第2期集美大学学报(自然科学版)Vol13

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1、第13卷第2期集美大学学报(自然科学版)Vol.13No.22008年4月JournalofJimeiUniversity(NaturalScience)Apr.2008[文章编号]1007-7405(2008)02-0141-06无线传感网中能耗因素的分析与仿真12111杨光松,石江宏,陈红霞,马中华,陈朝阳(1.集美大学信息工程学院、通信与信息技术研究所,福建厦门361021;2.厦门大学信息科学与技术学院,福建厦门361005)[摘要]首先,对影响WSN能耗的各种因素进行了分析,并用NS2仿真工具

2、在不同场景下对这些因素进行了仿真比较.仿真结果说明,WSN的能耗因素涉及到网络的各协议层,与发射功率、分组大小以及MAC层竞争状况、路由选择度量等有关.其次,提出了WSN网络中节能的设计原则和方法,指出了研究目标和研究方向.[关键词]无线传感器网络;NS2仿真;能量损耗;节能策略[中图分类号]TN9291533[文献标志码]A0引言无线传感网WSN(WirelessSensorNetwork)是一种由传感器、数据处理单元和通信模块集成的[1]微小节点通过自组织方式构成的网络,借助于节点中内置的形式多样的

3、传感器采集外界信息,在军事、环境监测、医疗、智能建筑及其它商业领域等方面有广泛的应用前景.WSN具有无中心、自组织、多跳转发及拓扑灵活变换等特点,各节点通常由电池供电,因而需要能量保护机制使电池能量最大化,从而延长整个网络的生存期.影响网络能耗的因素很多,首先,通过功率放大器在无线介质中传送信号,将消耗大量能量;其次,每个节点不仅自身在使用用户接口、存储设备、进行各种运算时会耗能,而且作为中继节点转发数据时也会耗能;此外,路由选择及MAC层控制,也会对耗能造成影响.因此,能量有效性是WSN设计中应该考虑

4、的重要问题之一.国内外学者对自组织网的能耗问题进行了广泛的研究,文献[2]通过传输功率调整控制多跳无线网络拓扑结构来节能;文献[3-4]对无线网卡的能耗进行了实测,但都是基于简单的场景,即两个节点之间进行通信,没有对MAC层竞争状态进行分析.根据不同的应用,各协议层有不同的功[5]率控制手段:在网络层,功率识别的路由协议被证明能节省功率;在MAC层,文献[6-7]提出在不必要时(如退避阶段)关掉发射机,或者使其处于睡眠状态,通过减轻空闲侦听功率或者降低[8-9]总的冲突数来节省功率;应用层采用的一些方法

5、也能减少功耗,例如,可以通过动态建立路由[10]树,实现逐级汇聚来节能,由于不易根据实验数据准确地衡量网络性能,因此,本文使用离散事件仿真器NS2对各种耗能因素进行仿真和分析.1WSN中能耗影响因素的分析无线传感器网络节点通常采用无法替换的电池供电,有限的能量使得能量损耗问题成为无线传感[11]器网络的研究重点和关键技术.一个传感节点的耗能可以表示为:[收稿日期]2007-03-05[修回日期]2007-05-28[基金项目]福建省自然科学基金资助项目(A0710021);福建省青年创新基金资助项目(2

6、006F3097);集美大学科研基金资助项目(ZQ2006010)[作者简介]杨光松(1968—),男,副教授,博士,从事无线通信网络研究.·142·集美大学学报(自然科学版)第13卷Ei=ETx+ERx,λ(1)ETx=Eelec×k+εamp×k×r,ERx=Eelec×k.其中ETx、ERx分别是发送和接收kbits数据消耗的能量;Eelec是发送机电路工作消耗的能量;εamp是功率放大器消耗的能量;k为传送数据的分组大小;r是两个节点之间的通信距离;λ是路径损耗.从式(1)可以看到,能量损耗发生

7、在两个方面:一是器件本身的耗能,包括处理器及存贮器等工作需要的能量,它取决于器件的发展水平,Eelec、εamp均与此项有关;二是通信所需要的能量,取决于数据负荷的大小、信道质量和通信节点之间的范围,k、r均与此项有关.在网络中,成功传送一个分组要消耗的能量可以表示为:E=Pmac×Dmac+Prouting×Drouting+Pdata×Ddata,(2)其中,Dmac、Drouting、Ddata分别为MAC分组、路由负荷及数据分组的大小,而Pmac、Prouting、Pdata分别为传送它们所使用

8、的功率.式(2)把影响能耗的因素进一步细化为MAC层、网络层及数据净荷的耗能.如果MAC协议采用802111的DCF机制,则第一项可以表示为:Pmac×Dmac=(PRTS×RTS+PCTS×CTS)×m+PACK×ACK(3)发射功率项PRTS、PCTS、PACK分别是发送RTS、CTS、ACK所用的功率,而m为重传数.结合式(1)—(3),可以知道WSN中的耗能涉及到各协议层,与发射功率、分组大小以及MAC层竞争状况、路由选择度量等因素