無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)節(jié)能管理方式的研究

3 無線傳感器節(jié)點(diǎn)間傳播方式的節(jié)能管理

減少無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗除可通過動(dòng)態(tài)功耗管理來實(shí)現(xiàn)外，還可通過節(jié)點(diǎn)間傳播方式的節(jié)能管理減少節(jié)點(diǎn)工作負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多采集節(jié)點(diǎn)、若干匯聚節(jié)點(diǎn)及中轉(zhuǎn)器、控制中心(上位機(jī))組成。其中，采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)其他節(jié)點(diǎn)所上傳數(shù)據(jù)的收集，并下發(fā)有中轉(zhuǎn)器傳來的命令；中轉(zhuǎn)器負(fù)責(zé)上傳匯聚節(jié)點(diǎn)收集來的數(shù)據(jù)，并將控制中心的命令轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)；控制中心負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的廣利控制，并將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)達(dá)給用戶。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分布方式具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置是隨機(jī)分布的，需其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有自組織性。在實(shí)際工作環(huán)境中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常不能精確定位，節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系無法預(yù)先得知，這就需要傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自行建立和組織網(wǎng)絡(luò)。

(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布范圍廣。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了保證獲取精確信息，在其監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)需部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。

(3)節(jié)點(diǎn)間通信距離不長(zhǎng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)通信距離通常只有幾十到幾百米。

從以上網(wǎng)絡(luò)組成和節(jié)點(diǎn)分布方式來看，要減少節(jié)點(diǎn)的工作負(fù)荷，需減少節(jié)點(diǎn)間的通信時(shí)間及通信距離。不同的傳播方式對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)間及通信距離有著重要的影響。在節(jié)點(diǎn)間的傳播方式中，良好的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和資源管理策略能有效地降低節(jié)點(diǎn)工作負(fù)荷，延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。為此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳播方式應(yīng)以數(shù)據(jù)為中心，采用自組織、多跳路由，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用動(dòng)態(tài)拓?fù)?。此外，還可采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，進(jìn)行快速的信息融合和分離，將提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率和隨機(jī)選擇最佳路徑的能力。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由于傳感節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、自身攜帶的能量十分有限而且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化而有其特殊性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議因其特殊性，其中的路由協(xié)議和MAC協(xié)議是與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有很大的不同。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議決定無線信道的使用方式。MAC層協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮能源有效性，從而根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單高效的協(xié)議。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可分為能量感知路由、基于查詢的路由、地理位置路由、可靠路由協(xié)議幾類。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用需求，宜采用自組織、多跳路由的路由協(xié)議。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)只具有傳輸功能，以傳輸為目的，為各應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)傳輸上的支持，不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，其目的是獲取被感知對(duì)象的長(zhǎng)期、準(zhǔn)確的特征信息。采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳感數(shù)據(jù)的快速、合理分組，減少數(shù)據(jù)冗余度，獲得到更合理的數(shù)據(jù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多且分布密集，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，采用動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，去除節(jié)點(diǎn)間不必要的通信鏈路，從而形成優(yōu)化的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，良好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)采用節(jié)點(diǎn)功率控制和層次型拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)功率控制根據(jù)節(jié)點(diǎn)通信距離及時(shí)間變化調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，從而減少各節(jié)點(diǎn)不必要的發(fā)射、功率。層次型拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，來減少單跳通信距離，由此降低能耗。

4 無線傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)能管理方案

從以上節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗和節(jié)點(diǎn)間傳播方式的特點(diǎn)來看，為有效地達(dá)到節(jié)能目的，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能管理可通過動(dòng)態(tài)功耗管理和減少節(jié)點(diǎn)工作負(fù)荷的方法來降低無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)管理方式的節(jié)能措施可從以下幾點(diǎn)來考慮：通過動(dòng)態(tài)功耗管理和降低節(jié)點(diǎn)工作負(fù)荷來減少射頻模塊的工作時(shí)間，即減少節(jié)點(diǎn)之間的通信量；減少射頻模塊發(fā)射功率；減少微處理器的工作時(shí)間。要實(shí)現(xiàn)這幾點(diǎn)，不僅要從硬件設(shè)計(jì)來解決還要從軟件管理層來考慮。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的管理軟件包括傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)采集控制、無線數(shù)據(jù)傳輸控制、電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、充電控制程序等部分。減少微處理器的功耗可通過微處理器的動(dòng)態(tài)功耗管理來實(shí)現(xiàn)，而能耗最大的射頻電路的收發(fā)則由無線數(shù)據(jù)傳輸部分軟件來控制。

無線數(shù)據(jù)傳輸部分軟件包括射頻和基帶兩部分，射頻部分提供數(shù)據(jù)通信的空中接口，基帶部分提供鏈路的物理信道和數(shù)據(jù)分組。微處理器負(fù)責(zé)鏈路管理與控制，執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關(guān)的處理過程，包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類型支持、媒體接入控制、功率模式和安全算法等。因此，在基帶部分采用自組織、多跳路由、層次式、動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以減少通信量并均衡各節(jié)點(diǎn)能量，降低節(jié)點(diǎn)能耗，從而延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。

為避免信息重疊而造成重復(fù)通信、浪費(fèi)資源，自組織、多跳路由的協(xié)議采用層次式設(shè)計(jì)，使得節(jié)點(diǎn)間的通信時(shí)間及通信距離縮短。由于層次式設(shè)計(jì)中作為簇頭節(jié)點(diǎn)能量消耗最大，有可能提前消耗完而使部分網(wǎng)絡(luò)癱瘓，所以，為均衡各節(jié)點(diǎn)能量，路由協(xié)議要采用動(dòng)態(tài)地隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)及路徑的辦法。當(dāng)某一簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗過大時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗狀況，動(dòng)態(tài)地選擇能量消耗少的節(jié)點(diǎn)，平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的效率，有利于節(jié)省能量來延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。采用動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，去除節(jié)點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

同時(shí)，在基帶部分功率模式管理中，采用動(dòng)態(tài)管理的方式對(duì)功率模式進(jìn)行控制，減少不必要的功率輸出。與傳統(tǒng)的功率控制不同，動(dòng)態(tài)管理的方式使用啟發(fā)式的節(jié)點(diǎn)喚醒和休眠機(jī)制，使節(jié)點(diǎn)狀態(tài)在睡眠狀態(tài)和活動(dòng)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這種方式能盡量節(jié)省空閑時(shí)間的能量消耗，在性能和能耗之間取得平衡。

數(shù)據(jù)采集控制部分軟件除控制傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集外，基于節(jié)能考慮，可增加數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)處理部分采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)在傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)信息進(jìn)行快速的融合和分離。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不必將數(shù)據(jù)以端到端的形式傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，只要有效數(shù)據(jù)最終匯集到匯聚節(jié)點(diǎn)就達(dá)到目的了。所以，為了減少流量和能耗，傳輸過程中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常將不同的入口報(bào)文融合成數(shù)目更少的出口報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳。經(jīng)過這樣的處理，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)冗余度降低、通信量減少，節(jié)省了存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬。

5 結(jié)論

通過對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的組成、各部分能量消耗和節(jié)點(diǎn)間傳播方式的分析，提出一種無線傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)能管理方案，該方案在動(dòng)態(tài)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)的自組織、多跳路由、層次式拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議下，采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，并在實(shí)現(xiàn)硬件的低功耗設(shè)計(jì)的條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗管理。