無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)能策略
彭晨，郭靜，裴靈犀，文利燕
南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇南京210042
摘 要：為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)( wsn)中能量的高效利用從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，結(jié)合已有的研究+討論了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中引起能量浪費(fèi)的主要原因，總結(jié)并詳細(xì)闡述了現(xiàn)有的用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的幾種主要節(jié)能策略，如休眠機(jī)制、數(shù)據(jù)融合機(jī)制以及沖突避免機(jī)制等。對(duì)這些策略的分析表明使用節(jié)能機(jī)制可以有效地降低能耗：最后針對(duì)當(dāng)前節(jié)能方法面臨和需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，提出了對(duì)節(jié)能策略研究趨勢(shì)的幾點(diǎn)設(shè)想。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)能技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
中圖分類(lèi)號(hào)：tp 27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a
1引 言
微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了低功耗多功能傳感器的快速發(fā)展，使其在微小體積內(nèi)能夠集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和線(xiàn)通信等多種功能。wsn由大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，發(fā)送給觀(guān)察者。wsn中包括匯聚點(diǎn)(sink)和普通傳感器節(jié)點(diǎn)。sink點(diǎn)作為中心處理節(jié)點(diǎn)，數(shù)目較少，具有較強(qiáng)的處理、存儲(chǔ)和通信能力，能量能夠得到補(bǔ)充。而普通傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，采用不可更換的干電池供電，能源一般情況下很難替代。
因此，如何延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題。
本文給出wsn中的能耗分布，分析網(wǎng)絡(luò)中能量浪費(fèi)的主要原因，介紹各種節(jié)能機(jī)制，最后總結(jié)全文總結(jié)并給出芾能策略可能的研究方向。
2 wsn的能耗分布
傳感器節(jié)點(diǎn)主要由計(jì)算模塊、通信模塊、傳感器模塊和電源模塊4個(gè)模塊組成，如圖1所示。
其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線(xiàn)通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量。
上述4個(gè)模塊中，傳感器節(jié)點(diǎn)的耗能模塊包括傳感器模塊、處理模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。隨著集成電路 工藝的進(jìn)步，處理器和傳感器模塊的能耗越來(lái)
越低，能量大部分消耗在無(wú)線(xiàn)通信模塊上。dehorah estrin在mohicom 2002會(huì)議上的特邀報(bào)告中所述傳感器節(jié)點(diǎn)各部分的能耗情況，如圖2所示。
從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)的絕大部分能量消耗在無(wú)線(xiàn)通信模塊。節(jié)點(diǎn)傳輸信息的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于執(zhí)行計(jì)算時(shí)的能耗，傳輸l hit信息到100 m遠(yuǎn)的距離所需的能量可供執(zhí)行3 000條指令。
無(wú)線(xiàn)通信模塊通常包括4種狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑和睡眠。無(wú)線(xiàn)通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽(tīng)無(wú)線(xiàn)信道的使用情況，檢查是否有數(shù)據(jù)發(fā)送給自己，而在睡眠狀態(tài)則關(guān)閉通信模塊。從圖2可以看出，無(wú)線(xiàn)通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能耗****，在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)的能耗，在睡眠狀態(tài)的能量最少。在網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，可以使用睡眠機(jī)制和喚醒機(jī)制，當(dāng)節(jié)點(diǎn)周?chē)鷽](méi)有其感興趣的事仵時(shí)，利用睡眠機(jī)制使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，需要通信時(shí)再用喚醒機(jī)制對(duì)其進(jìn)行喚醒，這樣可以節(jié)約大量能量。
3 wsn中能源浪費(fèi)的主要原因分析
wsn中引起能源浪費(fèi)的主要原因如下：
1)沖突( collision)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，造成信號(hào)間的相互干擾，使得接收方無(wú)法完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確接收，造成能量浪費(fèi)。利用rts/cts（request to send/clear to send，請(qǐng)求發(fā)送／允許發(fā)送）握手機(jī)制可以解決沖突問(wèn)題，但是會(huì)帶來(lái)額外的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)。
2)串聽(tīng)( overhearing) 當(dāng)用共享信道通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)收到不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包，造成串聽(tīng)。
3)控制信息開(kāi)銷(xiāo)（control packet overhead）mac( media access control，介質(zhì)接人控制)層為了傳輸數(shù)據(jù)需要在節(jié)點(diǎn)之間交換控制信息，這些信息對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是無(wú)用的。 |
