无线传感器网络能耗问题研究

刘刚，刘昭斌，杨元峰

（苏州市职业大学计算机工程学院，苏州 215104）

0 引言

无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内大量静止或移动的微型传感器节点组成，传感器节点监测的数据通过其他传感器节点，以无线通信的方式逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到达基站（或网关），协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，最后通过互联网或卫星把这些信息发送给网络的管理者。在军事、医疗、环境科学、空间探索等领域具有广阔的应用前景[1]。

由于传感器节点通常是部署在无人监测区域内，当传感器节点的能量被耗尽，在无法更换电池或充电的情况下，该节点也就失效。因此，能耗是无线传感网的一个致命问题。如何有效地节约节点能耗，延长网络的生命周期，是无线传感网研究中一个重要课题。

国内外学者针对无线传感网能耗问题进行了广泛的研究。在网络层，Heinzelman W.B.等人[2]将网络划分为层次化的簇结构，按照簇头选择算法选取节点作为簇头节点，其余非簇头节点按照一定规则加入相应的簇中，簇内的非簇头节点将感知数据发送给各自的簇头节点，数据在簇头节点经过融合之后转发给基站，以达到降低网络能耗的目的。X Fan等人[3]对其簇头选择方法进行了改进。

赵彤等人[4]综合考虑传感器网络中节点链路接入、数据包传输能耗及节点剩余能量的基础上，提出了一种自适应能耗均衡路由策略来延长网络寿命。

在MAC层，Jung E.S.等人[5]通过在非必要时段关闭发射机或使得节点睡眠的方式，来减轻空闲侦听功率或降低总冲突数来节省能耗。李方敏等人[6]提出了一种基于SMAC(Sensor-MAC)可适用于无线传感器网络的功率控制MAC（Media Access Control）协议，该协议在降低网络能耗的同时保证了节点间通信的公平性。本文基于Contiki/Cooja平台重点研究了不同网络拓扑结构对无线传感网络能耗和寿命的影响。

1 无线传感网的能量消耗

1.1 体系结构

无线传感网典型的结构如图1所示。节点具有传感、信息处理和无线通信功能。这些节点既是信息的发起者，也是信息的转发者。通过网络自组织和多跳路由，将感知数据发送给网络（或基站）。网关（或基站）再通过Internet、卫星或移动通信网与外部网络互连[7]。

图1 无线传感网结构

无线传感网一般具有大规模、自组织、硬件资源受限、电池容量有限等特点[8]。传感器节点作为无线传感网的重要组成元素，其组成结构包括传感模块、信号处理模块、无线通信模块和能量供应模块四部分，如图2所示。节点的能量供应通常是由电池完成。

图2 传感器节点组成

1.2 能量消耗

由传感器节点的组成可以看出，无线传感网的能耗主要表现在以下几个方面。

●数据感知能耗：数据的感知是通过传感器采集的，因此这部分能耗主要是信号采样和信号变换。

●数据处理能耗：数据处理主要完成数据的计算、分析、融合、状态控制等。处理器性能和软件算法的执行效率等是影响这部分能耗的主要因素。

●数据传输能耗：由于感知数据是经过功率放大器后在无线介质中传输的信号，因此这部分能耗主要包括无线收发器的调制解调、信号放大、空闲监听等。

1.3 能量模型

无线传感网在网络层路由，MAC层信道监听、碰撞检测等引起的能耗，归根结底都是在传感器节点本身产生的。目前能耗模型的研究大多是基于对传感器节点物理组成的度量[9]，传感器节点的能耗模型[10]如图3所示。

图3 能耗模型

能耗可以表示为：

其中ETx、ERx分别是发送和接收k比特数据的能耗；Eelec是发送机电路能耗；εamp是功率放大器能耗；k是传输的数据分组大小；d是两节点之间的距离。

1.4 影响因素

从公式（1）可以看出无线传感网的能耗与节点间的距离、节点的发射功率、传输分组的大小、网络路由协议等因素有关。

（1）节点间距离影响

WSN中数据的传输，可以采用大功率直接传输，也可以采用小功率以多跳的方式传输。无论采用哪种方式，都避免不了两节点之间的直接通信。对于通信中的一条链路，在给定接收门限功率Pr时，成功接收数据的发射功率Pt为：

其中，K是常数；d是节点间距离；n是路径衰落指数。由公式（2）可知，节点间距离越大，发射功率越大，能耗也就越大。

（2）节点跳数影响

从图1的无线传感网拓扑结构可以看出，感知数据以多跳的方式进行传输。设节点N1向节点Nm发送一个数据包，整个过程的总能耗为：

其中，Ehop-i是从节点Ni到节点Ni+1传输一个数据包的能耗。可以看出数据包在传输过程中经历的跳数越多，其能耗越大。

（3）网络规模影响

无线传感网是由部署在监测区域的若干传感器节点组成。每个传感器节点都会消耗能量。显然，在WSN中的传感器节点越多，能耗也越大。因此，在保证服务正常运行的前提下，选择恰当的节点数量，控制适当的网络规模，也能有效的降低网络能耗。

（4）路由协议影响

一般来说，选择链路较好的路由路径可以保证数据包传输的可靠性。进而避免因重传而产生的不必要的能耗。另外，在路由路径的度量时，可以考虑以能耗最小作为路由选择度量的依据，从而节省节点能量，延长网络寿命。因此，选择有效的最小能耗路由协议能降低网络能耗。

2 实验与分析

Contiki是一个开源的、以事件驱动的操作系统，实现了低功耗、能量受限、内存受限的微型设备的互联互通。为了研究影响WSN能耗的因素，本文选取Conti⁃ki/Cooja平台，从节点间距离、传输条数、路由协议、网络规模四个方面对WSN中的能耗问题进行四个仿真实验。

仿真实验选取1个基站节点，10个传感器节点，随机部署在100米×100米的区域内，传感器节点的传输范围设定为80米，进行20轮的数据采集。

实验1：传感器节点间距离对网络能耗的影响

实验1的网络中10个传感器节点都在一跳范围内可以和基站节点进行直接数据传输。图4是节点到基站间距为25米时以及节点到基站距离增大一倍后的能耗仿真结果。从图4可以看出，节点间距离越大，能耗越大。

图4 节点间距离对网络能耗的影响

实验2：传感器传输跳数对网络能耗的影响

为了能清楚展现数据传输跳数对网络能耗的影响。实验2的网络中10个传感器节点到基站的距离相同，将传感器节点的传输范围调至50米。拓扑结构如图5所示。10个传感器节点传输数据到基站时经过的跳数如图6所示。图7是不同跳数的节点在收集20轮数据时的能耗情况。

图5 实验2的网络拓扑结构

图6 各节点通信跳数分布

图7 各节点的能耗情况

从图7可见，数据采集过程中，采集路径经过的跳数越多，能耗越大。

实验3：路由协议对网络能耗的影响

在网络拓扑结构相同的情况下，实验3分别采用基于跳数最少和能耗最小的路由协议进行仿真，来观察不同路由协议对网络能耗的影响，结果如图8所示。

图8 不同路由协议的网络能耗

从图8可以看出，基于能耗最小路由协议的网络能耗大约是基于跳数最少路由协议能耗的50%。

实验4：网络规模对网络能耗的影响

实验4分别采用10和20个传感器节点，在和基站一跳范围内进行直接数据传输。能耗仿真结果如图9所示。

从图9可以看出，无线传感网中节点数量越多，网络能耗越大。20个传感器节点的网络能耗大约是10个节点网络能耗的两倍多。

图9 不同网络规模能耗

3 结语

本文对无线传感网络中数据采集时的能量消耗问题进行讨论和分析。可以得出，WSN中的网络能耗与节点间距离、传输路径的跳数、网络规模以及路由协议等多个因素有关。最后利用Contiki/Cooja仿真平台，对不同影响因素下的能耗进行了仿真。实验表明，由于节点的资源和能量有限，在WSN中进行传感网节点部署时，节点间应选择合适的距离，避免间距过大造成能耗过大；网络路由协议也可采用基于能耗最小度量，并尽量减少路径跳数；节点数量在满足覆盖度的要求下，移除冗余节点，进而延长网络寿命。