器可大致分为三类：①低能耗类的，如温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、加速度传感器等；②中等能耗类的，如声音传感器、磁传感器等；③高能耗类的，如图像传感器和视频传感器等多媒体相关的。但从总体上来说，感应所消耗的能量要远小于通信所消耗的能量。

2) 处理器模块：随着集成电路发展，在传感器节点中，数据处理的能量消耗远小于通信所需要的能量消耗。假设无线电服从四次方路径衰耗的瑞利衰落，在100米距离上传输1KB的数据所消耗的能量大概与在l00MIPS/W处理器上执行3百万条指令所消耗的能量相当。

3) 无线通信模块：它是传感器节点最大的能量消耗最大的模块，据试验，传感器节点里能量70%左右消耗在通信模块上。国外提出了一个无线电功率消耗的公式：

Pradio=Nlx[Plx(Ton-lx+Tst)+PoutTon-lx]+Nrx[Prx(Ton-rx+Tst)]

其中Nlx/rx分别是发射器和接收器每秒开启的平均次数，Plx/rx分别是发射器和接收器的功耗，Pout是发射器的输出功率，Ton-lx/rx分别是数据传输或接收的实际时间，Tst是发射器的启动时间。Nlx/rx主要依赖于具体的应用场景和采用的MAC协议。一般的低功率无线电收发器的Plx/tx值均在20分贝毫瓦左右，而Pout的值接近0分贝毫瓦。

4 无线传感器网络节能策略

由于无线传感器网络监测区域一般环境恶劣且无线传感器数目众多，通常为一次性使用（即能量耗完，这个节点的使命结束），电源能量约束直接影响传感器网络生存周期和覆盖区域（有些节点过早的能量耗尽），限制了传感器网络的有效性，是阻碍传感器网络应用的严重问题。根据上面传感器网络能耗的特点，我们可以有以下几种节能的策略。

4.1 单个节点的节能优化

单个节点除了在节点设计中采用低功耗硬件之外，主要以下三个方面来考虑节能：

1) 接受信号强弱来决定发射功率

通过上面的分析，通信模块是耗能的主要部分。首先从发射功率入手，由于网络中传感器是随机分布，不可能完全均匀，传感器节点可以在初次发射无线电波，通过相互接受的信号强弱，给出合理的发射功率以节省能量。

2) 提高数据的融合度

数据采集以后，要通过处理器模块对数据融合打包，尤其在骨干节点，必须把下面的所有节点所采集的信息融合打包，形成数据流，由通信模块传输。提高数据的融合度，减少数据流的长度，节省发射的时间以达到节省节点能量的效果，这是降低单个节点能耗的有效途径之一。

3) 动态电源管理

通过动态电源管理 (Dynamic Power Management， DPM)等技术使系统各个部分都运行在节能模式下也可以节约大量的能量。最常用的电源管理策略是关闭空闲模块，在这种状态下，无线传感器节点或其一部分将被关闭或者处于低功耗状态，直到有令其感兴趣的事件发生。DPM 技术的核心问题是状态调度策略，因为不同的状态有不同的功耗特征，同时状态切换也有能量和时间开销。

4.2 整个网络节能优化

网络节能优化主要从网络整个全局来看待整个系统的节能。

1) 睡眠调度机制

在二维平面上，传感器节点的传感范围通常是以传感器节点为圆心，r为传感半径的覆盖圆盘。由于网络中传感器节点的分布通常具备随机性和密集性，许多节点的传感范围之间会出现交叠，因此会导致覆盖冗余节点 (覆盖冗余节点是指进入不工作的休眠状态也不会影响网络整体覆盖效果的节点)的出现在同一块区域内，可以在这一区域内，让部分节点在一段时间内处于休眠状态，通过睡眠调度机制在适当时候进行唤醒，使区域内的节点轮流休眠，达到节省能量延长网络寿命的效果。

2) 选择最优传输路线

对整个传感器网络而言，需要从全局上考虑所有采集信息从各个数据源出发最终汇集到网关中心，是如何在源和目的地之间找到一条节能的多跳路由成为问题的关键。最简单的节能路由协议是最少能量路由，即寻找一条能耗最低的路由，通过它传送数据。但这样未必能延长网络的生存时间，因为某些处于关键位置的节点可能被过度使用而导致电源过早耗尽.为避免这种情况，使得各个节点的能量相对消耗均衡，更多的考虑了骨干节点电池的剩余电量，所以最终的最优传输路线的选择是总能量最小消耗和各个节点均衡消耗相结合，动态的变化和选择形成最优传输路线。

5 结束语

随着目前对无线传感网络的深入研究，在未来生活中必将得到广泛应用，对人们生活方式产生巨大影响。延长无线传感网络的使用寿命是目前无线传感网络研究的热点。本文从无线传感网络能耗特点出发，具体分析的节点各个模块的功能及能耗情况，从节点个体和整个网络两个层面分别提出节能的策略，实现延长无线传感网络的生命周期目的。

参考文献：

[1] 曾鹏.无线传感器网络高效节能的信息收集机制及方法研究[D]. 中国科学院沈阳自动化研究所博士学位论文，2007:20-45.

[2] 崔莉，鞠海玲，苗勇，等.无线传感器网络研究进展[J]. 计算机研究与发展， 2005(01):167-178.

[3] 滑楠，史浩山，吴健，段渭军.无线传感器网络簇间路由算法研究[J]. 计算机工程与应用，2005，41(30):125-129.

[4] 王殊，阎敏杰，胡富平，等.无线传感器网络的理论及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007.

网址：浅析无线传感网络节能策略 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/1285680

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