無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)能策略研究

【摘要】 無線傳感器網(wǎng)絡是由部署于一定監(jiān)控區(qū)域內的大量微型傳感器節(jié)點構成，以無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其在工業(yè)控制、搶險救災、環(huán)境監(jiān)測、目標跟蹤等眾多領域應用前景廣闊。然而傳統(tǒng)傳感器節(jié)點能源存在著有限性，一旦電池能耗完則其節(jié)點便失去相應作用。為此，需要采取相應的節(jié)能策略，以確保無線傳感器網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性與綜合效益。

【關鍵字】 無線傳感器 網(wǎng)絡 節(jié)能

一、無線傳感器網(wǎng)絡及其節(jié)點構成的基本認知

無線傳感器網(wǎng)絡是由大量傳感器節(jié)點構成，在其網(wǎng)絡系統(tǒng)中，采取人工或飛行器埋設方式，按照實際需求將傳感器節(jié)點布置于監(jiān)測區(qū)域內，采取自組織形式進行節(jié)點網(wǎng)絡構建。節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中承擔著信息采集與傳輸任務，同時承擔著路由角色，節(jié)點作業(yè)所采取的數(shù)據(jù)信息則通過多條路由傳輸給匯聚節(jié)點。

匯聚節(jié)點屬于無線傳感器網(wǎng)絡特殊節(jié)點，其具備較強的信號發(fā)射能力，能夠通過移動網(wǎng)絡通信、Internet或衛(wèi)星等，將監(jiān)測區(qū)域范圍內數(shù)據(jù)遠程傳輸給管理中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與處理任務。

傳感器節(jié)點屬于無線傳感器網(wǎng)絡的基礎部分，其節(jié)點以電池為能源，一旦電池消耗殆盡，則節(jié)點無法進行信息采集工作。

為確保網(wǎng)絡傳感器節(jié)點運行長期穩(wěn)定，則需要采取節(jié)能策略以提高節(jié)點工作壽命。典型傳感器節(jié)點主要包括四個部分，分別為感知子系統(tǒng)、處理子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)及功能單元系統(tǒng)。

傳感器節(jié)點在工作中其耗能存在著一定差異性，如通信子系統(tǒng)較之處理子系統(tǒng)能耗更多，通信子系統(tǒng)進行一個比特數(shù)據(jù)的傳輸則相當于處理子系統(tǒng)完成數(shù)千個指令處理所消耗能量。

在睡眠狀態(tài)下，通信子系統(tǒng)能耗水平較低。一般情況下感知子系統(tǒng)具備較低能耗，但如感知器精度要求較高，則其能耗水平增加。為確保無線傳感器網(wǎng)絡運行質量，提出基于工作周期、基于移動性與基于數(shù)據(jù)驅動的三種節(jié)能策略。

二、基于工作周期的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能策略

在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點狀態(tài)分為睡眠與活動兩種，其中活動狀態(tài)即屬于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的工作周期，建立于工作周期基礎之上的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能策略，主要以降低通信子系統(tǒng)能耗為目的，其節(jié)能策略分為能量控制策略與拓撲控制策略。

2.1能量控制策略

依據(jù)網(wǎng)絡流量運行狀況，進行通信子系統(tǒng)周期性睡醒狀態(tài)切換，是實現(xiàn)能量控制策略的基本思路。能量控制策略，進行通信子系統(tǒng)喚醒，其主要包括三種方式，分別為依據(jù)要求的睡醒協(xié)議喚醒、異步喚醒協(xié)議與依據(jù)約定的睡醒協(xié)議。

2.1.1依據(jù)要求的睡醒協(xié)議

其中依據(jù)要求的睡醒協(xié)議，要求通訊節(jié)點只有在執(zhí)行通信活動時方保持工作狀態(tài)，其他時間則進入睡眠狀態(tài)。為有效解決睡眠可節(jié)點喚醒并保持與其節(jié)點通信，可以采取喚醒無線電形式來實現(xiàn)。

喚醒無線電多采取低能量與低速率無線電，進行喚醒指令的有效傳達。當無線電喚醒節(jié)點后，節(jié)點進入工作狀態(tài)并保持通信，打開高能量與高速率無線電，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸工作，當數(shù)據(jù)傳輸結束后，節(jié)點重新進入到睡眠狀態(tài)。這種節(jié)能策略在低工作周期環(huán)境中較為適用，如火災探測與信息傳輸?shù)阮I域，具備代表性意義的協(xié)議包括STEM-B、PTW、STEM-T等。

以STEM-B協(xié)議為例，對其喚醒工作方式進行探究。在源節(jié)點與附近目的節(jié)點需要進行通信時，采取喚醒無線電方式進行周期性喚醒信號發(fā)送，當目標節(jié)點接收到喚醒信號后，則會與系統(tǒng)進行喚醒確認，確認后打開數(shù)據(jù)無線電。如在喚醒操作過程中，喚醒信道出現(xiàn)沖突，任何感知到喚醒信號的節(jié)點則都將其無線電打開，不進行喚醒信號確認；如系統(tǒng)沒有接收到喚醒確認，源節(jié)點將在設置發(fā)送次數(shù)最高值以內持續(xù)發(fā)送喚醒信號。

2.1.2異步喚醒協(xié)議

異步喚醒協(xié)議實現(xiàn)的基礎為：無線傳感器網(wǎng)絡每個節(jié)點，均設置有相應的睡醒調度函數(shù)，從而進行睡醒時間表產(chǎn)生。不需要進行時鐘考慮，相鄰節(jié)點如需進行相應通信，只需要進行重疊喚醒時間表即可實現(xiàn)。其協(xié)議以異步算法設計為核心，異步算法則確保節(jié)點通信需求的基礎上，將節(jié)點活動時間進行最小化處理，并確保節(jié)點滿足網(wǎng)絡拓撲及碰撞等特殊情況，如RAW協(xié)議。

RAW協(xié)議，以睡眠調度函數(shù)為依托，對節(jié)點進行周期性喚醒，節(jié)點喚醒后進入工作狀態(tài)，在一定時間后重新進入睡眠。當節(jié)點被成功喚醒后，以鄰居發(fā)現(xiàn)機制進行活動鄰居尋找，如S節(jié)點需要向D節(jié)點進行數(shù)據(jù)包發(fā)送作業(yè)，S節(jié)點轉發(fā)集中存在著m個鄰居可以進行轉發(fā)，其中存在與節(jié)點S一起被喚醒的概率，用公式表達則為：

通過公式可以看出，當m值越大時，P概率值越大，其在高密度感知網(wǎng)絡中應用較為廣泛。

2.1.3依據(jù)約定的睡醒協(xié)議

依據(jù)約定的睡醒協(xié)議，其是將鄰居節(jié)點進行同一時間設定被進行喚醒，其時間設定同步，當節(jié)點喚醒后進行通信作業(yè)。采取這種協(xié)議方式，可實現(xiàn)鄰居廣播信息傳遞，較為典型的協(xié)議包括DMAC、SMAC、TMAC協(xié)議等。

2.2拓撲控制策略

應用無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點冗余，實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點壽命延長是拓撲控制策略的基本思路。在其節(jié)能策略中，要求選擇節(jié)點的一個子集，確保該子集通路正常并處于工作狀態(tài)，其他節(jié)點則保持睡眠狀態(tài)。

以GAF協(xié)議為例，將區(qū)域內節(jié)點感知區(qū)域劃分為一定虛擬式方格，其節(jié)點路由等效，同一時間保持一個路由即可。GAF協(xié)議則對節(jié)點頭進行周期性選擇，并讓其承擔一定的路由任務。剩余能量愈多節(jié)點，其被設定為節(jié)點頭的可能性越高，從而確保整個無線傳感器網(wǎng)絡生命周期與節(jié)點密度保持一致。

三、基于移動性的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)能策略

無線傳感器網(wǎng)絡依據(jù)移動物體特性，構建移動性節(jié)能策略，其策略包括移動MS策略與移動中繼MR策略兩種形式。建立于移動性的無線傳感器節(jié)能策略，讓普通節(jié)點采取一跳或若干跳的方式，將數(shù)據(jù)傳輸給移動relay或移動sink，實現(xiàn)了靜態(tài)網(wǎng)絡多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐黄?，從而在很大程度上降低了轉發(fā)次數(shù)與連接錯誤，進而實現(xiàn)節(jié)能操作。

3.1 MS策略

MS移動性節(jié)能策略在無線傳感器中的應用結構圖如下所示：

圖1 應用MS策略的無線傳感器網(wǎng)絡結構示意圖

由圖1可見，網(wǎng)絡結構劃分普通節(jié)點層與MS層，普通節(jié)點層進行數(shù)據(jù)感知，MS層執(zhí)行數(shù)據(jù)收集。應用該策略時，要求在其區(qū)域內設定候選地點并選擇出哨兵節(jié)點，通過哨兵節(jié)點進行附近節(jié)點能量信息的捕獲，在接收到MS詢問信號后將捕獲信息傳輸給MS，依據(jù)剩余能量信息MS選擇節(jié)點能量較多地點作下一次移動目的地。MS策略在應用中其目的地停留時間經(jīng)過精確計算，在平衡能量消耗的同時可以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡壽命最大化。

3.2 MR策略

在無線傳感器網(wǎng)絡中應用MR策略，其網(wǎng)絡結構示意圖如圖2。

該策略下無線傳感器網(wǎng)絡結構分三層，分別為普通節(jié)點層，執(zhí)行數(shù)據(jù)感知作業(yè)，第二層為MR層，承擔著數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)中轉工作，將獲取數(shù)據(jù)傳輸給AP，第三層屬AP層，承擔MR數(shù)據(jù)接收工作，并將所收集的數(shù)據(jù)信息與sink節(jié)點進行同步。

圖2 應用MR策略的無線傳感器網(wǎng)絡結構示意圖

四、基于數(shù)據(jù)驅動的無線傳感器節(jié)能策略

基于數(shù)據(jù)驅動的無線傳感器節(jié)能策略主要包括數(shù)據(jù)預測及高效能數(shù)據(jù)采集兩個模塊，其在降低感知子系統(tǒng)能耗方面應用廣泛。

4.1數(shù)據(jù)預測

通過數(shù)據(jù)預測，可以將源節(jié)點發(fā)送給sink節(jié)點的數(shù)據(jù)量進行有效降低，從而在很大程度上降低通信子系統(tǒng)能耗。在低階AR基礎上進行PAQ數(shù)據(jù)預測模型構建。在布置傳感器初期，感知節(jié)點執(zhí)行數(shù)據(jù)采樣，并將其采樣值進行隊列存儲，當隊列存儲滿之后，感知節(jié)點以時間序列進行PAQ模型計算，并將該模型向sink節(jié)點發(fā)送。感知節(jié)點數(shù)據(jù)采集與模型預測數(shù)據(jù)執(zhí)行對比，如預測值符合標準要求則認定模型有效，如預測值偏差較大，則應更換模型。采取這種工作方式，只要求感知節(jié)點向sink節(jié)點傳遞PAQ模型，無需進行采樣值傳輸，從而實現(xiàn)了無線傳感器節(jié)能。

4.2高效能數(shù)據(jù)采集策略

提高數(shù)據(jù)采集效率，能夠有效降低采樣數(shù)量并降低感知子系統(tǒng)能源消耗。較為典型的高能效數(shù)據(jù)采集策略如Backcasting，其策略應用空間聯(lián)系進行采樣數(shù)量控制。其策略要求在節(jié)點間采樣值差異偏大的區(qū)域范圍內，將更多節(jié)點激活并進行感知。因一定區(qū)域內開始節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)點激活需經(jīng)過以下操作：第一，進行部分節(jié)點激活，并將部分節(jié)點作為初始化節(jié)點子集，通過部分節(jié)點進行環(huán)境感知并劃定子區(qū)域，子區(qū)域節(jié)點自組織成簇，由簇頭進行節(jié)點激活評估并將評估結果發(fā)送給sink節(jié)點；第二，當區(qū)域內空間聯(lián)系降低時，sink節(jié)點發(fā)送激活信號給簇頭，按照信號要求簇頭將區(qū)域內相應節(jié)點進行激活。

五、結語

無線傳感器網(wǎng)絡在搶險救災、環(huán)境監(jiān)測、目標跟蹤及工業(yè)控制等領域應用十分廣泛，其是由大量微型傳感器節(jié)點構成，節(jié)點以電池為基礎能耗，一旦能耗殆盡則無法實現(xiàn)其相應功能。為此，進行無線傳感器節(jié)能策略研究則具備著重要的現(xiàn)實意義。在分析無線傳感器網(wǎng)絡及其節(jié)點構成的基礎上，提出基于工作周期、基于移動性與基于數(shù)據(jù)驅動的三種節(jié)能策略，并對其策略工作模式及工作協(xié)議進行探究。實踐證明，采取綜合的節(jié)能策略，能夠有效提高無線傳感器網(wǎng)絡生命周期，實現(xiàn)更好的現(xiàn)實效益。

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