无线传感器网络节能与功率控制的研究

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1、摘要摘要无线传感器网络(wirelessSensorNe觚ork，WSN)是一种全新的信息获取和处理技术。它综合了传感器技术、嵌入式技术、无线通信技术以及分布式信息处理技术。一般来说，WSN由大量传感器节点组成，节点由电池提供能量。由于节点经常被布置在一些不易到达的地方而且数目庞大，故不易更换电池。因此，在实际应用中，WSN设计最关注的热点是如何实现能量的高效利用从而延长网络寿命。此外，由于在WSN中，节点通常是密集部署的，这将会造成数据包碰撞的概率增大，误码率增加，使节点间通信效率降低，从而影响网络的吞吐量和连通性

2、，因此高效优化的功率控制机制对保证网络覆盖、降低节点功耗、优化网络性能具有重要意义。本文首先分析了WSN节能的研究背景以及国内外的研究现状；然后从WSN的节点结构、体系结构、通信协议层的能量管理等方面研究了网络的能量优化问题，建立了传感节点的通信功耗模型，并针对各个模块进行了专门的功耗优化和功耗管理。在此基础上，采用中科院开发的GAINS(GlobalActableIntelligentNetworks，GAINS)软件和无线收发模块州5121搭建一个WSN，并实现GAINS节点的休眠状态低功耗。接着针对WsN中的功

3、率控制机制，归纳总结了其各层的设计原则，介绍了当前典型功率控制算法，并比较分析了目前基于功率控制的MAC(MediaAccessControl，MAC)协议的特点和性能差异，并对GA烈S节点进行功率控制，使节点在一定距离内使用最优功率来传输数据，从而实现节能的目的。论文提出了一种基于SMAC(SensorMAC，SMAC)的低功耗协议DCSMAC(Du哆CycleadaptedbaLsedonSMAC，DCSMAC)。该协议对于不同节点，可以分配不同的占空比，使每个节点的周期监听时间及睡眠时间的比例可以根据负载流量进

4、行设置。该协议对原有的SMAC进行两点改进：1)改善了SMAC固定占空比不能适应负载变化以及延迟过大的不足，节点可以根据其负载的流量来最优化自身的监听时间占空比。2)在一次传输完成之后，节点将会检查自己是否处于睡眠调度期间，是则切换到睡眠状态。通过这两种机制来达到降低网络能耗的目的。最后，本文使用NS洲etworkSimulator’NS)对DCSMAC协议进行仿真，并将仿真结果与SMAC协议进行比较。结果证明使用非固定占空比的DCSMAC协议使网络的系统能耗得到了优化和降低。如果使用睡眠可选择机制，则可以进一步降低

5、网络能耗。关键字：无线传感器网络，低功耗设计，功率控制，MAC协议AbstractAbStraCtWSN(WirelessSensorNet、Ⅳork)isanoVeltechnologyforacquiringandprocessinginf0肌ation．ninte伊atest11etecllIlologyofsensor，embeddedchip，、】~，irelesscommullic撕onanddistmutedinf．o肌ationprocessing．Generally，WSNconsistsofman

6、ysensornodeswtlichprovidedelectricbybatteries．Batteriesarenotconvenienttoreplacebecausesensornodesaredistributedinsomeplacesunre{lchableandthenumberofnodesisVe巧la唱e．SothemostimportantissueaboutWSNdesignishowt0realizeene玛y—emciencyandthenprolongthelifetime．Inadd

7、ition，densedistributionofnodesinWSN晰llleadt0theincreaseofpaCketcollisionandbite仃orrate，whichfinallyresultintllereductionofthecoHⅡnunicationemciency锄ongthenodes．Andthusthene抑orkthroughputaIldconnectiVitywillbeimpaCted．TherefIorethedesignofe硒cientpowercontrolmech

8、anismsinWSNisVe巧significantforensuringthecoVerageofnetworks，reducingthepowerconsumptionofnodesandoptimizingtheperf．o咖anceofnetwork．Firstly，botllmebackgrouIld锄dstatusofene玛ys