无线传感网节能技术研究

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1、无线传感网节能技术研究摘要：能量问题是无线传感器网络的核心问题，随着无线传感器网络应用前景的发展，如何最大限度的延长网络的生命周期已经成为目前研究的热点。本文通过对无线传感器网络的能耗分析，介绍了无线传感器网络的节能技术及节能策略的发展与特点。　　关键词：无线传感网节能技术节能策略能量消耗　　　　0引言　　随着无线传感器网络(wirelesssensornetworks，WSN)现已成为国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器、“嵌入式计算”、现代网络、无线通信及分布式信息处理等技术。WSN是一种全新的信息获

2、取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。　　1无线传感网能耗分析　　现有无线传感器网络节点体系结构由数据处理及控制单元、电源单元、传感单元和通信单元等四部分组成。如图1所示，具体结构如下：　　对于硬件设计，通常不仅要求传感器节点的价格低廉，还希望传感器节点的工作时间要尽可能的延长的同时能担任中断节点和路由器节点的双重功能。在实际网络运行过程中，处理、传感和无线传输三个操作是能耗的主要来源。处理的能量消耗主要是来自微处

3、理器执行指令的能耗，处理器睡眠状态与运行状态时的能量消耗有很大的差别。传感器的能耗主要包括前端处理、变换器、A/D转换等操作，对于不同种类的传感器则具有不同的能耗，温度，光强、温度、加速度传感器等都属于较低能耗的传感器。而较高能耗的传感器主要有图像、视频传感器等。　　随着集成电路工艺的发展，传感器和处理器模块的功耗越来越低，无线传感器网络绝大部分能量消耗在了无线通信模块。在网络运行过程中，无线模块一般处于四种状态：发送、接收、空闲以及睡眠，这四种状态下的能耗是不一样的。图2为DeborahEstrin在Mobicom002会议上的特邀报告中所述传感器节

4、点各部分能量消耗的情况，从图中可知无线通信能耗主要是无线模块在收发数据及空闲侦听时的能耗[1]。无线模块处于空闲状态的能耗接近于接收状态的能耗，而其睡眠状态的能耗则显著低于其他状态。所以为了有效节省能量，应该尽可能使无线模块处于睡眠状态。图2传感器节点各模块功耗对比。　　无线传感网的节能技术　　无线传感器网络面临的首要挑战就是如何高效节能，用以获得最大化的生命周期，其中包括两种策略：一是降低能量消耗，这在延长无线传感器网络的生命周期研究中占主导地位；二是平衡节点间的能量消耗，主要是通过均衡节点间的流量负载来实现，但这项策略处于从属地位。根据网络节点能耗

5、的主要来源，现有的节能技术主要包括对数据传输与数据处理两个方面。　　针对数据传输的节能技术　　无线传输技术的节能技术　　节点能耗主要来源于无线传输，考虑节省无线传输时的能耗通常能获得很好的节能效果。但由于无线传输技术的研究所涉及的内容多、难度大，所以其目前的研究才刚刚起步。比较具有代表性的研究工作有：美国斯坦福大学的，ElGamal等学者以及南加州大学的YangY学者从自适应调制技术的角度出发[2]，研究了节能无线传输的问题。美国斯坦福大学的Andrea等学者，纽约洲立大学的XiaohuaLi学者提出了根据STBC，V-BLAST等空时处理方案的协作式

6、MIMO传输技术[3]，以在监测环境中存在多径衰落情况下有效地节省能耗。　　网络路由的节能技术　　路由技术的研究主要关注于根据传感器网络分布式操作、节点数目众多以及数据冗余等特点设计具有节省能量的路由技术。无线传感器网络的路由技术按其网络结构和工作方式可以分为平面式的，例如洪泛算法；层状式的，典型的算法有LEACH，PEGASIS，TEEN等。　　的节能技术　　MAC接入技术是无线传感器网络可靠安全通信的保证。无线传感器网络MAC协议设计与传统网络MAC协议设计有很大不同，目前已有大量的研究关注于无线传感器网络MAC协议设计。典型无线传感器网络的节能M

7、AC协议设计有：S-MAC协议、DSMAC、DMAC协议、CSMAC协议等。　　2.针对数据处理的节能技术　　关于此方面的研究工作主要集中于降低处理器的能量消耗，如动态电压缩放技术，这项技术的出发点是在大多数无线传感器节点上，计算负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器在任何时刻都保持峰值性能。针对数据处理的节能技术都可以有效节省数据处理带来的能耗，但由于无线传感器网络中，能耗的主要部分来源于无线通信，所以其总的节能效果不是很明显。　　无线传感网的节能策略　　降低计算能耗主要有以下两类方法：一是通过在操作系统中使用能量感知方式管理系统能源的能量管理技术

8、；二是采用低功耗控制器、处理器，降低硬件功耗。降低感知能耗通常有两类技术可以采用：一是需要硬件