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

3 無線傳感器節(jié)點間傳播方式的節(jié)能管理

減少無線傳感器節(jié)點的能耗除可通過動態(tài)功耗管理來實現(xiàn)外，還可通過節(jié)點間傳播方式的節(jié)能管理減少節(jié)點工作負荷來實現(xiàn)。

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

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

(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點位置是隨機分布的，需其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有自組織性。在實際工作環(huán)境中，傳感器節(jié)點通常不能精確定位，節(jié)點間的關(guān)系無法預(yù)先得知，這就需要傳感器節(jié)點具有自組織能力，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)測區(qū)域內(nèi)需部署大量的傳感器節(jié)點。

(3)節(jié)點間通信距離不長。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間點到點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)點分布方式來看，要減少節(jié)點的工作負荷，需減少節(jié)點間的通信時間及通信距離。不同的傳播方式對無線傳感器節(jié)點間通信時間及通信距離有著重要的影響。在節(jié)點間的傳播方式中，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)點工作負荷，延長無線傳感器網(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)采用動態(tài)拓撲。此外，還可采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，進行快速的信息融合和分離，將提高網(wǎng)絡(luò)運行效率和隨機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)點的計算能力、存儲能力、自身攜帶的能量十分有限而且拓撲結(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)計時需要考慮能源有效性，從而根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點設(shè)計簡單高效的協(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，不對數(shù)據(jù)進行處理。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象的長期、準確的特征信息。采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳感數(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)運行效率。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量眾多且分布密集，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)。在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，采用動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，去除節(jié)點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)拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)采用節(jié)點功率控制和層次型拓撲組織結(jié)構(gòu)。節(jié)點功率控制根據(jù)節(jié)點通信距離及時間變化調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的發(fā)射功率，從而減少各節(jié)點不必要的發(fā)射、功率。層次型拓撲控制利用分簇機制，來減少單跳通信距離，由此降低能耗。

4 無線傳感器節(jié)點節(jié)能管理方案

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

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

無線傳感器節(jié)點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、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態(tài)功耗管理來實現(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、動態(tài)拓撲組織結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以減少通信量并均衡各節(jié)點能量，降低節(jié)點能耗，從而延長節(jié)點壽命。

為避免信息重疊而造成重復(fù)通信、浪費資源，自組織、多跳路由的協(xié)議采用層次式設(shè)計，使得節(jié)點間的通信時間及通信距離縮短。由于層次式設(shè)計中作為簇頭節(jié)點能量消耗最大，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)點能量，路由協(xié)議要采用動態(tài)地隨機選擇簇頭節(jié)點及路徑的辦法。當某一簇頭節(jié)點的能量消耗過大時，傳感器網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)簇頭節(jié)點的能量消耗狀況，動態(tài)地選擇能量消耗少的節(jié)點，平衡節(jié)點的能量消耗，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)能夠提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的效率，有利于節(jié)省能量來延長網(wǎng)絡(luò)壽命。采用動態(tài)拓撲結(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)點選擇，去除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，進行高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

同時，在基帶部分功率模式管理中，采用動態(tài)管理的方式對功率模式進行控制，減少不必要的功率輸出。與傳統(tǒng)的功率控制不同，動態(tài)管理的方式使用啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制，使節(jié)點狀態(tài)在睡眠狀態(tài)和活動狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這種方式能盡量節(jié)省空閑時間的能量消耗，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)點對信息進行快速的融合和分離。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不必將數(shù)據(jù)以端到端的形式傳送給匯聚節(jié)點，只要有效數(shù)據(jù)最終匯集到匯聚節(jié)點就達到目的了。所以，為了減少流量和能耗，傳輸過程中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點經(jīng)常將不同的入口報文融合成數(shù)目更少的出口報文轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳。經(jīng)過這樣的處理，整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)冗余度降低、通信量減少，節(jié)省了存儲資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬。

5 結(jié)論

通過對無線傳感器節(jié)點的組成、各部分能量消耗和節(jié)點間傳播方式的分析，提出一種無線傳感器節(jié)點節(jié)能管理方案，該方案在動態(tài)選擇簇頭節(jié)點的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議下，采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，并在實現(xiàn)硬件的低功耗設(shè)計的條件下進行動態(tài)功耗管理。