無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能
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節(jié)點組成及能耗分析
規(guī)范的無線傳感器節(jié)點結構如圖1所示。節(jié)點由四部分組成：（1）由微處理器或微控制器構成的計算子系統(tǒng)；（2）用于無線通信的短距離無線收發(fā)電路，即通信子系統(tǒng)；（3）將節(jié)點與物理世界聯(lián)系起來，由一組傳感器和激勵裝置構成的傳感子系統(tǒng)；（4）能量供應子系統(tǒng)，包括電池和AC-DC轉換器。
圖1 無線傳感器節(jié)點結構
1) 計算子系統(tǒng)
微處理器(MicroController Unit, MCU)負責控制傳感器、執(zhí)行通信協(xié)議和處理傳感數(shù)據(jù)的算法。MCU的選擇會對節(jié)點的電池消耗帶來很大的影響，比如，Intel的StrongARM常用于高端領域，在執(zhí)行指令時功耗達到400mW，而ATmega103L AVR的功耗就只有16.5 mW，不過提供的性能也要弱的多。出于電源管理的目的，MCU通常有活躍、空閑和睡眠等多種操作模式，每種模式有不同的電源消耗。比如，StrongARM在空閑模式功耗為50 mW，而在睡眠模式時只有0.16 mW。在不同操作模式之間切換也有電源和延遲開銷，因此，不同的操作模式、模式之間的切換和MCU在每種模式的時長對整個節(jié)點的能量消耗有很大的影響。
2) 通信子系統(tǒng)
影響無線收發(fā)電路功耗的因素很多，包括節(jié)點采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等。通常，無線收發(fā)電路可以工作在四種狀態(tài)，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠狀態(tài)?？臻e狀態(tài)也具有很高的功耗，幾乎與接收模式不相上下，所以在無線收發(fā)電路處于空閑狀態(tài)時，應該盡可能將其關閉（即置于睡眠狀態(tài)）。
3) 傳感子系統(tǒng)
包括一組傳感和激勵裝置，將周圍環(huán)境的物理現(xiàn)象轉換成電信號，根據(jù)輸出可以分為模擬和數(shù)字兩類。在無線傳感器中，能量消耗來自多個部分，包括(1)信號采樣以及物理信號到電信號的轉換（2）信號調(diào)制（3）信號的模-數(shù)轉換。 {{分頁}}
4) 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能耗分析
現(xiàn)在分析無線傳感器節(jié)點的能耗。表1是Rockwell的WINS項目中無線傳感器節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)，表2是MEDUSA-II項目中節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)，從中可以看出：
采用低功耗模塊、在性能與耗電量之間進行折中對系統(tǒng)整體功耗影響巨大。
節(jié)點的能耗在很大程度上取決于各個組成部分的工作狀態(tài)。
由于傳輸距離很短，接收時的能耗可能比發(fā)送時還大。
無線收發(fā)電路在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)時的耗電量相差無幾。
表1 WINS項目中無線傳感器節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)
|
MCU模式 |
傳感器模式 |
無線收發(fā)電路狀態(tài) |
功耗（mW） |
|
活躍 |
開啟 |
發(fā)送（功耗：36.3mW） |
1080．5 |
|
發(fā)送（功耗：19.1mW） |
986.0 | ||
|
發(fā)送（功耗：13.8mW） |
942.6 | ||
|
發(fā)送（功耗：3.47mW） |
815.5 | ||
|
發(fā)送（功耗：2.51mW） |
807.5 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.96mW） |
787.5 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.30mW） |
773.9 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.12mW） |
771.1 | ||
|
活躍 |
開啟 |
接收 |
751.6 |
|
活躍 |
開啟 |
空閑 |
727.5 |
|
活躍 |
開啟 |
睡眠 |
416.3 |
|
活躍 |
開啟 |
移除 |
383.3 |
|
睡眠 |
開啟 |
移除 |
64.0 |
|
活躍 |
移除 |
移除 |
360.0 |
表2 MEDUSA-II項目中無線傳感器節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)
|
MCU模式 |
傳感器模式 |
無線收發(fā)電路狀態(tài) |
調(diào)制模式 |
數(shù)據(jù)率 |
功耗（mW） |
|
活躍 |
開啟 |
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
OOK |
2.4kbps |
24.58 |
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
OOK |
2.4kbps |
19.24 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
OOK |
19.2kbps |
25.37 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
OOK |
19.2kbps |
20.05 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
ASK |
2.4kbps |
26.55 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
ASK |
2.4kbps |
21.26 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
ASK |
19.2kbps |
27.46 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
ASK |
19.2kbps |
22.06 | ||
|
活躍 |
開啟 |
接收 |
- |
- |
22.20 |
|
活躍 |
開啟 |
空閑 |
- |
- |
22.06 |
|
活躍 |
開啟 |
關閉 |
- |
- |
9.72 |
|
空閑 |
開啟 |
關閉 |
- |
- |
5.92 |
|
睡眠 |
關閉 |
關閉 |
- |
- |
0.02 |
單個節(jié)點的節(jié)能優(yōu)化
在分析了無線傳感器節(jié)點的組成和能耗特點之后，讓我們看看在單個節(jié)點上可以采取哪些措施來節(jié)約能耗。
1) 節(jié)能計算
除了在節(jié)點設計中采用低功耗硬件之外，通過動態(tài)電源管理（Dynamic Power Management, DPM）等技術使系統(tǒng)各個部分都運行在節(jié)能模式下也可以節(jié)約大量的能量。最常用的電源管理策略是關閉空閑模塊，在這種狀態(tài)下，無線傳感器節(jié)點或其一部分將被關閉或者處于低功耗狀態(tài)，直到有感興趣的事件發(fā)生。DPM技術的核心問題是狀態(tài)調(diào)度策略，因為不同的狀態(tài)有不同的功耗特征，而且狀態(tài)切換也有能量和時間開銷。
在活躍狀態(tài)下，則可以采取動態(tài)電壓調(diào)整(Dynamic Voltage Scaling, DVS)技術來節(jié)約能量。在大多數(shù)無線傳感器節(jié)點上，計算負載是隨時間變化的，因此并不需要微處理器所有時刻都保持峰值性能。DVS技術就是利用了這一點，動態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率使其剛好滿足當時的運行需求，從而在性能和能耗之間取得平衡。
2) 節(jié)能軟件
如果操作系統(tǒng)、應用層和網(wǎng)絡協(xié)議等系統(tǒng)軟件針對能耗進行了專門的優(yōu)化，那么無線傳感器網(wǎng)絡的生存時間也能得到有效的延長。
在操作系統(tǒng)中進行動態(tài)電源管理和動態(tài)電壓調(diào)整是最合適的，因為操作系統(tǒng)可以獲取所有應用程序的性能需求并能直接控制底層硬件資源，從而在性能和能耗控制之間進行必要的折衷。操作系統(tǒng)的核心是任務調(diào)度器，負責調(diào)度給定的任務集合使其滿足各自的時間和性能需求，通過在任務調(diào)度中考慮節(jié)能問題可，系統(tǒng)生存時間可得到明顯的延長。
鑒于傳輸中不可避免的數(shù)據(jù)丟失，無線傳感器網(wǎng)絡應能根據(jù)當時的網(wǎng)絡環(huán)境提供不同精度的數(shù)據(jù)，從而獲得一定的彈性。另一方面，監(jiān)測對象的屬性是隨時間變化的，從而導致網(wǎng)絡中的計算和通信需求也隨之改變。這樣，我們就可以在實時調(diào)度算法中進行某種程度的預測，對能耗進行主動式的管理。另外，應用層可以設計成將主要的計算任務及早執(zhí)行，然后在算法正常結束前提前中止，這樣就能在對數(shù)據(jù)精度影響不大的情況下節(jié)約能耗。 {{分頁}}
3) 無線收發(fā)電路能耗管理
雖然嵌入式處理器的電源管理已經(jīng)得到深入研究，但無線收發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能設計卻研究得不夠。由于無線通信占了整個無線傳感器網(wǎng)絡能耗主要部分，因此對無線收發(fā)系統(tǒng)的能耗管理非常重要。
無線收發(fā)系統(tǒng)電源消耗主要來自兩部分，取決于傳輸距離和調(diào)制參數(shù)的射頻部分以及進行頻率合成、濾波等操作的基帶電路部分。無線收發(fā)系統(tǒng)節(jié)能設計很復雜，因為射頻部分和基帶電路部分的電源開銷是相當?shù)?，降低射頻部分的速率反而會導致能耗的增加。另外要考慮的問題是，無線收發(fā)系統(tǒng)的初始化開銷很大，這一切都加大了無線收發(fā)系統(tǒng)節(jié)能設計的難度。關于無線通信方面的能耗優(yōu)化將在下一節(jié)詳細討論。
4) 節(jié)能報文轉發(fā)
除了發(fā)送自身感知的數(shù)據(jù)之外，每個無線傳感器節(jié)點又都是路由器，需要為其它節(jié)點轉發(fā)報文。在典型的無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下，無線傳感器節(jié)點接收的大部分報文（大概有65％）需要轉發(fā)給其它節(jié)點。通常情況下，無線傳感器節(jié)點將絕大部分協(xié)議處理功能交由MCU執(zhí)行。這樣，不管其最終目的地是哪里，每個接收到的報文都會經(jīng)過相同的處理步驟到達計算子系統(tǒng)并得到處理，導致不必要的能耗開銷。利用智能無線收發(fā)系統(tǒng)，需要轉發(fā)的報文可以直接在通信子系統(tǒng)標識和轉發(fā)，甚至在計算子系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)時也能正常工作。
3 無線通信的節(jié)能優(yōu)化
與單個節(jié)點能耗管理類似，在節(jié)點間通信過程中考慮節(jié)能措施同樣對提高整個系統(tǒng)的電源使用效率有重要作用，而且，使通信過程對能耗敏感可以將節(jié)能優(yōu)化的范圍從單個節(jié)點擴展到參與通信的多個節(jié)點。
1) 調(diào)制模式
在無線傳感器節(jié)點間的無線鏈路上使用的射頻技術對無線通信的能量消耗也有重要影響。調(diào)制模式的選擇決定了無線鏈路在總體能耗與靈敏度、延遲等方面的平衡。
調(diào)制級別直接影響功率放大器的能耗，與DVS類似，根據(jù)實際需求動態(tài)改變調(diào)制級別是節(jié)約能耗的有效手段。由于無線收發(fā)電路的啟動開銷較大，因而每次發(fā)送報文的長度越大越好，這樣可以將啟動開銷平攤到更多的數(shù)據(jù)上，但將數(shù)據(jù)積累到一定長度再發(fā)送對信息交換的延遲有影響，需要在兩者之間進行平衡。
2) 鏈路層優(yōu)化
負責錯誤檢測和糾正的鏈路層影響報文的發(fā)送次數(shù)，從而影響系統(tǒng)功耗，特別是對于與網(wǎng)關節(jié)點等遠距離通信而言。對給定的誤碼率(Bit Error Rate, BER)，錯誤控制機制可以減少發(fā)送報文消耗的能量，但相應的增加了發(fā)送者和接收者的處理能耗。總的來說，鏈路層技術在降低能耗中所起的作用是間接的，好的錯誤控制模式可以降低報文重傳次數(shù)，從而節(jié)約收發(fā)兩端的能耗。
4 整個網(wǎng)絡的節(jié)能優(yōu)化
最后，讓我們看看從整個網(wǎng)絡的角度，可以采取哪些措施進行能耗優(yōu)化。
1) 流量分發(fā)
對整個無線傳感器網(wǎng)絡而言，需要從全局上考慮如何將流量從數(shù)據(jù)源傳遞到目的地，這里的重要問題是如何在源和目的地之間找到一條節(jié)能的多跳路由。節(jié)能路由是在普通的路由協(xié)議基礎上，考慮相關的能耗因素，引入新的與電源消耗有關的衡量指標，實現(xiàn)能耗的節(jié)約，這方面已經(jīng)有很多研究成果。
比如，最簡單的節(jié)能路由協(xié)議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過它傳送數(shù)據(jù)。但這樣未必能延長網(wǎng)絡的生存時間，因為某些處于關鍵位置的節(jié)點可能被過度使用而導致電源過早耗盡。為避免這種情況，最大最小路由使得節(jié)點的剩余電量盡可能多，即最大化節(jié)點的最小剩余電量。最大最小路由更多的考慮了電池的剩余電量，而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量，一個很自然的改進思路是可以將兩種方法結合起來，定義一個電源開銷函數(shù)，綜合考慮兩種策略。
2) 拓撲管理
在典型的無線傳感器網(wǎng)絡部署中，節(jié)點密度都比較高，因為提高節(jié)點密度可以提高結果的精確度，但如果系統(tǒng)生存時間更重要的話，就可以對網(wǎng)絡拓撲進行管理，利用相對較少的節(jié)點進行跟蹤。這樣，除了減少計算復雜度之外，也降低了通信開銷，因為沒有參與跟蹤的節(jié)點不會發(fā)送數(shù)據(jù)。如果硬件支持可變發(fā)射功率的話，采用低的發(fā)射功率也能夠降低網(wǎng)絡電源開銷，同時緩解共享空間信道的競爭，提高網(wǎng)絡容量。拓撲控制有專門的討論，這里就不多說了。
3) 計算和通信的折衷
除了智能的路由和拓撲管理協(xié)議，縮減數(shù)據(jù)流長度也是有效的節(jié)能手段。在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于節(jié)點的高密度，使得同一時間被多個微傳感節(jié)點同時感知并捕獲處理，導致了數(shù)據(jù)采集的冗余性。在選定節(jié)點將一定區(qū)域內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)進行匯聚或者融和，然后再將結果傳送出去，不但可以提高事件/數(shù)據(jù)監(jiān)測的可靠性，也可有效降低通信流量，從而節(jié)約能耗。
5 結束語
作為極具潛力的一種技術，無線傳感器網(wǎng)絡在未來幾年必將得到廣泛的應用，而由于節(jié)能在無線傳感器網(wǎng)絡設計中所處的核心地位，節(jié)能技術水平將伴隨著無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展而不斷提高。未來，節(jié)能技術的研究將進一步與無線傳感器網(wǎng)絡的特定應用聯(lián)系起來，針對不同應用進行專門的優(yōu)化。同時，軟硬件整合設計、跨層網(wǎng)絡協(xié)議設計等一體化節(jié)能設計思路將得到廣泛應用。
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