趙 靜， 潘 斌， 王 進(jìn)， 譚秀蘭

（①成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106；②成都理工大學(xué) 信息管理學(xué)院，四川 成都 610059；③成都大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)中心，四川 成都 610106）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，但是它的能量問題一直制約其大規(guī)模發(fā)展。無線傳感器節(jié)點(diǎn)大多采用能量有限的電池供電，且節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、分布廣、所處環(huán)境復(fù)雜，通過更換電池來補(bǔ)充能源是非常不現(xiàn)實(shí)的問題，而能量消耗直接決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，為此，著手以低能耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和節(jié)能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為首要研究問題，通過研究提高能量有效的策略和正確的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1 傳感器節(jié)點(diǎn)能耗

1.1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單節(jié)點(diǎn)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線收/發(fā)器）以及電源模塊4部分。

1.2 節(jié)點(diǎn)各模塊能耗特性

數(shù)據(jù)采集模塊能耗主要由傳感器的特性決定，不同種類的傳感器及其不同的性能要求會帶來數(shù)據(jù)采集模塊能耗特性的較大的差異。數(shù)據(jù)處理模塊能耗包括處理器能耗和存儲器能耗兩部分，從處理器角度看，傳感器是以采用低端微控制器為代表的節(jié)點(diǎn)，該類節(jié)點(diǎn)的處理能力較弱，所以能量消耗也很小。

無線通信模塊能耗包括功率放大器能耗和電路能耗。各功能模塊能耗特性不盡相同，節(jié)點(diǎn)能耗絕大部分消耗在無線通信模塊上，通常1 bit的信息傳輸100 m距離所需的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000條計(jì)算指令所消耗的能量[1]。

2 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺以及應(yīng)用支撐平臺這3個部分組成。其中分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議體系由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。

2.2 網(wǎng)絡(luò)能耗特性

傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際的應(yīng)用中，各個結(jié)構(gòu)都伴隨著能量的損耗。網(wǎng)絡(luò)中的能耗主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層3方面。

數(shù)據(jù)鏈路負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。當(dāng)MAC幀頭和控制消息包中沒有包含有效的數(shù)據(jù)時，是一種能量的損耗。另一方面，通信網(wǎng)絡(luò)中信道共享，帶來數(shù)據(jù)包沖突、暴露終端和隱蔽終端問題，這無疑造成網(wǎng)絡(luò)較大一部分能量的損耗。

網(wǎng)絡(luò)層用于發(fā)現(xiàn)和維護(hù)數(shù)據(jù)，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)無法直接與網(wǎng)關(guān)通信，需要通過中間節(jié)點(diǎn)以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)的動作需要協(xié)調(diào)時，在接入和路由協(xié)議上，當(dāng)開銷用于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)動作時，能耗很大。

傳送層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸控制，主要是通過匯聚節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)、Internet或者其他的鏈路與外部網(wǎng)絡(luò)通信。但是在數(shù)據(jù)傳輸過程中，誤使用剩余能量較低節(jié)點(diǎn)、大量同類數(shù)據(jù)一起傳輸或傳輸與接收不同時等，將引起大量能量的損耗。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能機(jī)制

3.1 節(jié)點(diǎn)的節(jié)能策略

3.1.1 低能耗節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，一旦電能耗盡，節(jié)點(diǎn)就失去了工作能力。為了最大限度地節(jié)約能量，在節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)方面需要優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)是一種很好的節(jié)能措施。

在硬件設(shè)計(jì)方面，盡量考慮低功耗器件，在沒有通信任務(wù)的時候，及時的切斷射頻部分電源；在軟件設(shè)計(jì)方面，各層通信協(xié)議都應(yīng)該以節(jié)能為中心，必要時可以犧牲其他的一些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，以獲得更高的電源效率。

3.1.2 節(jié)點(diǎn)能量管理與調(diào)節(jié)

采用低能耗技術(shù)：動態(tài)功率管理（DPM）技術(shù)和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）技術(shù)，該兩項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐步用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)微處理器中[2]。

DPM 技術(shù)也叫休眠技術(shù)，當(dāng)無線傳感節(jié)點(diǎn)在無計(jì)算要求而進(jìn)入空閑狀態(tài)時，關(guān)閉大部分處于空閑狀態(tài)模塊、組件或?qū)⑵湔{(diào)到更低能耗的睡眠狀態(tài)以節(jié)能。

DVS技術(shù)是當(dāng)計(jì)算負(fù)荷較低時，改變工作電壓和時鐘頻率以降低無線傳感節(jié)點(diǎn)處理器能耗技術(shù)。對于目前的廣泛應(yīng)用的實(shí)時嵌入式系統(tǒng)而言，該技術(shù)能夠有效地降低功耗而節(jié)能。

3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議節(jié)能機(jī)制

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各種節(jié)能機(jī)制涉及了WSNs的各層，每一層可以根據(jù)自身的特點(diǎn)和功能的不同，設(shè)計(jì)出不同的節(jié)能策略。

①介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議[3]，該協(xié)議直接控制著耗能最多的無線通信模塊的活動，針對能耗比例以及造成無效功耗的因素，MAC協(xié)議多采用降低睡眠、偵聽占空比、控制節(jié)點(diǎn)間的連通度、合理分配信道等策略，盡量避免或減少能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的能量高效性；

②低功耗自適應(yīng)分層路由協(xié)議[4]（LEACH），通過隨機(jī)循環(huán)地選擇簇頭將網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載均衡分配到各節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能耗、提高網(wǎng)絡(luò)生存期的目的；

③能量多路徑路由[5]，通過該機(jī)制根據(jù)路徑上節(jié)點(diǎn)的能量消耗以及節(jié)點(diǎn)的剩余能量狀況，給每條路徑賦予一定的選擇概率，使得數(shù)據(jù)傳輸均衡地消耗整個網(wǎng)絡(luò)能量，延長網(wǎng)絡(luò)生存期；

④功率控制：就無線傳感網(wǎng)絡(luò)而言，采用高效優(yōu)化的拓?fù)淇刂茩C(jī)制[6]，可以合理的調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在保證通信質(zhì)量的前提下降低發(fā)射功率，并有選擇性地讓部分節(jié)點(diǎn)的通信模塊關(guān)閉和均衡節(jié)點(diǎn)能量消耗來降低節(jié)點(diǎn)能耗，可有效的節(jié)約能量資源；

⑤基于能量保護(hù)的跨層設(shè)計(jì)，其主要作用是跨層設(shè)計(jì)將在不同的層上的信息實(shí)現(xiàn)共享，跨層體系結(jié)構(gòu)中可以制定聯(lián)合能量約束機(jī)制實(shí)現(xiàn)能量全局優(yōu)化。將MAC協(xié)議與路由項(xiàng)結(jié)合進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)[7]，可以使整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效果達(dá)到最優(yōu)，延長網(wǎng)絡(luò)生存期；

⑥數(shù)據(jù)融合，其目的是減少數(shù)據(jù)傳遞過程中冗余度和最小化傳輸量，它實(shí)現(xiàn)能量有效的數(shù)據(jù)傳遞，從而節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量。

4 能量補(bǔ)給方案

環(huán)境中有巨大的能量可以供使用，那么從環(huán)境中捕獲能量為傳感器節(jié)點(diǎn)供電將是一種有效的途徑。大多采用太陽能電池、振動、風(fēng)能、溫差等器件從環(huán)境中獲取能量，但是這種能量補(bǔ)給措施還不夠普及。目前已經(jīng)研究有成果，即以超級電容器和鋰離子電池[8]為儲能器件從環(huán)境中捕獲能量，采用低功耗的能量管理策略，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的長壽命工作。

5 結(jié)語

分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗特性，根據(jù)低功耗節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)的原則和節(jié)點(diǎn)工作能耗，研究降低傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的節(jié)能方案，同時，考慮不同網(wǎng)絡(luò)層能耗的因素，重點(diǎn)研究與歸納傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議節(jié)能機(jī)制，總結(jié)了延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的能量策略。最后指出從環(huán)境中獲取能量補(bǔ)給方案，在實(shí)用化應(yīng)用中，還不夠成熟，這將是未來研究的方向。

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