無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能
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節(jié)點組成及能耗分析
規(guī)范的無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié)點由四部分組成：（1）由微處理器或微控制器構(gòu)成的計算子系統(tǒng)；（2）用于無線通信的短距離無線收發(fā)電路，即通信子系統(tǒng)；（3）將節(jié)點與物理世界聯(lián)系起來，由一組傳感器和激勵裝置構(gòu)成的傳感子系統(tǒng)；（4）能量供應(yīng)子系統(tǒng)，包括電池和AC-DC轉(zhuǎn)換器。
圖1 無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)
1) 計算子系統(tǒng)
微處理器(MicroController Unit, MCU)負(fù)責(zé)控制傳感器、執(zhí)行通信協(xié)議和處理傳感數(shù)據(jù)的算法。MCU的選擇會對節(jié)點的電池消耗帶來很大的影響，比如，Intel的StrongARM常用于高端領(lǐng)域，在執(zhí)行指令時功耗達到400mW，而ATmega103L AVR的功耗就只有16.5 mW，不過提供的性能也要弱的多。出于電源管理的目的，MCU通常有活躍、空閑和睡眠等多種操作模式，每種模式有不同的電源消耗。比如，StrongARM在空閑模式功耗為50 mW，而在睡眠模式時只有0.16 mW。在不同操作模式之間切換也有電源和延遲開銷，因此，不同的操作模式、模式之間的切換和MCU在每種模式的時長對整個節(jié)點的能量消耗有很大的影響。
2) 通信子系統(tǒng)
影響無線收發(fā)電路功耗的因素很多，包括節(jié)點采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等。通常，無線收發(fā)電路可以工作在四種狀態(tài)，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠狀態(tài)?？臻e狀態(tài)也具有很高的功耗，幾乎與接收模式不相上下，所以在無線收發(fā)電路處于空閑狀態(tài)時，應(yīng)該盡可能將其關(guān)閉（即置于睡眠狀態(tài)）。
3) 傳感子系統(tǒng)
包括一組傳感和激勵裝置，將周圍環(huán)境的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)輸出可以分為模擬和數(shù)字兩類。在無線傳感器中，能量消耗來自多個部分，包括(1)信號采樣以及物理信號到電信號的轉(zhuǎn)換（2）信號調(diào)制（3）信號的模-數(shù)轉(zhuǎn)換。 {{分頁}}
4) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗分析
現(xiàn)在分析無線傳感器節(jié)點的能耗。表1是Rockwell的WINS項目中無線傳感器節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)，表2是MEDUSA-II項目中節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)，從中可以看出：
采用低功耗模塊、在性能與耗電量之間進行折中對系統(tǒng)整體功耗影響巨大。
節(jié)點的能耗在很大程度上取決于各個組成部分的工作狀態(tài)。
由于傳輸距離很短，接收時的能耗可能比發(fā)送時還大。
無線收發(fā)電路在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)時的耗電量相差無幾。
表1 WINS項目中無線傳感器節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)
|
MCU模式 |
傳感器模式 |
無線收發(fā)電路狀態(tài) |
功耗（mW） |
|
活躍 |
開啟 |
發(fā)送（功耗：36.3mW） |
1080．5 |
|
發(fā)送（功耗：19.1mW） |
986.0 | ||
|
發(fā)送（功耗：13.8mW） |
942.6 | ||
|
發(fā)送（功耗：3.47mW） |
815.5 | ||
|
發(fā)送（功耗：2.51mW） |
807.5 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.96mW） |
787.5 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.30mW） |
773.9 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.12mW） |
771.1 | ||
|
活躍 |
開啟 |
接收 |
751.6 |
|
活躍 |
開啟 |
空閑 |
727.5 |
|
活躍 |
開啟 |
睡眠 |
416.3 |
|
活躍 |
開啟 |
移除 |
383.3 |
|
睡眠 |
開啟 |
移除 |
64.0 |
|
活躍 |
移除 |
移除 |
360.0 |
表2 MEDUSA-II項目中無線傳感器節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)
|
MCU模式 |
傳感器模式 |
無線收發(fā)電路狀態(tài) |
調(diào)制模式 |
數(shù)據(jù)率 |
功耗（mW） |
|
活躍 |
開啟 |
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
OOK |
2.4kbps |
24.58 |
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
OOK |
2.4kbps |
19.24 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
OOK |
19.2kbps |
25.37 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
OOK |
19.2kbps |
20.05 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
ASK |
2.4kbps |
26.55 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
ASK |
2.4kbps |
21.26 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
ASK |
19.2kbps |
27.46 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
ASK |
19.2kbps |
22.06 | ||
|
活躍 |
開啟 |
接收 |
- |
- |
22.20 |
|
活躍 |
開啟 |
空閑 |
- |
- |
22.06 |
|
活躍 |
開啟 |
關(guān)閉 |
- |
- |
9.72 |
|
空閑 |
開啟 |
關(guān)閉 |
- |
- |
5.92 |
|
睡眠 |
關(guān)閉 |
關(guān)閉 |
- |
- |
0.02 |
單個節(jié)點的節(jié)能優(yōu)化
在分析了無線傳感器節(jié)點的組成和能耗特點之后，讓我們看看在單個節(jié)點上可以采取哪些措施來節(jié)約能耗。
1) 節(jié)能計算
除了在節(jié)點設(shè)計中采用低功耗硬件之外，通過動態(tài)電源管理（Dynamic Power Management, DPM）等技術(shù)使系統(tǒng)各個部分都運行在節(jié)能模式下也可以節(jié)約大量的能量。最常用的電源管理策略是關(guān)閉空閑模塊，在這種狀態(tài)下，無線傳感器節(jié)點或其一部分將被關(guān)閉或者處于低功耗狀態(tài)，直到有感興趣的事件發(fā)生。DPM技術(shù)的核心問題是狀態(tài)調(diào)度策略，因為不同的狀態(tài)有不同的功耗特征，而且狀態(tài)切換也有能量和時間開銷。
在活躍狀態(tài)下，則可以采取動態(tài)電壓調(diào)整(Dynamic Voltage Scaling, DVS)技術(shù)來節(jié)約能量。在大多數(shù)無線傳感器節(jié)點上，計算負(fù)載是隨時間變化的，因此并不需要微處理器所有時刻都保持峰值性能。DVS技術(shù)就是利用了這一點，動態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率使其剛好滿足當(dāng)時的運行需求，從而在性能和能耗之間取得平衡。
2) 節(jié)能軟件
如果操作系統(tǒng)、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等系統(tǒng)軟件針對能耗進行了專門的優(yōu)化，那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間也能得到有效的延長。
在操作系統(tǒng)中進行動態(tài)電源管理和動態(tài)電壓調(diào)整是最合適的，因為操作系統(tǒng)可以獲取所有應(yīng)用程序的性能需求并能直接控制底層硬件資源，從而在性能和能耗控制之間進行必要的折衷。操作系統(tǒng)的核心是任務(wù)調(diào)度器，負(fù)責(zé)調(diào)度給定的任務(wù)集合使其滿足各自的時間和性能需求，通過在任務(wù)調(diào)度中考慮節(jié)能問題可，系統(tǒng)生存時間可得到明顯的延長。
鑒于傳輸中不可避免的數(shù)據(jù)丟失，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能根據(jù)當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供不同精度的數(shù)據(jù)，從而獲得一定的彈性。另一方面，監(jiān)測對象的屬性是隨時間變化的，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的計算和通信需求也隨之改變。這樣，我們就可以在實時調(diào)度算法中進行某種程度的預(yù)測，對能耗進行主動式的管理。另外，應(yīng)用層可以設(shè)計成將主要的計算任務(wù)及早執(zhí)行，然后在算法正常結(jié)束前提前中止，這樣就能在對數(shù)據(jù)精度影響不大的情況下節(jié)約能耗。 {{分頁}}
3) 無線收發(fā)電路能耗管理
雖然嵌入式處理器的電源管理已經(jīng)得到深入研究，但無線收發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計卻研究得不夠。由于無線通信占了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗主要部分，因此對無線收發(fā)系統(tǒng)的能耗管理非常重要。
無線收發(fā)系統(tǒng)電源消耗主要來自兩部分，取決于傳輸距離和調(diào)制參數(shù)的射頻部分以及進行頻率合成、濾波等操作的基帶電路部分。無線收發(fā)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計很復(fù)雜，因為射頻部分和基帶電路部分的電源開銷是相當(dāng)?shù)?，降低射頻部分的速率反而會導(dǎo)致能耗的增加。另外要考慮的問題是，無線收發(fā)系統(tǒng)的初始化開銷很大，這一切都加大了無線收發(fā)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的難度。關(guān)于無線通信方面的能耗優(yōu)化將在下一節(jié)詳細(xì)討論。
4) 節(jié)能報文轉(zhuǎn)發(fā)
除了發(fā)送自身感知的數(shù)據(jù)之外，每個無線傳感器節(jié)點又都是路由器，需要為其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)報文。在典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，無線傳感器節(jié)點接收的大部分報文（大概有65％）需要轉(zhuǎn)發(fā)給其它節(jié)點。通常情況下，無線傳感器節(jié)點將絕大部分協(xié)議處理功能交由MCU執(zhí)行。這樣，不管其最終目的地是哪里，每個接收到的報文都會經(jīng)過相同的處理步驟到達計算子系統(tǒng)并得到處理，導(dǎo)致不必要的能耗開銷。利用智能無線收發(fā)系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)發(fā)的報文可以直接在通信子系統(tǒng)標(biāo)識和轉(zhuǎn)發(fā)，甚至在計算子系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)時也能正常工作。
3 無線通信的節(jié)能優(yōu)化
與單個節(jié)點能耗管理類似，在節(jié)點間通信過程中考慮節(jié)能措施同樣對提高整個系統(tǒng)的電源使用效率有重要作用，而且，使通信過程對能耗敏感可以將節(jié)能優(yōu)化的范圍從單個節(jié)點擴展到參與通信的多個節(jié)點。
1) 調(diào)制模式
在無線傳感器節(jié)點間的無線鏈路上使用的射頻技術(shù)對無線通信的能量消耗也有重要影響。調(diào)制模式的選擇決定了無線鏈路在總體能耗與靈敏度、延遲等方面的平衡。
調(diào)制級別直接影響功率放大器的能耗，與DVS類似，根據(jù)實際需求動態(tài)改變調(diào)制級別是節(jié)約能耗的有效手段。由于無線收發(fā)電路的啟動開銷較大，因而每次發(fā)送報文的長度越大越好，這樣可以將啟動開銷平攤到更多的數(shù)據(jù)上，但將數(shù)據(jù)積累到一定長度再發(fā)送對信息交換的延遲有影響，需要在兩者之間進行平衡。
2) 鏈路層優(yōu)化
負(fù)責(zé)錯誤檢測和糾正的鏈路層影響報文的發(fā)送次數(shù)，從而影響系統(tǒng)功耗，特別是對于與網(wǎng)關(guān)節(jié)點等遠距離通信而言。對給定的誤碼率(Bit Error Rate, BER)，錯誤控制機制可以減少發(fā)送報文消耗的能量，但相應(yīng)的增加了發(fā)送者和接收者的處理能耗?？偟膩碚f，鏈路層技術(shù)在降低能耗中所起的作用是間接的，好的錯誤控制模式可以降低報文重傳次數(shù)，從而節(jié)約收發(fā)兩端的能耗。
4 整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化
最后，讓我們看看從整個網(wǎng)絡(luò)的角度，可以采取哪些措施進行能耗優(yōu)化。
1) 流量分發(fā)
對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，需要從全局上考慮如何將流量從數(shù)據(jù)源傳遞到目的地，這里的重要問題是如何在源和目的地之間找到一條節(jié)能的多跳路由。節(jié)能路由是在普通的路由協(xié)議基礎(chǔ)上，考慮相關(guān)的能耗因素，引入新的與電源消耗有關(guān)的衡量指標(biāo)，實現(xiàn)能耗的節(jié)約，這方面已經(jīng)有很多研究成果。
比如，最簡單的節(jié)能路由協(xié)議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過它傳送數(shù)據(jù)。但這樣未必能延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間，因為某些處于關(guān)鍵位置的節(jié)點可能被過度使用而導(dǎo)致電源過早耗盡。為避免這種情況，最大最小路由使得節(jié)點的剩余電量盡可能多，即最大化節(jié)點的最小剩余電量。最大最小路由更多的考慮了電池的剩余電量，而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量，一個很自然的改進思路是可以將兩種方法結(jié)合起來，定義一個電源開銷函數(shù)，綜合考慮兩種策略。
2) 拓?fù)涔芾?
在典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署中，節(jié)點密度都比較高，因為提高節(jié)點密度可以提高結(jié)果的精確度，但如果系統(tǒng)生存時間更重要的話，就可以對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M行管理，利用相對較少的節(jié)點進行跟蹤。這樣，除了減少計算復(fù)雜度之外，也降低了通信開銷，因為沒有參與跟蹤的節(jié)點不會發(fā)送數(shù)據(jù)。如果硬件支持可變發(fā)射功率的話，采用低的發(fā)射功率也能夠降低網(wǎng)絡(luò)電源開銷，同時緩解共享空間信道的競爭，提高網(wǎng)絡(luò)容量。拓?fù)淇刂朴袑ｉT的討論，這里就不多說了。
3) 計算和通信的折衷
除了智能的路由和拓?fù)涔芾韰f(xié)議，縮減數(shù)據(jù)流長度也是有效的節(jié)能手段。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點的高密度，使得同一時間被多個微傳感節(jié)點同時感知并捕獲處理，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)采集的冗余性。在選定節(jié)點將一定區(qū)域內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)進行匯聚或者融和，然后再將結(jié)果傳送出去，不但可以提高事件/數(shù)據(jù)監(jiān)測的可靠性，也可有效降低通信流量，從而節(jié)約能耗。
5 結(jié)束語
作為極具潛力的一種技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在未來幾年必將得到廣泛的應(yīng)用，而由于節(jié)能在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中所處的核心地位，節(jié)能技術(shù)水平將伴隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而不斷提高。未來，節(jié)能技術(shù)的研究將進一步與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特定應(yīng)用聯(lián)系起來，針對不同應(yīng)用進行專門的優(yōu)化。同時，軟硬件整合設(shè)計、跨層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計等一體化節(jié)能設(shè)計思路將得到廣泛應(yīng)用。
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