无线传感器网络能耗分析与策略研究

赵 静， 潘 斌， 王 进， 谭秀兰

（①成都大学 电子信息工程学院，四川 成都 610106；②成都理工大学 信息管理学院，四川 成都 610059；③成都大学 网络中心，四川 成都 610106）

0 引言

无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，但是它的能量问题一直制约其大规模发展。无线传感器节点大多采用能量有限的电池供电，且节点数目多、分布广、所处环境复杂，通过更换电池来补充能源是非常不现实的问题，而能量消耗直接决定了传感器网络的使用寿命，为此，着手以低能耗节点设计和节能网络协议为首要研究问题，通过研究提高能量有效的策略和正确的应用网络协议，延长无线传感器网络的生命周期。

1 传感器节点能耗

1.1 节点结构

无线传感器网络单节点主要包括数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理模块（微处理器、存储器）、无线通信模块（无线收/发器）以及电源模块4部分。

1.2 节点各模块能耗特性

数据采集模块能耗主要由传感器的特性决定，不同种类的传感器及其不同的性能要求会带来数据采集模块能耗特性的较大的差异。数据处理模块能耗包括处理器能耗和存储器能耗两部分，从处理器角度看，传感器是以采用低端微控制器为代表的节点，该类节点的处理能力较弱，所以能量消耗也很小。

无线通信模块能耗包括功率放大器能耗和电路能耗。各功能模块能耗特性不尽相同，节点能耗绝大部分消耗在无线通信模块上，通常1 bit的信息传输100 m距离所需的能量大约相当于执行3000条计算指令所消耗的能量[1]。

2 传感器网络中的能耗

2.1 传感器网络结构体系

无线传感器网络体系结构由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台这3个部分组成。其中分层的网络通信协议体系由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

2.2 网络能耗特性

传感器网络在实际的应用中，各个结构都伴随着能量的损耗。网络中的能耗主要体现在数据链路层、网络层、传输层3方面。

数据链路负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。当MAC帧头和控制消息包中没有包含有效的数据时，是一种能量的损耗。另一方面，通信网络中信道共享，带来数据包冲突、暴露终端和隐蔽终端问题，这无疑造成网络较大一部分能量的损耗。

网络层用于发现和维护数据，大多数节点无法直接与网关通信，需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。当网络中多节点的动作需要协调时，在接入和路由协议上，当开销用于协调节点动作时，能耗很大。

传送层负责数据的传输控制，主要是通过汇聚节点采集的数据，经卫星、移动通信网、Internet或者其他的链路与外部网络通信。但是在数据传输过程中，误使用剩余能量较低节点、大量同类数据一起传输或传输与接收不同时等，将引起大量能量的损耗。

3 无线传感器网络节能机制

3.1 节点的节能策略

3.1.1 低能耗节点设计

在实际的应用中，传感器节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度地节约能量，在节点的软硬件设计方面需要优化节点的结构是一种很好的节能措施。

在硬件设计方面，尽量考虑低功耗器件，在没有通信任务的时候，及时的切断射频部分电源；在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。

3.1.2 节点能量管理与调节

采用低能耗技术：动态功率管理（DPM）技术和动态电压调节（DVS）技术，该两项技术已经逐步用于无线传感网络微处理器中[2]。

DPM 技术也叫休眠技术，当无线传感节点在无计算要求而进入空闲状态时，关闭大部分处于空闲状态模块、组件或将其调到更低能耗的睡眠状态以节能。

DVS技术是当计算负荷较低时，改变工作电压和时钟频率以降低无线传感节点处理器能耗技术。对于目前的广泛应用的实时嵌入式系统而言，该技术能够有效地降低功耗而节能。

3.2 传感器网络通信协议节能机制

无线传感网络中各种节能机制涉及了WSNs的各层，每一层可以根据自身的特点和功能的不同，设计出不同的节能策略。

①介质访问控制（MAC）协议[3]，该协议直接控制着耗能最多的无线通信模块的活动，针对能耗比例以及造成无效功耗的因素，MAC协议多采用降低睡眠、侦听占空比、控制节点间的连通度、合理分配信道等策略，尽量避免或减少能量消耗，提高网络的能量高效性；

②低功耗自适应分层路由协议[4]（LEACH），通过随机循环地选择簇头将网络的能量负载均衡分配到各节点，从而达到降低网络能耗、提高网络生存期的目的；

③能量多路径路由[5]，通过该机制根据路径上节点的能量消耗以及节点的剩余能量状况，给每条路径赋予一定的选择概率，使得数据传输均衡地消耗整个网络能量，延长网络生存期；

④功率控制：就无线传感网络而言，采用高效优化的拓扑控制机制[6]，可以合理的调整节点的发射功率，在保证通信质量的前提下降低发射功率，并有选择性地让部分节点的通信模块关闭和均衡节点能量消耗来降低节点能耗，可有效的节约能量资源；

⑤基于能量保护的跨层设计，其主要作用是跨层设计将在不同的层上的信息实现共享，跨层体系结构中可以制定联合能量约束机制实现能量全局优化。将MAC协议与路由项结合进行跨层设计[7]，可以使整个网络的节能效果达到最优，延长网络生存期；

⑥数据融合，其目的是减少数据传递过程中冗余度和最小化传输量，它实现能量有效的数据传递，从而节约网络能量。

4 能量补给方案

环境中有巨大的能量可以供使用，那么从环境中捕获能量为传感器节点供电将是一种有效的途径。大多采用太阳能电池、振动、风能、温差等器件从环境中获取能量，但是这种能量补给措施还不够普及。目前已经研究有成果，即以超级电容器和锂离子电池[8]为储能器件从环境中捕获能量，采用低功耗的能量管理策略，实现了无线传感器节点的长寿命工作。

5 结语

分析了无线传感器网络的能耗特性，根据低功耗节点模块设计的原则和节点工作能耗，研究降低传感器节点功耗的节能方案，同时，考虑不同网络层能耗的因素，重点研究与归纳传感器网络通信协议节能机制，总结了延长无线传感器网络生命周期的能量策略。最后指出从环境中获取能量补给方案，在实用化应用中，还不够成熟，这将是未来研究的方向。

[1] IYER R, KLEINROCK L． QoS Control for Sensor Networks[C]//IEEE.In Proceedings of the IEEE International Conference on Communications.USA： IEEE 2003：517-521．

[2] 王雪． 无线传感网络测量系统[M]．北京：机械工业出版社，2007：87-89．

[3] 孙若玉,郑国强,李济顺． 基于WSN的能量高效MAC协议研究[J]． 通信技术,2008,41(08)：169-172．

[4] 郭强,孙强,李雪,等．无线传感器网络LEACH协议的研究[J]． 通信技术,2008,41(12)：155-157．

[5] SHAH R,RABAEY J． Energy Aware Routing for Low Energy Ad hoc Sensor Networks[C]// IEEE. In Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC’02).USA：IEEE ,2002：350-355．

[6] AKYILDIZ I F, SU W, SANKARASUBRAMANIAM Y, et al．A Survey on Sensor Nerworks[J].IEEE Communications Magazine,2002,40(08)：102-114．

[7] 王殊,阎毓杰,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,2007：15-16．

[8] 苏波,李艳秋,于红云,等．从环境中获取能量的无线传感器节点[J].传感技术学报,2008, 21(09)：1586-1589．