無線傳感器網(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)電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇南京210042
摘 要：為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( wsn)中能量的高效利用從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命，結(jié)合已有的研究+討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引起能量浪費的主要原因，總結(jié)并詳細闡述了現(xiàn)有的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的幾種主要節(jié)能策略，如休眠機制、數(shù)據(jù)融合機制以及沖突避免機制等。對這些策略的分析表明使用節(jié)能機制可以有效地降低能耗：最后針對當前節(jié)能方法面臨和需要解決的關(guān)鍵問題，提出了對節(jié)能策略研究趨勢的幾點設(shè)想。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)能技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
中圖分類號：tp 27 文獻標識碼a
1引 言
微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進步，推動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)處理和線通信等多種功能。wsn由大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(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)域中感知對象的信息，發(fā)送給觀察者。wsn中包括匯聚點(sink)和普通傳感器節(jié)點。sink點作為中心處理節(jié)點，數(shù)目較少，具有較強的處理、存儲和通信能力，能量能夠得到補充。而普通傳感器節(jié)點數(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，如何延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。
本文給出wsn中的能耗分布，分析網(wǎng)絡(luò)中能量浪費的主要原因，介紹各種節(jié)能機制，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)點主要由計算模塊、通信模塊、傳感器模塊和電源模塊4個模塊組成，如圖1所示。
其中，傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，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)點提供運行所需的能量。
上述4個模塊中，傳感器節(jié)點的耗能模塊包括傳感器模塊、處理模塊和無線通信模塊。隨著集成電路 工藝的進步，處理器和傳感器模塊的能耗越來
越低，能量大部分消耗在無線通信模塊上。dehorah estrin在mohicom 2002會議上的特邀報告中所述傳感器節(jié)點各部分的能耗情況，如圖2所示。
從圖中可以看出，節(jié)點的絕大部分能量消耗在無線通信模塊。節(jié)點傳輸信息的能耗遠遠大于執(zhí)行計算時的能耗，傳輸l hit信息到100 m遠的距離所需的能量可供執(zhí)行3 000條指令。
無線通信模塊通常包括4種狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑和睡眠。無線通信模塊在空閑狀態(tài)一直監(jiān)聽無線信道的使用情況，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，無線通信模塊在發(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，可以使用睡眠機制和喚醒機制，當節(jié)點周圍沒有其感興趣的事仵時，利用睡眠機制使節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，需要通信時再用喚醒機制對其進行喚醒，這樣可以節(jié)約大量能量。
3 wsn中能源浪費的主要原因分析
wsn中引起能源浪費的主要原因如下：
1)沖突( collision)多個節(jié)點同時向一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包，造成信號間的相互干擾，使得接收方無法完成數(shù)據(jù)的準確接收，造成能量浪費。利用rts/cts（request to send/clear to send，請求發(fā)送／允許發(fā)送）握手機制可以解決沖突問題，但是會帶來額外的協(xié)議開銷。
2)串聽( overhearing) 當用共享信道通信時，節(jié)點會收到不是發(fā)給自己的數(shù)據(jù)包，造成串聽。
3)控制信息開銷（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)點之間交換控制信息，這些信息對用戶來說是無用的。 |
