無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略分析

王 莘

(西安航空學(xué)院電氣學(xué)院，陜西西安，710077)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN由大量的有傳感、計(jì)算和通訊能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，主要用于探測(cè)物理事件或者現(xiàn)象，收集和處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并最終把這些信息傳輸給用戶。

能量問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直制約著WSN的發(fā)展。為了降低節(jié)點(diǎn)能耗,所采取的主要措施有有兩方面:一是節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量，就是減少單位有效信息在進(jìn)行采集和傳遞中的能耗，盡量降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行中不必要的能量損耗；二是平衡節(jié)點(diǎn)能耗，是通過(guò)選用合適的路由選擇算法使各個(gè)節(jié)點(diǎn)得到均衡利用，不至于因某個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的使用率過(guò)高而使電池能量耗盡，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常運(yùn)行，降低網(wǎng)絡(luò)生存期。

1 節(jié)點(diǎn)節(jié)能

下面介紹本文涉及的幾種節(jié)能技術(shù)：

1)動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù):所謂“動(dòng)態(tài)電源管理”是指在保證正常通信、功能的條件下動(dòng)態(tài)地分配系統(tǒng)資源，保證系統(tǒng)始終處在運(yùn)行元件最少及元件處正常工作的最低能耗狀態(tài)，完成系統(tǒng)任務(wù)的一種技術(shù)。該技術(shù)的核心問(wèn)題是保證在狀態(tài)切換的功耗小，時(shí)間開銷短。

2)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù):動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整(DVS)技術(shù)是指充分利用系統(tǒng)工作時(shí)工作負(fù)載的變化性，在保證系統(tǒng)正常工作的前提下動(dòng)態(tài)改變?cè)O(shè)備工作電壓，以降低系統(tǒng)功耗。大多數(shù)的節(jié)點(diǎn)的計(jì)算負(fù)載不是固定的，它是因工作量不同而動(dòng)態(tài)變化的，因此處理器不需要始終保持在峰值性能。DVS就是根據(jù)處理器的這個(gè)特性，來(lái)對(duì)處理器的工作電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)的改變工作頻率，使供電系統(tǒng)可以滿足處理器的正常運(yùn)行需求的同時(shí)降低了系統(tǒng)的能耗。

3)動(dòng)態(tài)調(diào)制調(diào)整技術(shù):動(dòng)態(tài)調(diào)制調(diào)整(DMS)技術(shù)是以調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)在通信中的波特率大小來(lái)減低節(jié)點(diǎn)能耗的一種技術(shù)。在通信過(guò)程中，系統(tǒng)傳輸傳輸單位數(shù)據(jù)所需的能量會(huì)隨著波特率的下降而下降，由此也會(huì)引起通信中的信息傳輸速率下降。

2 基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)

通過(guò)前文的介紹，我們知道了DPM、DVS、DMS可有效的降低節(jié)點(diǎn)能耗，而幾種技術(shù)采取協(xié)作運(yùn)行會(huì)更有效的降低節(jié)點(diǎn)能耗，然而受到空閑時(shí)間等因素的約束，多種節(jié)能技術(shù)的共存還存在一定的困難。正是為了解決此類問(wèn)題，本文提出了一種基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)，記為L(zhǎng)PSPT。該技術(shù)通過(guò)收集節(jié)點(diǎn)的工作信息，并對(duì)其進(jìn)行有效的分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)設(shè)備及處理單元的負(fù)荷預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)使用DPM、DVS、DMS的共存。

2.1 LPT的實(shí)現(xiàn)

本文是通過(guò)三個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)LPSPT技術(shù):信息采集、負(fù)荷運(yùn)算和執(zhí)行操作。

（1）注冊(cè)登錄:是負(fù)責(zé)獲取負(fù)荷運(yùn)算所需相關(guān)原始信息的。

一個(gè)時(shí)間段的日志記錄生成一般涉及到兩個(gè)命令信息：“開始”和“結(jié)束”。通信/線程開始時(shí)會(huì)發(fā)送一個(gè)“開始”信息給記錄模塊，結(jié)束時(shí)會(huì)發(fā)送一個(gè)“結(jié)束”信息。當(dāng)記錄模塊收到以下兩組信息時(shí)就會(huì)生成一個(gè)日志記錄：一是連續(xù)收到“開始”、“結(jié)束”兩個(gè)信息；一是連續(xù)收到兩個(gè)“開始”信息，計(jì)算如式(3.1)所示。

（2）負(fù)荷預(yù)測(cè):主要是確定系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)可用的空閑時(shí)間的。

LPSPT技術(shù)會(huì)對(duì)當(dāng)前時(shí)隙正在運(yùn)行的相關(guān)收發(fā)單元和處理單元進(jìn)行負(fù)載預(yù)測(cè)。計(jì)算相關(guān)收發(fā)單元和處理單元的負(fù)載是需要完成任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間TD和通信時(shí)間TC的。下面對(duì)相關(guān)的計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)的描述:

1)預(yù)測(cè)計(jì)算當(dāng)前時(shí)隙進(jìn)行的線程集，就是判斷在一個(gè)時(shí)隙周期內(nèi)是否有新添加的線程周期，以此來(lái)完成對(duì)相關(guān)單元的負(fù)載預(yù)測(cè)。

2)線程執(zhí)行總時(shí)間TD的計(jì)算如式(3.2)所示。

式(3.2)中，線程總數(shù)量用TNum表示、線程的執(zhí)行時(shí)間ETi表示、線程頻率用fi表示、所有線程的最高頻率用fmax表示。通過(guò)算式可看出當(dāng)fi=fmax時(shí)，該線程的時(shí)間就是ETi,故系統(tǒng)對(duì)線程的頻率依賴性較強(qiáng)。

3)總的通信時(shí)間Tc的計(jì)算如式(3.3)所示。

式(3.3)中,通信總次數(shù)用CNum表示,第i次通信時(shí)間用CTi表示，通信波特率用bi表示，所有通信中的最高博特率用bmax表示。式(3.2)相識(shí)，該系統(tǒng)對(duì)通信的波特率依賴性較強(qiáng)。

（3）執(zhí)行操作:主要有兩個(gè)功能:一是計(jì)算處理目前系統(tǒng)單元的工作狀態(tài)和將要執(zhí)行的任務(wù)；二是WSN運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行相關(guān)操作，改變單元工作狀態(tài)。

執(zhí)行操作的計(jì)算過(guò)程如下所示:

1)從當(dāng)前的所有可用的頻率和波特率中，個(gè)選其一組成一個(gè)組合（f,b），選取的所有組合生成一個(gè)集合Q；

2)通過(guò)式(3.4)判定選擇的組合(f,b)是否適用于當(dāng)前時(shí)隙,若不適用直接舍去該組合；

3)確定處理器和無(wú)線收發(fā)器單位時(shí)間內(nèi)的能量消耗Ep和Ec；

4)節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙的能量消耗Et，如式(3.5)所示。

5)將Q內(nèi)所有元素依次重復(fù)步驟2-4；對(duì)比Et的大小，確定Et最小的最優(yōu)組合。

2.2 性能仿真

通過(guò)模擬仿真對(duì)LPPST、DMS、DVS對(duì)比三種技術(shù)的節(jié)點(diǎn)能耗情況。通過(guò)三種能耗的對(duì)比，對(duì)LPPST的性能作出客觀正確的評(píng)價(jià)。

設(shè)定LPPST的應(yīng)用環(huán)境。我們?cè)O(shè)定LPPST在定點(diǎn)觀測(cè)系統(tǒng)中使用。再設(shè)定仿真參數(shù)，仿真參數(shù)如表3.1所示?？刂萍拇嫫饔删д窨刂破漕l率變化，電壓和頻率的關(guān)系參照克魯索處理芯片計(jì)算處理器的能耗。仿真線程集如表3.2所示。

表3.1 LPPST仿真參數(shù)

表3.2 仿真線程集參數(shù)

仿真實(shí)驗(yàn)中，為了精確地評(píng)價(jià)設(shè)備的能耗，采用處理器和收發(fā)設(shè)備的能耗比例來(lái)反映系統(tǒng)的能耗特性。能耗比例通過(guò)Ep/Ec來(lái)表示。

2.3 仿真結(jié)果分析

圖3.1是仿真得到的能量關(guān)系圖，圖中X、Y軸分別代表示能耗率、總能耗百分比。由此圖可得到以下結(jié)論：

1)如圖第一線程集節(jié)約了約40%的能源，第二線程集節(jié)約了約25%的能源。

2)在能耗較高時(shí)，使用LPPST技術(shù)節(jié)點(diǎn)節(jié)能效果也很穩(wěn)定。

3)在能耗較小時(shí)，可看出DVS比LPPST更有效地降低能耗，也就是說(shuō)LPPST的開銷較大。

圖3.1 能耗關(guān)系圖

綜上所述，雖然LPPST技術(shù)存在系統(tǒng)開銷較大的問(wèn)題，但對(duì)于大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，即使考慮到系統(tǒng)開銷過(guò)大這一問(wèn)題。LPPST技術(shù)都能有效地起到節(jié)點(diǎn)節(jié)能的作用，且在大多數(shù)情況下，節(jié)點(diǎn)能耗都是最小的。所以說(shuō)LPPST技術(shù)是一種有效地節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗問(wèn)題，提出了一種基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)對(duì)DPM、DMS和DMS三種技術(shù)的協(xié)作使用，通過(guò)收集節(jié)點(diǎn)的工作信息，并對(duì)其進(jìn)行有效的分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接點(diǎn)無(wú)線電發(fā)送設(shè)備、無(wú)線電接收設(shè)備及處理器、處理單元的負(fù)荷預(yù)測(cè)，來(lái)改變系統(tǒng)相關(guān)單元的工作狀態(tài)，以降低系統(tǒng)的能耗。仿真實(shí)驗(yàn)表明，LPT技術(shù)對(duì)比單一技術(shù)可有效的降低傳無(wú)線感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。

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