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摘要：实现无线传感器网络能量高效，是无线传感器网络研究的热点问题和基本问题。该文先对无线传感器网络进行了能耗分析，然后分别从单个节点、整个网络的角度出发总结了目前已有的能量高效策略，提出了能量高效的传感器节点设计、能量高效的传感器网络设计。
关键词：无线传感器网络；能量高效；节点；网络
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-934-02
Wireless Sensor Networks Energy Efficient Strategy for Research and Analysis
ZHANG Shun-li, ZHANG Yue
(Information Science and Technology College,Jiujiang University,Jiujiang 332005,China)
Abstract: It is a hot point and basic problems to achieve energy efficient of wireless sensor networks.Firstly,the thesis analyzes wireless sensor networks of the energy consumption, and then from a single node, the entire network point of view summs up the current energy efficiency strategy. Lastly, the thesis proposes energy efficient design of the sensor nodes, energy efficient design of sensor networks.
Key words: wireless sensor networks; energy efficient; node; networks
1 引言
无线传感器网络是目前一个重要的研究领域，在军事和民用方面都有广阔的应用领域，例如环境监测、场景重构、运动跟踪、运动探测、战场监督、遥感和全球定位等。然而，在发展的过程中，也遇到一些约束及挑战，其中能量有限可以说是无线传感器网络发展的一个“瓶颈”。实现无线传感器网络能量高效，是无线传感器网络研究的热点问题和基本问题。
2 无线传感器网络能耗分析
无线传感器网络的能耗可以分别从宏观与微观角度进行分析，即：传感器网络能耗分析与传感器节点能耗分析。
2.1 传感器网络能耗分析
从整个无线传感器网络来看，网络中各节点的发射功率，不仅影响本身的能量消耗，而且影响网络的无线通信质量、网络吞吐量、路由计算量。
尽管目前已经在无线网络做了大量的研究，但是无线传感器网络与有基础设施的无线网络有很大的区别，主要表现在两个方面：首先有基础设施的无线网络是一个非常不对称的结构，尽管每一个移动节点电源能量有限，但是它的基站是没有能量限制的，对于这类无线网络，通常是通过牺牲基站的能量来节约移动节点的能量，这类方法对于每一个节点都能量有限的且没有基础设施的无线传感器网络显然是行不通的；其次，在一般的有基础设施的无线网络，移动节点之间彼此没有直接的通信。每个节点都是通过基站获得服务或者与其他节点通信，移动节点的能量管理只需要考虑到本地应用，而在无线传感器网络中，节点间的依赖性非常高，节点之间必须通过合作来形成路径和提供其它服务，因此延长整个网络的寿命远远比延长单一节点寿命重要的多。因此贪心算法——每一个节点都寻求最小化自己的能耗对无线传感器网络来说不是有效可行的。
2.2 传感器节点能耗分析
从单个的无线传感器节点来看，传感器节点包括四部分：电源，数据感知部件（传感器模块），数据处理部件（处理器模块），数据传输部件（无线通信模块）。其中消耗能量的模块包括传感器模块、处理器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功耗都很低。绝大部分能量消耗在无线通信模块上，而无线通信模块可以处于发送、接收、空闲或睡眠四种状态，空闲状态就是监听无线信道上的信息，但不发送或接收。睡眠状态就是无线通信模块处于不工作状态，无线通信模块在发送状态下能量消耗最大，在空闲状态和接受状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态下的能量消耗最少。当传感器节点处于发送状态时，无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：
E=kdn
其中d为发送节点与接收节点之间的距离，参数n为信号消减因子，一般为2到4之间的实数。如果考虑周围部署环境及天气情况影响，通常n取3。
3 无线传感器网络能量高效途径分析
由上面的无线传感器网络能耗分析，可以看出要实现无线传感器网络能量高效，可以从两个方面考虑：
一方面是提高整个无线传感器网络生命周期，可以从以下方面着手：优化网络各层协议（路由协议、MAC协议）、实行良好的网络拓扑结构（通过网络拓扑控制）、减少活动节点（通过选取覆盖集，交替实行网络覆盖，剩余节点进入睡眠状态）。
另一方面是降低单个传感器节点的能量消耗，特别是降低节点的无线通信模块的能量消耗。这可以从以下方面着手：减少通信时间（不活动的时候节点进入睡眠状态）、减少通信流量（通过数据融合减少冗余数据的发送）、减少发送节点的发送功率（减少单跳通信距离，使用多跳短距离无线通信方式）。
4 无线传感器网络能量高效策略
从前面的分析可以看出，要实现网络的能量高效，最大化网络生存周期，就必须采取策略既要尽量节约单个节点的能量消耗，更要有整体思维，从网络角度出发来最大化网络生存周期。我们可以有以下能量高效策略：能量高效的传感器节点设计及能量高效的传感器网络设计。
4.1能量高效的传感器节点设计
传感器节点主要由电源、传感器模块、处理器模块、无线通信模块四部分组成，而节点的能耗主要来自处理、无线通信、传感三个操作。因此，可以对这三个模块分别实现能量高效设计。
4.1.1 能量高效的数据处理模块设计
在数据处理模块中，除了采用低功耗的硬件设计外，我们可以采用动态电源管理DPM和动态电压调整DVS来实现单个节点的能量高效。
1)动态电源管理DPM。即当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态（即睡眠状态）。
2)动态电压调整DVS。即当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率从而降低处理能力，可以节约微处理器的能耗。
4.1.2 能量高效的无线通信模块设计
由2.2中分析可知，节点中能量绝大部分消耗在无线通信模块上。因此考虑提高无线通信模块的能量使用效率对于提高整个传感器节点的能效有着非常重要的作用。在无线通信模块中，我们可以采用数据融合技术、多跳短距离无线通信、工作状态控制来实现单个节点的能量高效。
4.1.3 能量高效的传感器模块设计
传感器模块用于感知周围环境，将周围环境的物理现象转换成电信号，根据输出可以分为模拟和数字两类。在传感器模块中，可以采用信息过滤和数据融合来实现单个节点的能量高效，信息过滤或数据融合技术减少了感应的数据量，从而减少了传感器模块的能量消耗。
4.2能量高效的传感器网络设计
由于延长整个网络的寿命远远比延长单一节点寿命重要的多，因此更多的时候我们是从整个网络的角度出来实现能量高效，有的时候甚至通过增加某些单一节点能耗来换取整个网络的生存周期的增长。目前主要从以下方面实现整个网络的能量高效：覆盖控制、拓扑控制、能量高效的路由协议、能量高效的MAC协议、数据融合等。
4.2.1 覆盖控制
在环境监测这类无线传感器应用中，通常高密度部署大量的无线传感器节点。由于节点密度高，某个目标区域或目标点可能被多个节点所覆盖、监测，称为“覆盖冗余”。这就造成了大量节点对同一目标区域或目标点重复覆盖或监测（感知），能量极大地浪费。网络覆盖控制的主要思想是：利用节点的冗余性，通过节点调度、密度控制等机制，在不影响网络覆盖性能条件下，让一部分节点处于活动状态，提供服务，另一部分则处于睡眠状态，从而减少能量的消耗。
覆盖控制按所覆盖的目标特点分类可以分为：区域覆盖，点覆盖，栅栏覆盖。
4.2.2 拓扑控制
拓扑控制是无线传感器网络研究中的核心技术之一。通过拓扑控制形成的良好网络拓扑结构，能够减小通信干扰、提高MAC协议和路由协议的效率，特别是对于实现网络的能量高效、延长网络的生存周期等具有重要意义。
传感器网络拓扑控制的主要研究问题是：在满足一定网络覆盖度和连通度的基础上，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。其主要目标是实现网络的能量高效、延长网络的生存周期。目前对拓扑控制的研究分为两个方面：节点功率控制、睡眠调度机制。
4.2.3 能量高效的路由协议
路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，传统路由协议在选择最优路径，很少考虑节点的能量消耗，更多地考虑减少时延、提高网络利用率、避免拥塞等，而在无线传感器网络中，节点能量有限，路由协议的设计首要考虑是如何高效利用能量。无线传感器网络的路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均匀消耗，避免部分节点过早耗尽能能量而影响整个网络的生存周期。根据网络中节点的地位与功能是否一样，可以将路由协议分为平面路由协议、层次路由协议。
4.2.4 能量高效的MAC协议
MAC(medium access control)协议决定无线信道的使用方式，与传统网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性、提高带宽的利用率和增加网络的实时性不同，传感器网络的MAC协议设计的首要考虑因素是如何高效的利用能量。如果设计不当，串音(overhearing)、空闲侦听(idle listening)、碰撞、控制信息过多等都会造成大量的能量、资源浪费，其中空闲侦听是浪费能量的主要因素。由2.2中能耗分析可知，传感器节点在睡眠时能耗最少，因此，传感器网络MAC协议为了能节约能量，通常采用“侦听/睡眠”交替的无线通信使用策略。
5 结束语
本文在对无线传感器网络进行能耗分析的基础上，提出了能量高效的传感器节点设计、能量高效的传感器网络设计。
参考文献：
[1] Akkaya K,Younis M.A Survey on Routing Protocols for wire less Sensor Networks[J].Ad Hoe Networks,2005,3(3):325-349.
[2] AKYILDIZ I,SU W,SANKARASUBRAM ANIAM[2]Y,et a1.Wireless sensor networks:A survey[J].Computer Networks,2002,38(4):393-422.
[3] 李晓维.无线传感器网络技术[M].北京:北京理工大学出版社,2007.
[4] 孙利民,李建中.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
关键词：无线传感器网络；能量高效；节点；网络
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-934-02
Wireless Sensor Networks Energy Efficient Strategy for Research and Analysis
ZHANG Shun-li, ZHANG Yue
(Information Science and Technology College,Jiujiang University,Jiujiang 332005,China)
Abstract: It is a hot point and basic problems to achieve energy efficient of wireless sensor networks.Firstly,the thesis analyzes wireless sensor networks of the energy consumption, and then from a single node, the entire network point of view summs up the current energy efficiency strategy. Lastly, the thesis proposes energy efficient design of the sensor nodes, energy efficient design of sensor networks.
Key words: wireless sensor networks; energy efficient; node; networks
1 引言
无线传感器网络是目前一个重要的研究领域，在军事和民用方面都有广阔的应用领域，例如环境监测、场景重构、运动跟踪、运动探测、战场监督、遥感和全球定位等。然而，在发展的过程中，也遇到一些约束及挑战，其中能量有限可以说是无线传感器网络发展的一个“瓶颈”。实现无线传感器网络能量高效，是无线传感器网络研究的热点问题和基本问题。
2 无线传感器网络能耗分析
无线传感器网络的能耗可以分别从宏观与微观角度进行分析，即：传感器网络能耗分析与传感器节点能耗分析。
2.1 传感器网络能耗分析
从整个无线传感器网络来看，网络中各节点的发射功率，不仅影响本身的能量消耗，而且影响网络的无线通信质量、网络吞吐量、路由计算量。
尽管目前已经在无线网络做了大量的研究，但是无线传感器网络与有基础设施的无线网络有很大的区别，主要表现在两个方面：首先有基础设施的无线网络是一个非常不对称的结构，尽管每一个移动节点电源能量有限，但是它的基站是没有能量限制的，对于这类无线网络，通常是通过牺牲基站的能量来节约移动节点的能量，这类方法对于每一个节点都能量有限的且没有基础设施的无线传感器网络显然是行不通的；其次，在一般的有基础设施的无线网络，移动节点之间彼此没有直接的通信。每个节点都是通过基站获得服务或者与其他节点通信，移动节点的能量管理只需要考虑到本地应用，而在无线传感器网络中，节点间的依赖性非常高，节点之间必须通过合作来形成路径和提供其它服务，因此延长整个网络的寿命远远比延长单一节点寿命重要的多。因此贪心算法——每一个节点都寻求最小化自己的能耗对无线传感器网络来说不是有效可行的。
2.2 传感器节点能耗分析
从单个的无线传感器节点来看，传感器节点包括四部分：电源，数据感知部件（传感器模块），数据处理部件（处理器模块），数据传输部件（无线通信模块）。其中消耗能量的模块包括传感器模块、处理器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功耗都很低。绝大部分能量消耗在无线通信模块上，而无线通信模块可以处于发送、接收、空闲或睡眠四种状态，空闲状态就是监听无线信道上的信息，但不发送或接收。睡眠状态就是无线通信模块处于不工作状态，无线通信模块在发送状态下能量消耗最大，在空闲状态和接受状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态下的能量消耗最少。当传感器节点处于发送状态时，无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：
E=kdn
其中d为发送节点与接收节点之间的距离，参数n为信号消减因子，一般为2到4之间的实数。如果考虑周围部署环境及天气情况影响，通常n取3。
3 无线传感器网络能量高效途径分析
由上面的无线传感器网络能耗分析，可以看出要实现无线传感器网络能量高效，可以从两个方面考虑：
一方面是提高整个无线传感器网络生命周期，可以从以下方面着手：优化网络各层协议（路由协议、MAC协议）、实行良好的网络拓扑结构（通过网络拓扑控制）、减少活动节点（通过选取覆盖集，交替实行网络覆盖，剩余节点进入睡眠状态）。
另一方面是降低单个传感器节点的能量消耗，特别是降低节点的无线通信模块的能量消耗。这可以从以下方面着手：减少通信时间（不活动的时候节点进入睡眠状态）、减少通信流量（通过数据融合减少冗余数据的发送）、减少发送节点的发送功率（减少单跳通信距离，使用多跳短距离无线通信方式）。
4 无线传感器网络能量高效策略
从前面的分析可以看出，要实现网络的能量高效，最大化网络生存周期，就必须采取策略既要尽量节约单个节点的能量消耗，更要有整体思维，从网络角度出发来最大化网络生存周期。我们可以有以下能量高效策略：能量高效的传感器节点设计及能量高效的传感器网络设计。
4.1能量高效的传感器节点设计
传感器节点主要由电源、传感器模块、处理器模块、无线通信模块四部分组成，而节点的能耗主要来自处理、无线通信、传感三个操作。因此，可以对这三个模块分别实现能量高效设计。
4.1.1 能量高效的数据处理模块设计
在数据处理模块中，除了采用低功耗的硬件设计外，我们可以采用动态电源管理DPM和动态电压调整DVS来实现单个节点的能量高效。
1)动态电源管理DPM。即当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态（即睡眠状态）。
2)动态电压调整DVS。即当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率从而降低处理能力，可以节约微处理器的能耗。
4.1.2 能量高效的无线通信模块设计
由2.2中分析可知，节点中能量绝大部分消耗在无线通信模块上。因此考虑提高无线通信模块的能量使用效率对于提高整个传感器节点的能效有着非常重要的作用。在无线通信模块中，我们可以采用数据融合技术、多跳短距离无线通信、工作状态控制来实现单个节点的能量高效。
4.1.3 能量高效的传感器模块设计
传感器模块用于感知周围环境，将周围环境的物理现象转换成电信号，根据输出可以分为模拟和数字两类。在传感器模块中，可以采用信息过滤和数据融合来实现单个节点的能量高效，信息过滤或数据融合技术减少了感应的数据量，从而减少了传感器模块的能量消耗。
4.2能量高效的传感器网络设计
由于延长整个网络的寿命远远比延长单一节点寿命重要的多，因此更多的时候我们是从整个网络的角度出来实现能量高效，有的时候甚至通过增加某些单一节点能耗来换取整个网络的生存周期的增长。目前主要从以下方面实现整个网络的能量高效：覆盖控制、拓扑控制、能量高效的路由协议、能量高效的MAC协议、数据融合等。
4.2.1 覆盖控制
在环境监测这类无线传感器应用中，通常高密度部署大量的无线传感器节点。由于节点密度高，某个目标区域或目标点可能被多个节点所覆盖、监测，称为“覆盖冗余”。这就造成了大量节点对同一目标区域或目标点重复覆盖或监测（感知），能量极大地浪费。网络覆盖控制的主要思想是：利用节点的冗余性，通过节点调度、密度控制等机制，在不影响网络覆盖性能条件下，让一部分节点处于活动状态，提供服务，另一部分则处于睡眠状态，从而减少能量的消耗。
覆盖控制按所覆盖的目标特点分类可以分为：区域覆盖，点覆盖，栅栏覆盖。
4.2.2 拓扑控制
拓扑控制是无线传感器网络研究中的核心技术之一。通过拓扑控制形成的良好网络拓扑结构，能够减小通信干扰、提高MAC协议和路由协议的效率，特别是对于实现网络的能量高效、延长网络的生存周期等具有重要意义。
传感器网络拓扑控制的主要研究问题是：在满足一定网络覆盖度和连通度的基础上，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。其主要目标是实现网络的能量高效、延长网络的生存周期。目前对拓扑控制的研究分为两个方面：节点功率控制、睡眠调度机制。
4.2.3 能量高效的路由协议
路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，传统路由协议在选择最优路径，很少考虑节点的能量消耗，更多地考虑减少时延、提高网络利用率、避免拥塞等，而在无线传感器网络中，节点能量有限，路由协议的设计首要考虑是如何高效利用能量。无线传感器网络的路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均匀消耗，避免部分节点过早耗尽能能量而影响整个网络的生存周期。根据网络中节点的地位与功能是否一样，可以将路由协议分为平面路由协议、层次路由协议。
4.2.4 能量高效的MAC协议
MAC(medium access control)协议决定无线信道的使用方式，与传统网络的MAC协议重点考虑节点使用带宽的公平性、提高带宽的利用率和增加网络的实时性不同，传感器网络的MAC协议设计的首要考虑因素是如何高效的利用能量。如果设计不当，串音(overhearing)、空闲侦听(idle listening)、碰撞、控制信息过多等都会造成大量的能量、资源浪费，其中空闲侦听是浪费能量的主要因素。由2.2中能耗分析可知，传感器节点在睡眠时能耗最少，因此，传感器网络MAC协议为了能节约能量，通常采用“侦听/睡眠”交替的无线通信使用策略。
5 结束语
本文在对无线传感器网络进行能耗分析的基础上，提出了能量高效的传感器节点设计、能量高效的传感器网络设计。
参考文献：
[1] Akkaya K,Younis M.A Survey on Routing Protocols for wire less Sensor Networks[J].Ad Hoe Networks,2005,3(3):325-349.
[2] AKYILDIZ I,SU W,SANKARASUBRAM ANIAM[2]Y,et a1.Wireless sensor networks:A survey[J].Computer Networks,2002,38(4):393-422.
[3] 李晓维.无线传感器网络技术[M].北京:北京理工大学出版社,2007.
[4] 孙利民,李建中.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.