无线传感器网络中的节能策略
彭晨，郭静，裴灵犀，文利燕
南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏南京210042
摘 要：为了实现无线传感器网络( WSN)中能量的高效利用从而延长网络寿命，结合已有的研究+讨论了无线传感器网络中引起能量浪费的主要原因，总结并详细阐述了现有的用于无线传感器网络中的几种主要节能策略，如休眠机制、数据融合机制以及冲突避免机制等。对这些策略的分析表明使用节能机制可以有效地降低能耗：最后针对当前节能方法面临和需要解决的关键问题，提出了对节能策略研究趋势的几点设想。
关键词：无线传感器网络；节能技术；网络协议
中图分类号：TP 27 文献标识码A
1引 言
微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和线通信等多种功能。WSN由大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，发送给观察者。WSN中包括汇聚点(Sink)和普通传感器节点。Sink点作为中心处理节点，数目较少，具有较强的处理、存储和通信能力，能量能够得到补充。而普通传感器节点数目庞大，采用不可更换的干电池供电，能源一般情况下很难替代。
因此，如何延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。
本文给出WSN中的能耗分布，分析网络中能量浪费的主要原因，介绍各种节能机制，最后总结全文总结并给出芾能策略可能的研究方向。
2 WSN的能耗分布
传感器节点主要由计算模块、通信模块、传感器模块和电源模块4个模块组成，如图1所示。
其中，传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量。
上述4个模块中，传感器节点的耗能模块包括传感器模块、处理模块和无线通信模块。随着集成电路 工艺的进步，处理器和传感器模块的能耗越来
越低，能量大部分消耗在无线通信模块上。Dehorah Estrin在Mohicom 2002会议上的特邀报告中所述传感器节点各部分的能耗情况，如图2所示。
从图中可以看出，节点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。节点传输信息的能耗远远大于执行计算时的能耗，传输l hit信息到100 m远的距离所需的能量可供执行3 000条指令。
无线通信模块通常包括4种状态：发送、接收、空闲和睡眠。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。从图2可以看出，无线通信模块在发送状态的能耗****，在空闲状态和接收状态的能耗接近，略少于发送状态的能耗，在睡眠状态的能量最少。在网络通信时，可以使用睡眠机制和唤醒机制，当节点周围没有其感兴趣的事仵时，利用睡眠机制使节点进入睡眠状态，需要通信时再用唤醒机制对其进行唤醒，这样可以节约大量能量。
3 WSN中能源浪费的主要原因分析
WSN中引起能源浪费的主要原因如下：
1)冲突( collision)多个节点同时向一个节点发送数据包，造成信号间的相互干扰，使得接收方无法完成数据的准确接收，造成能量浪费。利用RTS/CTS（Request To Send/Clear To Send，请求发送／允许发送）握手机制可以解决冲突问题，但是会带来额外的协议开销。
2)串听( overhearing) 当用共享信道通信时，节点会收到不是发给自己的数据包，造成串听。
3)控制信息开销（control packet overhead）MAC( Media Access Control，介质接人控制)层为了传输数据需要在节点之间交换控制信息，这些信息对用户来说是无用的。
4)空闲监听（idlelistening） 节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频模块要一直处于接收状态，消耗大量的能量。这是无效功率的主要来源。
5)不恰当传输( overemitting) 发送节点在目的节点还没有准备好接收数据时就发送信息，会造成不恰当传输，从而浪费能墨。
6)负荷波动网络中负荷的突然增加会使冲突的可能性增大。当负载接近信道容量的极限时，可能造成网络崩溃，信道几乎没有数据包传输，从而浪费r大量发送／接收能量。
7)数据冗余鉴于单个传感器的监测范围和可靠性是有限的，部署网络时，必须使节点达到一定的密度以增强网络的稳定性和信息的准确性。节点部署的高密度会使邻居节点采集的信息存在一定程度的冗余，在发送这些信息时，就会导致消耗很多不必要的能量。
能量浪费除了以上几点主要原因外，还存在一些其他的原因。如在一些基于簇的路由协议中，没有均衡考虑各节点能量，会使簇头能量消耗过快，从而缩短网络的生存期；在网络的拓扑控制中，拓扑算法的没计不当也会引起网络能量浪费。针对上述原因，下面介绍避免能量浪费的相关节能策略。
4节能策略设计
目前，已经提出的节能策略主要针对无线传感器网络节点的汁算模块和通信模块，主要策略包括休眠机制、冲突避免相关的MAC协议和路由协议、数据融合及多跳短距离通信等。
1)休眠机制休眠机制主要解决空闲监听引起的能量浪费问题，该机制的主要思想是：当节点周围没有其感兴趣的事件发生时，计算与通信模块将处于空闲模块，把这些组建关掉或者调到更低能耗的状态，印休眠状态，该机制对于延长传感器节点的生存周期非常重要。需要注意的是，休眠状态和工作状态的转换需要消耗一定的能量，并且会产生时延，所以状态转换策略对于休眠机制非常重要。如果状态转换策略不合适，不仅无法节能，反而可能会使能耗增加。
通过休眠机制实现节能的策略主要体现在2个方面：硬件支持和MAC协议。
①硬件支持主要是通过在操作系统中使用能量感知方式管理系统能源的方法来达到减少能耗、增加节点寿命的目的。主要节能策略为动态电压调节算法和动态能量管理。
DVS的工作原理是：当网络中计算负载较低时，降低微处理器的工作电压和频率，将会大大降低处理器的能耗。目前使用的大多数处理器，如
StrongARM和Crusoe等，都支持对工作电压和工作频率的调节。
DPM的工作原理是：节点周围没有其感兴趣的信息时（即空闲状态），关闭处理器模块和无线通信模块或者进入休眠状态。由图2中4种状态的
能耗可以看出，空闲状态的能耗接近于接收状态，故使用这种策略将会大幅度节省网络的能源。
②MAC协议MAC协议Sj负责无线信道的使用控制。现有的很多无线传感器网络的MAC协议都采用了休眠机制。如：SMAC，TMAC，PMAC等。SMAC.协议以WSN的能量效率为主要设计目标，较好地解决了能量问题。它的节能思想如下：
a)采用周期性休眠和监听的方法减少空闲监听带来的能量浪费。b）当节点在发送数据时，根据数据帧特殊字段让与此次通信无关的节点进入休眠状态，减少串扰带来的能量损耗。
c）采用消息传递机制，减少控制信息带来的能量损耗。
与SMAC协议的舰艇时间占空比不同的是，TMAC 一规定，节点在进入调度监听状态后，如果在时间TA内没有没有激活时间发生，则马上转入休眠状态。PMAC则是根据自身的数据流量和邻居节点的流量模式自适应地调整阔期性调度方式的占空比，仿奥表明，在数据流量较小时，PMAC协议具有更高的能量效率。
2)数据融合机制 无线传感器网络的基本功能是采集并返回传感器节点所在监测区域的信息。在覆盖度较高的无线传感器网络中，邻近节点报告的信息存在冗余性，各个节点单独传输数据会消耗过多的能量，从而缩短网络的生存时间。
数据融合是将多份数据或信息进行处理，从而综合出更有效、更符合用户需求的数据的方法。数据融合的节能主要体现在路由协议的实现上。数据在转发的路途中，中间节点根据数据的内容，来自多个数据源的数据进行融合操作，将经过本地融合的数据路由到汇聚点，最后只转发有用的数据：
这种路由又称为数据为中心的路由。典型的DC路由协议有基于查询的DD一路由协议、基于层次的LEACH 协议和基于链的PECASIS协议。
DD路由协议中的数据融合包括路径建立阶段的兴趣消息的融含和数据发送阶段的数据融合。兴趣融合基于事件的命名方式，即类型相同、检测区域完全覆盖的兴趣可以融合为一个兴趣；数据融合采用的是“抑制副本”的方法，即对转发过的数据进行缓存，发现重复的数据不予转发。这种融合方法很简单，与路由技术结合可以有效地减少网络中的数据量，从而节省节点能量。LEACH协议是基于层次的路由，这类办议使用分簇的方法实现数据融合。每个簇头在收集了本簇成员的数据后进行融合处理，并将结果发送给汇聚节点。但这样会使簇首节点消耗大量的能源，需要定期选举簇头节点的方法来避免某些节点过早死亡的现象。PECASIS协议是通过对LEACH中的融合方式改进得到的。其单链结构，如图3所示。
该算法在收集数据前，首先利用贪心算法将网络中的所有节点连接成一条单链，然后随机选取一个节点作为首领（节点3），首领向链的两端发出收集数据的请求，数据从单链两端向首领节点流动，首领收集两端发来的数据并进行融合处理，最后将结果数据传送给汇聚点。
3)冲突避免机制WSN大规模、高密度的特点大大增加了邻居节点同时发送数据酌可能性。若多个数据包同时发送，信号会相互重叠，接收方接收不到准确的信息，需要重传才能把信息正确地发送到目的地。可见，冲突引起的重传将造成很大的能量浪费，因此，可以通过在信道接入机制中加入冲突避免机制来节约网络能量。目前主要有3种方式来解决冲突问题：
①使用RTS/CTS握手机制这是一种常用的冲突避免机制，其基本思想是在数据传输之前，先通过RTS/CTS握手的方式与接收节点达成对数据传输的认可，同时又可以通知发送节点和接收节点的邻居节点即将开始的传输，邻居节点在收到RTS或CTS后，在以后的一段时间内抑制自己的传输，从而有效地避免了对即将进行的数据传输造成冲突。但是这种机制是以增加控制信息为代价的。
②使用网络分配向量。 NAV基于MAC帧的时长帧段，其指出了当前在信道中传输信息的节点将继续占用信道的持续时间。NAV会随本地时钟的持续时间递减。在IVAV值非零期间，节点都处于睡眠状态，从而有效避免串扰数据包的接收，减少能量损耗。
③将长信息包分解，通过随机发送的方式避免发生冲突时对长信息重传造成的能量损耗和延时。基于这种思想，SMAC扔议中提出了“消息传递”机制：将长的信息包分成若干个DATA，并将它们一次传递，但是只适用一个RTS/CTS控制分组作为交互。节点为整个传输预留信道，当一个分组没
有收到ACK响应时，节点便自动将信道预留向后延长一个分组传输时间，并重传该分组，整个传输过程中，DATA和ACK都带有信道剩余时间信息，邻居节点可以根据此时间信息避免冲突。
4)多跳短距离通信无线通信能耗E与通信距离d的关系可以用公式表示如下：
E=kdn
式中2
由于无线传感器的节点体积小，发送端和接收端都贴近地面，障碍物较多，干扰较大，所以一般取4，即通信能耗与距离的四次方成正比，随着通信距离的增加，能耗急剧增加，因此，应尽量少单跳通信距离。一般来说，传感器节点的无线通信半径控制在100 m以内比较合适.。
5节能机制的应用
WSN节能机制在实际应用中是必须考虑的因素，在一些应用中已经取得理想的节能效果。文献[13]中将WSN应用在高速公路山体滑坡巡检系统中。该系统中采用了求时唤醒的工作模式。这是一种休眠机制：在监测的环境发生变化时或者汇节点发出唤醒信息时，传感器节点能自动醒来和汇节点进行通信并上报相关信息；否则工作于睡眠状态并采用低功率监测信道，以节约传感器节点功耗并拒绝接受非法的连接访间请求，通过这种机制大大降低了接人汇聚节点时消息碰撞的概率，增加了传感器网络节点的容量与寿命。文献[14]中的环境监测系统中对传感器节点的低功耗处理也做了强调：确保各相邻节点能够共享信道，减少或避免碰撞，提高能效和吞吐率。利用处理功耗远低于通信功耗的特性，通过中间节点的处理，降低数据中的冗余度以减少通信量，提高通讯有效性。
6结语
本文分析了无线传感器网络能量损耗的原因，并对当前产生的节能策略进行了分析和总结。针对无线传感器网络和其业务需求，在现有的节能策略上提出以下几点研究设想：
①增加错误检测机制，完善错误校正机制。通过增加错误检测机制，可以在第一时间内发现错误，然后利用校正机制减少数据包的重传，从而降低能耗。
②完善拓扑管理机制，保证网络中有“合适的”节点处于激活状态以保证网络连通性，尽可能多地关闭冗余节点。除此之外，利用拓扑管理尽可
能地将数据传输任务均衡地分布在所有节点上，以达到网络整体节能的目的。
③跨层能量优化能量管理是无线传感器网络协议各层都要考虑的问题，单独在每一层设计节能机制并不一定取得网络整体节能效果。可以针对节能目标，联合物理层、MAC层以及路由协议层实现跨层优化的设计：例如可以把MAC层和路由层结合起来考虑，根据网络拓扑信息来决定节点的工作状态。
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