無線傳感器的節(jié)點組成及能耗分析

自動配置的無線傳感器網(wǎng)絡在民用和軍用方面具有極高的價值，可以在大范圍內(nèi)用于收集、處理和發(fā)布復雜的環(huán)境數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點一般采用電池供電，可以使用的電量非常有限，而且對于有成千上萬節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡來說，對電池的更換是非常困難的甚至是不可能的。但是無線傳感器網(wǎng)絡的生存時間卻要求長達數(shù)月甚至數(shù)年，因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡軟硬件設計中的核心問題，也是當前國內(nèi)外研究機構(gòu)關(guān)注的焦點。

1 節(jié)點組成及能耗分析

規(guī)范的無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié)點由四部分組成：（1）由微處理器或微控制器構(gòu)成的計算子系統(tǒng)；（2）用于無線通信的短距離無線收發(fā)電路，即通信子系統(tǒng)；（3）將節(jié)點與物理世界聯(lián)系起來，由一組傳感器和激勵裝置構(gòu)成的傳感子系統(tǒng)；（4）能量供應子系統(tǒng)，包括電池和AC-DC轉(zhuǎn)換器。

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圖1 無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

1） 計算子系統(tǒng)

微處理器（MicroController Unit， MCU）負責控制傳感器、執(zhí)行通信協(xié)議和處理傳感數(shù)據(jù)的算法。MCU的選擇會對節(jié)點的電池消耗帶來很大的影響，比如，Intel的StrongARM常用于高端領域，在執(zhí)行指令時功耗達到400mW，而ATmega103L AVR的功耗就只有16.5 mW，不過提供的性能也要弱的多。出于電源管理的目的，MCU通常有活躍、空閑和睡眠等多種操作模式，每種模式有不同的電源消耗。比如，StrongARM在空閑模式功耗為50 mW，而在睡眠模式時只有0.16 mW。在不同操作模式之間切換也有電源和延遲開銷，因此，不同的操作模式、模式之間的切換和MCU在每種模式的時長對整個節(jié)點的能量消耗有很大的影響。

2） 通信子系統(tǒng)

影響無線收發(fā)電路功耗的因素很多，包括節(jié)點采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等。通常，無線收發(fā)電路可以工作在四種狀態(tài)，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠狀態(tài)?？臻e狀態(tài)也具有很高的功耗，幾乎與接收模式不相上下，所以在無線收發(fā)電路處于空閑狀態(tài)時，應該盡可能將其關(guān)閉（即置于睡眠狀態(tài)）。

3） 傳感子系統(tǒng)

包括一組傳感和激勵裝置，將周圍環(huán)境的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)輸出可以分為模擬和數(shù)字兩類。在無線傳感器中，能量消耗來自多個部分，包括（1）信號采樣以及物理信號到電信號的轉(zhuǎn)換　　　?。?）信號調(diào)制（3）信號的模-數(shù)轉(zhuǎn)換。

4） 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能耗分析

現(xiàn)在分析無線傳感器節(jié)點的能耗。表1是Rockwell的WINS項目中無線傳感器節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)，表2是MEDUSA-II項目中節(jié)點的能耗數(shù)據(jù)，從中可以看出：

采用低功耗模塊、在性能與耗電量之間進行折中對系統(tǒng)整體功耗影響巨大。

節(jié)點的能耗在很大程度上取決于各個組成部分的工作狀態(tài)。

由于傳輸距離很短，接收時的能耗可能比發(fā)送時還大。

無線收發(fā)電路在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)時的耗電量相差無幾。

在分析了無線傳感器節(jié)點的組成和能耗特點之后，讓我們看看在單個節(jié)點上可以采取哪些措施來節(jié)約能耗。

1） 節(jié)能計算

除了在節(jié)點設計中采用低功耗硬件之外，通過動態(tài)電源管理（Dynamic Power Management， DPM）等技術(shù)使系統(tǒng)各個部分都運行在節(jié)能模式下也可以節(jié)約大量的能量。最常用的電源管理策略是關(guān)閉空閑模塊，在這種狀態(tài)下，無線傳感器節(jié)點或其一部分將被關(guān)閉或者處于低功耗狀態(tài)，直到有感興趣的事件發(fā)生。DPM技術(shù)的核心問題是狀態(tài)調(diào)度策略，因為不同的狀態(tài)有不同的功耗特征，而且狀態(tài)切換也有能量和時間開銷。

在活躍狀態(tài)下，則可以采取動態(tài)電壓調(diào)整（Dynamic Voltage Scaling， DVS）技術(shù)來節(jié)約能量。在大多數(shù)無線傳感器節(jié)點上，計算負載是隨時間變化的，因此并不需要微處理器所有時刻都保持峰值性能。DVS技術(shù)就是利用了這一點，動態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率使其剛好滿足當時的運行需求，從而在性能和能耗之間取得平衡。

2） 節(jié)能軟件

如果操作系統(tǒng)、應用層和網(wǎng)絡協(xié)議等系統(tǒng)軟件針對能耗進行了專門的優(yōu)化，那么無線傳感器網(wǎng)絡的生存時間也能得到有效的延長。

在操作系統(tǒng)中進行動態(tài)電源管理和動態(tài)電壓調(diào)整是最合適的，因為操作系統(tǒng)可以獲取所有應用程序的性能需求并能直接控制底層硬件資源，從而在性能和能耗控制之間進行必要的折衷。操作系統(tǒng)的核心是任務調(diào)度器，負責調(diào)度給定的任務集合使其滿足各自的時間和性能需求，通過在任務調(diào)度中考慮節(jié)能問題可，系統(tǒng)生存時間可得到明顯的延長。

鑒于傳輸中不可避免的數(shù)據(jù)丟失，無線傳感器網(wǎng)絡應能根據(jù)當時的網(wǎng)絡環(huán)境提供不同精度的數(shù)據(jù)，從而獲得一定的彈性。另一方面，監(jiān)測對象的屬性是隨時間變化的，從而導致網(wǎng)絡中的計算和通信需求也隨之改變。這樣，我們就可以在實時調(diào)度算法中進行某種程度的預測，對能耗進行主動式的管理。另外，應用層可以設計成將主要的計算任務及早執(zhí)行，然后在算法正常結(jié)束前提前中止，這樣就能在對數(shù)據(jù)精度影響不大的情況下節(jié)約能耗。

3） 無線收發(fā)電路能耗管理

雖然嵌入式處理器的電源管理已經(jīng)得到深入研究，但無線收發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能設計卻研究得不夠。由于無線通信占了整個無線傳感器網(wǎng)絡能耗主要部分，因此對無線收發(fā)系統(tǒng)的能耗管理非常重要。

無線收發(fā)系統(tǒng)電源消耗主要來自兩部分，取決于傳輸距離和調(diào)制參數(shù)的射頻部分以及進行頻率合成、濾波等操作的基帶電路部分。無線收發(fā)系統(tǒng)節(jié)能設計很復雜，因為射頻部分和基帶電路部分的電源開銷是相當?shù)模档蜕漕l部分的速率反而會導致能耗的增加。另外要考慮的問題是，無線收發(fā)系統(tǒng)的初始化開銷很大，這一切都加大了無線收發(fā)系統(tǒng)節(jié)能設計的難度。關(guān)于無線通信方面的能耗優(yōu)化將在下一節(jié)詳細討論。

4） 節(jié)能報文轉(zhuǎn)發(fā)

除了發(fā)送自身感知的數(shù)據(jù)之外，每個無線傳感器節(jié)點又都是路由器，需要為其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)報文。在典型的無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下，無線傳感器節(jié)點接收的大部分報文（大概有65％）需要轉(zhuǎn)發(fā)給其它節(jié)點。通常情況下，無線傳感器節(jié)點將絕大部分協(xié)議處理功能交由MCU執(zhí)行。這樣，不管其最終目的地是哪里，每個接收到的報文都會經(jīng)過相同的處理步驟到達計算子系統(tǒng)并得到處理，導致不必要的能耗開銷。利用智能無線收發(fā)系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)發(fā)的報文可以直接在通信子系統(tǒng)標識和轉(zhuǎn)發(fā)，甚至在計算子系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)時也能正常工作。

3 無線通信的節(jié)能優(yōu)化

與單個節(jié)點能耗管理類似，在節(jié)點間通信過程中考慮節(jié)能措施同樣對提高整個系統(tǒng)的電源使用效率有重要作用，而且，使通信過程對能耗敏感可以將節(jié)能優(yōu)化的范圍從單個節(jié)點擴展到參與通信的多個節(jié)點。

1） 調(diào)制模式

在無線傳感器節(jié)點間的無線鏈路上使用的射頻技術(shù)對無線通信的能量消耗也有重要影響。調(diào)制模式的選擇決定了無線鏈路在總體能耗與靈敏度、延遲等方面的平衡。

調(diào)制級別直接影響功率放大器的能耗，與DVS類似，根據(jù)實際需求動態(tài)改變調(diào)制級別是節(jié)約能耗的有效手段。由于無線收發(fā)電路的啟動開銷較大，因而每次發(fā)送報文的長度越大越好，這樣可以將啟動開銷平攤到更多的數(shù)據(jù)上，但將數(shù)據(jù)積累到一定長度再發(fā)送對信息交換的延遲有影響，需要在兩者之間進行平衡。

2） 鏈路層優(yōu)化

負責錯誤檢測和糾正的鏈路層影響報文的發(fā)送次數(shù)，從而影響系統(tǒng)功耗，特別是對于與網(wǎng)關(guān)節(jié)點等遠距離通信而言。對給定的誤碼率（Bit Error Rate， BER），錯誤控制機制可以減少發(fā)送報文消耗的能量，但相應的增加了發(fā)送者和接收者的處理能耗?？偟膩碚f，鏈路層技術(shù)在降低能耗中所起的作用是間接的，好的錯誤控制模式可以降低報文重傳次數(shù)，從而節(jié)約收發(fā)兩端的能耗。