無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗問(wèn)題

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1、作者名等:題目3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗問(wèn)題PowerConsumptionofWirelessSensorNetworks(DepartmentofComputerScienceandTechnology,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)Email：lijie1108@126.com摘要:傳感器網(wǎng)絡(luò)是由幾十個(gè)到上百個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的、采用無(wú)線通信方式、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的多跳的移動(dòng)性對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來(lái)的一個(gè)無(wú)孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為國(guó)際上備

2、受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。然而傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也受到了很多的限制，其中能量限制無(wú)疑是最根本也是最重要的。本文討論了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗問(wèn)題，并對(duì)一些節(jié)能方法做了一些簡(jiǎn)單的介紹。關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；跨層優(yōu)化；功率感知路由中圖法分類號(hào):TP-301　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言近年來(lái)，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究有了很大的發(fā)展，然而功耗問(wèn)題仍然是制約無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要因素，因此無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗問(wèn)題受到了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的高度重視。由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，攜帶電池能量有限，傳感器節(jié)點(diǎn)由于電源能量的原因失效或廢棄，因此電源能

3、量約束是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的障礙[1]。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、成本要求低廉、分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)更換電池的方式來(lái)補(bǔ)充能源是不現(xiàn)實(shí)的。以上兩點(diǎn)使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用受到了極大的限制。如果說(shuō)傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供高服務(wù)質(zhì)量和高效帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源的話，傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)就是能源的高效利用，如何高效使用能量來(lái)最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)，這也是傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。傳感器節(jié)點(diǎn)不同部件的能耗是有所差別的，如圖1.3給出了節(jié)點(diǎn)各部件能耗分布[2]：作者名

4、等:題目3圖1.3節(jié)點(diǎn)各部件能耗分布雖然不同的節(jié)點(diǎn)在各自的功率數(shù)值上會(huì)有所差別，但對(duì)于大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)而言，能耗分布總的特征是一致的，即：第一，傳感器模塊和處理器模塊的能耗要遠(yuǎn)小于通信模塊的能耗；第二，通信模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)以及休眠時(shí)消耗了大量的能量，而通信模塊在休眠模式下的能耗要小的多。針對(duì)以上特點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能方法大致可分為從硬件方面著手和軟件方面著手2條思路。硬件上方法主要有提高電池能量的使用效率、降低傳感器工作時(shí)能量消耗、能量收集技術(shù)等。從軟件上考慮主要方法有功率意識(shí)協(xié)議棧、跨層優(yōu)化、拓?fù)淇刂扑惴ǖ鹊?。以下就幾種方法作簡(jiǎn)單的介紹。1

5、提出的方法1.1功率意識(shí)協(xié)議棧圖2.1是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的協(xié)議棧示意圖。目前，有許多方法是從傳感節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧的每一層著手研究的。在物理層，使用低功率器件和交易關(guān)閉不必要的性能可以節(jié)省大量的電力。通過(guò)減少發(fā)送時(shí)間可以減少無(wú)線電收發(fā)器的能量消耗。根據(jù)瞬時(shí)負(fù)載流量，動(dòng)態(tài)地采用不同的調(diào)制水平可以節(jié)省更多的能量。確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的能量消耗，找出不同組件影響能量消耗的因素。傳感元件消耗的影響因素包括信號(hào)采樣，電力，信號(hào)調(diào)理物理信號(hào)轉(zhuǎn)換，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。在數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層包括媒體訪問(wèn)控制和錯(cuò)誤控制協(xié)議。由于傳輸是傳感節(jié)點(diǎn)中能量消耗最多的一部分，因此MA

6、CMAC協(xié)議應(yīng)該通過(guò)減少能源效率最低的訪問(wèn)來(lái)節(jié)省能源。在碰撞檢測(cè)和鏈路監(jiān)聽時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)消耗了很多的能量，因此MAC協(xié)議應(yīng)該避免碰撞，控制數(shù)據(jù)包和閑監(jiān)聽的開銷。在網(wǎng)絡(luò)層，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的多功能性的不同，網(wǎng)絡(luò)可以采取定向，多跳，單跳聚類，或者多跳聚類傳輸方案。按協(xié)議所支持的功能決定傳輸方案類型。幾種傳輸方案如圖2.2所示：作者名等:題目3圖2.2：WSM中的幾種傳輸方案路由協(xié)議在不增加延遲的條件下找到最節(jié)能的路線。1.1跨層優(yōu)化層次結(jié)構(gòu)非常適合有線網(wǎng)絡(luò)，但是并不非常適合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。由于某一層的優(yōu)化，可能需要其他層的合作，因此這就需要我們合并某些層或者在層與層之間

7、創(chuàng)建新的接口。依賴應(yīng)用環(huán)境，在WSN的5層協(xié)議中可以降低用電量，例如：某人設(shè)計(jì)了一個(gè)節(jié)能、最短路徑路由算法，這個(gè)路由可以充分利用同樣的傳輸距離，采用更短距離hops將會(huì)節(jié)約大量的能量。因此，有大量hops的數(shù)據(jù)傳輸將會(huì)更加節(jié)能，如果MAC層不做相應(yīng)的優(yōu)化，路由的優(yōu)化設(shè)計(jì)將會(huì)被阻礙通過(guò)增加競(jìng)爭(zhēng)而增加能量消耗。協(xié)同通信方案可以降低傳輸消耗，在這種方案中，多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)形成虛擬的天線陣列以達(dá)到空間分集。單中繼選擇合作交流方案被提出，在這個(gè)方案中，將MAC層和物理層以分布式的方式合并為節(jié)點(diǎn)選擇程序，它最大限度地減少整體能源消耗，并最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。使用跨

8、層優(yōu)化，能量收集技術(shù)可以通過(guò)整合能源感知路由和MAC控制來(lái)達(dá)到能源的優(yōu)化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)