无线传感器网络节能策略分析

王 莘

(西安航空学院电气学院，陕西西安，710077)

0 引言

无线传感器网络WSN由大量的有传感、计算和通讯能力的传感器节点组成，主要用于探测物理事件或者现象，收集和处理相应的数据，并最终把这些信息传输给用户。

能量问题长期以来一直制约着WSN的发展。为了降低节点能耗,所采取的主要措施有有两方面:一是节约节点能量，就是减少单位有效信息在进行采集和传递中的能耗，尽量降低网络节点运行中不必要的能量损耗；二是平衡节点能耗，是通过选用合适的路由选择算法使各个节点得到均衡利用，不至于因某个关键节点的使用率过高而使电池能量耗尽，导致网络无法正常运行，降低网络生存期。

1 节点节能

下面介绍本文涉及的几种节能技术：

1)动态电源管理技术:所谓“动态电源管理”是指在保证正常通信、功能的条件下动态地分配系统资源，保证系统始终处在运行元件最少及元件处正常工作的最低能耗状态，完成系统任务的一种技术。该技术的核心问题是保证在状态切换的功耗小，时间开销短。

2)动态电压调整技术:动态电压调整(DVS)技术是指充分利用系统工作时工作负载的变化性，在保证系统正常工作的前提下动态改变设备工作电压，以降低系统功耗。大多数的节点的计算负载不是固定的，它是因工作量不同而动态变化的，因此处理器不需要始终保持在峰值性能。DVS就是根据处理器的这个特性，来对处理器的工作电压进行调节，动态的改变工作频率，使供电系统可以满足处理器的正常运行需求的同时降低了系统的能耗。

3)动态调制调整技术:动态调制调整(DMS)技术是以调节节点在通信中的波特率大小来减低节点能耗的一种技术。在通信过程中，系统传输传输单位数据所需的能量会随着波特率的下降而下降，由此也会引起通信中的信息传输速率下降。

2 基于负荷预测的节点节能技术

通过前文的介绍，我们知道了DPM、DVS、DMS可有效的降低节点能耗，而几种技术采取协作运行会更有效的降低节点能耗，然而受到空闲时间等因素的约束，多种节能技术的共存还存在一定的困难。正是为了解决此类问题，本文提出了一种基于负荷预测的节点节能技术，记为LPSPT。该技术通过收集节点的工作信息，并对其进行有效的分析，来实现对收发设备及处理单元的负荷预测，实现使用DPM、DVS、DMS的共存。

2.1 LPT的实现

本文是通过三个步骤来实现LPSPT技术:信息采集、负荷运算和执行操作。

（1）注册登录:是负责获取负荷运算所需相关原始信息的。

一个时间段的日志记录生成一般涉及到两个命令信息：“开始”和“结束”。通信/线程开始时会发送一个“开始”信息给记录模块，结束时会发送一个“结束”信息。当记录模块收到以下两组信息时就会生成一个日志记录：一是连续收到“开始”、“结束”两个信息；一是连续收到两个“开始”信息，计算如式(3.1)所示。

（2）负荷预测:主要是确定系统执行任务时可用的空闲时间的。

LPSPT技术会对当前时隙正在运行的相关收发单元和处理单元进行负载预测。计算相关收发单元和处理单元的负载是需要完成任务的执行时间TD和通信时间TC的。下面对相关的计算进行详细的描述:

1)预测计算当前时隙进行的线程集，就是判断在一个时隙周期内是否有新添加的线程周期，以此来完成对相关单元的负载预测。

2)线程执行总时间TD的计算如式(3.2)所示。

式(3.2)中，线程总数量用TNum表示、线程的执行时间ETi表示、线程频率用fi表示、所有线程的最高频率用fmax表示。通过算式可看出当fi=fmax时，该线程的时间就是ETi,故系统对线程的频率依赖性较强。

3)总的通信时间Tc的计算如式(3.3)所示。

式(3.3)中,通信总次数用CNum表示,第i次通信时间用CTi表示，通信波特率用bi表示，所有通信中的最高博特率用bmax表示。式(3.2)相识，该系统对通信的波特率依赖性较强。

（3）执行操作:主要有两个功能:一是计算处理目前系统单元的工作状态和将要执行的任务；二是WSN运行时，执行相关操作，改变单元工作状态。

执行操作的计算过程如下所示:

1)从当前的所有可用的频率和波特率中，个选其一组成一个组合（f,b），选取的所有组合生成一个集合Q；

2)通过式(3.4)判定选择的组合(f,b)是否适用于当前时隙,若不适用直接舍去该组合；

3)确定处理器和无线收发器单位时间内的能量消耗Ep和Ec；

4)节点在该时隙的能量消耗Et，如式(3.5)所示。

5)将Q内所有元素依次重复步骤2-4；对比Et的大小，确定Et最小的最优组合。

2.2 性能仿真

通过模拟仿真对LPPST、DMS、DVS对比三种技术的节点能耗情况。通过三种能耗的对比，对LPPST的性能作出客观正确的评价。

设定LPPST的应用环境。我们设定LPPST在定点观测系统中使用。再设定仿真参数，仿真参数如表3.1所示。控制寄存器由晶振控制其频率变化，电压和频率的关系参照克鲁索处理芯片计算处理器的能耗。仿真线程集如表3.2所示。

表3.1 LPPST仿真参数

表3.2 仿真线程集参数

仿真实验中，为了精确地评价设备的能耗，采用处理器和收发设备的能耗比例来反映系统的能耗特性。能耗比例通过Ep/Ec来表示。

2.3 仿真结果分析

图3.1是仿真得到的能量关系图，图中X、Y轴分别代表示能耗率、总能耗百分比。由此图可得到以下结论：

1)如图第一线程集节约了约40%的能源，第二线程集节约了约25%的能源。

2)在能耗较高时，使用LPPST技术节点节能效果也很稳定。

3)在能耗较小时，可看出DVS比LPPST更有效地降低能耗，也就是说LPPST的开销较大。

图3.1 能耗关系图

综上所述，虽然LPPST技术存在系统开销较大的问题，但对于大多数传感器网络而言，即使考虑到系统开销过大这一问题。LPPST技术都能有效地起到节点节能的作用，且在大多数情况下，节点能耗都是最小的。所以说LPPST技术是一种有效地节点节能技术。

3 结束语

本文针对无线传感器网络的能耗问题，提出了一种基于负荷预测的节点节能技术。该技术通过对DPM、DMS和DMS三种技术的协作使用，通过收集节点的工作信息，并对其进行有效的分析，来实现对接点无线电发送设备、无线电接收设备及处理器、处理单元的负荷预测，来改变系统相关单元的工作状态，以降低系统的能耗。仿真实验表明，LPT技术对比单一技术可有效的降低传无线感器网络的节点的能耗，延长网络的生存期。

[1]戴由旺,李增有,韦俞锋.基于ZigBee的低功耗无线传感节点设计与实现[J].现代电子技术，2011（18）：121-123，126.

[2]姚兰,曾锋.基于最大覆盖集的无线传感器网络节能策略研究[J].计算机工程与科学，2013（4）：47-52.

[3]王雪飞.自组织传感器网的节点节能与网络节能策略[J].计算机应用，2006（6）：204-206.

[4]谢丽,杨勇.无线传感器网络节能分析[J].农业网络信息.2013（3）：65-68.

[5]邱春荣.无线传感器网络节能技术研究[J].长沙民政职业技术学院学报.2012(3):124-126.