无线传感器网络节能技术研究

邱春荣

（长沙民政职业技术学院，湖南 长沙410004）

1.引言

在无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）中，传感器节点的能源容量有限，且电源补充成本高难度大，因此在网络设计中尽可能地使用节能技术、延长网络的生命期，就成为无线传感器网络至关重要的问题。

2.无线传感器网络能耗问题分析

无线传感器网络中的能量是由微型传感器节点消耗的。典型的微型传感器节点主要包括电源、感应单元、处理单元和无线通信单元四个部分。其中，除了电源单元负责能源供应，其它三个部分都需要不同程度地消耗电能。

感应单元的主要功能是感知温度、湿度、气压等各种信息，并交给处理单元。在感应单元的信息变换、前端处理、信号调节、模数转换等环节中都需要消耗能量。感应单元的能耗主要取决于以下几个因素：①所测物理量，测量不同物理量的感应单元所需的能量是不同的。根据能耗量的不同，感应单元可以分为低能耗类、中等能耗类和高能耗类三种。低能耗类感应单元常见的有温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、速度传感器等。常见的中等能耗感应单元有声音传感器和磁传感器等。典型的高能耗传感单元有图像传感器和视频传感器等[1]。②感应时间长短。③感应器的工作环境。比如在存在干扰的场景中，探测的准确性将受到不同程度的影响，感应单元的功率和重复探测的次数都需要加大，能耗量也将增加。

处理单元负责对信息进行融合和处理。在实际应用中，随着集成电路制作工艺的成熟，处理器的功率很小，其能耗量主要取决于无线传感器节点的数量和数据包的数量。

收发单元负责信息的转发，是传感器节点最大的能耗源。它的工作状态主要有四种：空闲、接收、传输和休眠。其中，休眠状态的能耗很小，与其它几种工作状态相比，其能耗几乎可以忽略不计。在同样的工作时间中，空闲、接收和传输三种模式所消耗的能耗比为1：1：2.7。在收发单元空闲模式中，侦听工作占据了绝大多数的工作时间。研究表明，侦听状态下所消耗的能量占空闲模式能耗总量的90%以上。在没有数据传输的情况下，让传感器节点进入休眠状态，能够大幅度地减少能耗。然而，如果开启频率过于频繁，也会造成一定的能量消耗。假设Nt和Nr分别表示发射器和接收器每秒开启的平均次数，Pt和Pr分别是发射器和接收器的功耗，Po代表发射器的输出功率，Tdt和Tdr分别表示数据传输和接收的实际时间，Tst是发射器的启动时间，Wo表示整个收发单元的功耗，则

式中Nt和Nr取决于具体的应用场景以及所采用的MAC协议；Tdt和Tdr可以用L/R计算，L表示数据包的大小，单位为bit，R为数据传输率[2]。

3.无线传感器网络节能技术

在无线传感器网络的节能问题上，常见的节能技术分为两种：数据链路层节能技术和网络层节能技术。

3.1 MAC协议节能技术

数据链路层节能技术是通过MAC协议来实现的。根据节能原理的不同，MAC协议节能技术主要有四种[3]。

（1）数据传输冲突控制技术

降低数据包传输冲突率，减少重传数据的数量，是数据链路层中一种常用的节能途径，同时也是MAC协议实现的基本功能之一。实现数据重传率控制的方法很多，常见的方法有：①采用休眠技术；②采用时分多路访问（TDMA）技术；③利用数据发送导言（Preamble）机制。

（2）休眠机制

休眠机制是指传感器节点在空闲状态下，通过自适应或程序控制的方式进入休眠状态，并控制休眠的时间点和间隔周期，以减少传感器处于空闲侦听状态的时间，从而降低能耗。启用休眠机制后，应配套采用一定的苏醒判断和决策机制，以实现处于休眠状态下的传感器节点在必要的时候及时进入空闲侦听状态和其他工作状态。

（3）混合MAC工作机制

主要是指时分多路访问（TDMA）技术和基于竞争的载波侦听多路访问（CSMA）技术相结合的混合机制。在传感器节点固定不变且数量较少的情况下，可以采用预先分配时隙的TDMA机制；当传感器节点数量发生变化时，TDMA机制立即变换为动态的时隙分配机制。通过这种混合机制，工作节点可以实现在某个固定的时隙发送或接收数据包，从而避免了数据传输过程中发生冲突的可能性。

（4）数据发送导言技术

该技术的基本思想[4]是传感器节点在发送数据包前发送一段导言（Preamble）数据，以警示传感器接收节点做好接收准备。导言数据发送的时间应不小于采样周期的时间间隔。网络中其他传感器节点通过采样，以决定下一步的工作状态。如果发现通信信道处于繁忙状态，则继续侦听直至接收到正确的数据包或直至信道变为空闲状态。如果数据接收完毕，则在继续侦听一定的时间后，控制节点进入休眠状态。

3.2 网络层协议节能技术

网络层节能技术通常的做法是通过路由协议的节能设计来实现的。路由协议节能思想可以分为四类。

（1）以数据传输距离为路由度量值

在典型的First Order Radio无线传感器节点中，假设两个传感器节点距离为d，传输的数据包为k，则数据传输能耗Et(k，d)为：

其中d0代表距离的阈值；Eel表示无线电收发装置启动传输或接收电路所需的能耗系数，单位为nJ/bit；ε表示传输放大器功耗系数，单位为pJ/bit/m2[5]。

以上分析表明，传感器节点的传输功耗与距离的平方或四次方成正比。因此，减少传输距离就降低了传输的能耗。但在节点间传输数据时，缩短每一跳的传输距离会增加传输路径跳数，网络总能耗不一定能够下降，同时传输延迟也将增加。因此传输距离的控制应权衡多种因素综合考虑。

（2）以传输路径跳数为路由度量值

在数据包传输路径中，跳数越少则路由优先。在传感器节点发送功率固定不变的情况下，跳数越少则总传输距离越小，网络总能耗也越小，从而达到节能的目的。发送功率可变且传输模式为广播模式的情况下，数据包传输路径跳数少,则意味着参与广播数据转发的节点数量少，网络总能耗也随之下降。

（3）根据路由路径的距离动态调节发送功率

在功率可变的无线传感器网络中，根据路由路径的距离调节发送功率，不仅能够减少数据的发送能耗，还能有效地减少相邻节点之间的无线电干扰，提高信道的利用率。

（4）采用数据聚集技术

数据聚集技术是指传感器节点收集所监测区域的物理信息，并在无线传感器网络中把数据向上传输的融合技术。数据聚集技术是无线传感器网络的基础支撑技术之一。常见的数据聚集操作函数有求平均（AVG）、求中间值（MEDIAN）、求和（SUM）、求最大值（MAX）、求最小值（MIN）、计数（COUNT）等，用户还可以根据应用需求自定义数据聚集操作函数[6]。

4.结束语

无线传感器网络能源受限，能耗问题直接影响到整个网络的生命期，采用节能技术就成为WSN网络中的核心问题。本文分析了无线传感器节点各组成单元的能耗问题及其关键因素，并分别从数据链路层和网络层研究了节能工作机制和设计思想。今后的研究方向主要有数据链路层MAC的节能技术研究及其应用、基于节能思想的网络层路由协议设计与实现、WSN网络各层节能算法的系统设计等。

[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].沈阳:中国科学院沈阳自动化研究所,2007.20-45.

[2]Shih E,Katz R H and Pister K SJ.Next Century Challenges:Mobile networking for“smart dust”[C].Proceedings of the 5th Annual ACM/IEEEInternational Conference on Mobile Computing and Networking,Seattle,Washington,1999.

[3]李虹,无线传感器网络中节能相关若干关键问题研究 [D].合肥:中国科学技术大学,2007.22-25.

[4]Wei Ye,Heidemann Jand Estrin D.Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks[J].IEEE/ACMTransactiongson Networking,2004,12(3):493-506.

[5]Heinzelman WB,Chandrakasan A Pand Balakrishnan H.An application_specific protocol architecture for wireless microsensor networks[J].IEEE transactions on wireless communications,2002,1(4):660-670.

[6]Rajagopalan Rand Varshney PK.Data-aggregation techniques in sensor networks:a survey[J].IEEE communications surveys&tutorials,2006,8(4):48-63.