無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)能技術(shù)研究

1、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)能技術(shù)研究摘要：能量問(wèn)題是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題，隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景的開(kāi)展，如何最大限度的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗分析，介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)及節(jié)能策略的開(kāi)展與特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)能技術(shù)節(jié)能策略能量消耗0引言隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(irelesssensrnetrks，SN)現(xiàn)已成為國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度穿插、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，它綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)通信及分布式信息處理等技術(shù)。SN是一種全新的信息獲取平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息

2、發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目的檢測(cè)與跟蹤，具有快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。1無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)能耗分析現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體系構(gòu)造由數(shù)據(jù)處理及控制單元、電源單元、傳感單元和通信單元等四局部組成。如圖1所示，詳細(xì)構(gòu)造如下：對(duì)于硬件設(shè)計(jì)，通常不僅要求傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格低廉，還希望傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間要盡可能的延長(zhǎng)的同時(shí)能擔(dān)任中斷節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)的雙重功能。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，處理Pressing、傳感Sensing和無(wú)線(xiàn)傳輸Radi三個(gè)操作是能耗的主要來(lái)源。處理的能量消耗主要是來(lái)自微處理器執(zhí)行指令的能耗，處理器睡眠狀態(tài)與運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的能量消耗有很大的差異。傳感器的能耗主要包括

3、前端處理、變換器、A/D轉(zhuǎn)換等操作，對(duì)于不同種類(lèi)的傳感器那么具有不同的能耗，溫度，光強(qiáng)、溫度、加速度傳感器等都屬于較低能耗的傳感器。而較高能耗的傳感器主要有圖像、視頻傳感器等。隨著集成電路工藝的開(kāi)展，傳感器和處理器模塊的功耗越來(lái)越低，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)絕大局部能量消耗在了無(wú)線(xiàn)通信模塊。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)模塊一般處于四種狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑以及睡眠，這四種狀態(tài)下的能耗是不一樣的。圖2為DebrahEstrin在bi2002會(huì)議上的特邀報(bào)告irelessSensrNetrks，PartIV：SensrNetrkPrtls中所述傳感器節(jié)點(diǎn)各局部能量消耗的情況，從圖中可知無(wú)線(xiàn)通信能耗主要是無(wú)線(xiàn)模塊在

4、收發(fā)數(shù)據(jù)及空閑偵聽(tīng)時(shí)的能耗1。無(wú)線(xiàn)模塊處于空閑狀態(tài)的能耗接近于接收狀態(tài)的能耗，而其睡眠狀態(tài)的能耗那么顯著低于其他狀態(tài)。所以為了有效節(jié)省能量，應(yīng)該盡可能使無(wú)線(xiàn)模塊處于睡眠狀態(tài)。圖2傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊功耗比照。2無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的節(jié)能技術(shù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)就是如何高效節(jié)能，用以獲得最大化的生命周期，其中包括兩種策略：一是降低能量消耗，這在延長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期研究中占主導(dǎo)地位；二是平衡節(jié)點(diǎn)間的能量消耗，主要是通過(guò)平衡節(jié)點(diǎn)間的流量負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這項(xiàng)策略處于附屬地位。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗的主要來(lái)源，現(xiàn)有的節(jié)能技術(shù)主要包括對(duì)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面。2.1針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能技術(shù)2.1.1無(wú)線(xiàn)傳輸技

5、術(shù)的節(jié)能技術(shù)節(jié)點(diǎn)能耗主要來(lái)源于無(wú)線(xiàn)傳輸，考慮節(jié)省無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)的能耗通常能獲得很好的節(jié)能效果。但由于無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的研究所涉及的內(nèi)容多、難度大，所以其目前的研究才剛剛起步。比擬具有代表性的研究工作有：美國(guó)斯坦福大學(xué)的B.Prabhakar，ElGaal等學(xué)者以及南加州大學(xué)的YangY學(xué)者從自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的角度出發(fā)2，研究了節(jié)能無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)膯?wèn)題。美國(guó)斯坦福大學(xué)的AndreaJ.Gldsith等學(xué)者，紐約洲立大學(xué)的XiahuaLi學(xué)者提出了根據(jù)STB，V-BLAST等空時(shí)處理方案的協(xié)作式I傳輸技術(shù)3，以在監(jiān)測(cè)環(huán)境中存在多徑衰落情況下有效地節(jié)省能耗。2.1.2網(wǎng)絡(luò)路由的節(jié)能技術(shù)路由技術(shù)的研究主要關(guān)注于根據(jù)傳

6、感器網(wǎng)絡(luò)分布式操作、節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多以及數(shù)據(jù)冗余等特點(diǎn)設(shè)計(jì)具有節(jié)省能量的路由技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)按其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造和工作方式可以分為平面式的Flatruting，例如洪泛Flding算法；層狀式的Hierarhialruting，典型的算法有LEAH，PEGASIS，TEEN等。2.1.3A的節(jié)能技術(shù)A接入技術(shù)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠平安通信的保證。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)A協(xié)議設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)A協(xié)議設(shè)計(jì)有很大不同，目前已有大量的研究關(guān)注于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)A協(xié)議設(shè)計(jì)。典型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能A協(xié)議設(shè)計(jì)有：S-A協(xié)議、DSA、DA協(xié)議、SA協(xié)議等。2.2針對(duì)數(shù)據(jù)處理的節(jié)能技術(shù)關(guān)于此方面的研究工作主要集中于降低處理

7、器的能量消耗，如動(dòng)態(tài)電壓縮放技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是在大多數(shù)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算負(fù)載是隨時(shí)間變化的，因此并不需要微處理器在任何時(shí)刻都保持峰值性能。針對(duì)數(shù)據(jù)處理的節(jié)能技術(shù)都可以有效節(jié)省數(shù)據(jù)處理帶來(lái)的能耗，但由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能耗的主要局部來(lái)源于無(wú)線(xiàn)通信，所以其總的節(jié)能效果不是很明顯。3無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的節(jié)能策略降低計(jì)算能耗主要有以下兩類(lèi)方法：一是通過(guò)在操作系統(tǒng)中使用能量感知方式管理系統(tǒng)能源的能量管理技術(shù)；二是采用低功耗控制器、處理器，降低硬件功耗。降低感知能耗通常有兩類(lèi)技術(shù)可以采用：一是需要硬件技術(shù)的革新；二是在效勞質(zhì)量允許的條件下通過(guò)降低數(shù)據(jù)采集質(zhì)量來(lái)節(jié)省能耗，通信能耗在整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗

8、中占統(tǒng)治地位，因此有關(guān)如何降低通信能耗的研究是最多的。目前降低無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信能耗的方法所使用的策略主要有：減小單跳通信間隔 ；降低數(shù)據(jù)通信量；減少通信沖突；降低旁聽(tīng)；天線(xiàn)相關(guān)技術(shù)。4完畢語(yǔ)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目的已經(jīng)變成了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生命周期。優(yōu)化能量消耗對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)非常重要。隨著科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展，新能源技術(shù)的不斷探究，可以預(yù)見(jiàn)，在將來(lái)能源供應(yīng)問(wèn)題將不再是制約無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展的難題，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)入人類(lèi)生活的方方面面，發(fā)揮其宏大的應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)：1孫利民，李建中，陳渝，朱紅松.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò).北京:清華大學(xué)出版社，2022，1.2GXiahuaL.Spae-tiededulti-transissinangdistributedtransittersithutperfetsynhrnizatin.IEEESignalPressingLetters，2022，11(12):9489513Shuguang，adanR.JintR中國(guó)論文聯(lián)盟.Ll.uting，A，an