无线传感器网络的节能优化技术研究

摘　要：本文主要介绍了无线传感器网络的节点结构和能耗分析，对无线网络的主要性能指标进行评估，考虑基于参数设置的能量空洞避免策略，研究和设计具有负载均衡和能量感知的路由协议，用以优化网络节能优化技术，提高无线传感器网络的生命周期。

关键词：无线传感器网络；节能优化；能量空洞；路由优化
1引言
　　无线传感器网络(wireless Sensor Network，WSN)是由部署在监测区域内的大量的微型传感器节点组成,用一种无线通信的方式构成一个类似于Ad-hoc的多跳的自组织通信网络系统，为了能够更好地协作地感知、采集和处理网络中被监测对象的信息，并发送数据给控制方。
　　无线传感器网络与目前已有的移动通信网、无线局域网、Ad-hoc网络等比较起来，其特点主要有：
　　1.大规模部署：无线传感器网络一般由几十到几百个无线传感器网络节点组成、采用无线通信、动态组网的方式形成多跳的移动对等网。无线传感器网络能使网络节点分布在很大的地理区域内，能够在一定范围内部署大密度的节点。无线传感器网络的在规模布置的优点有：采集信息有较大的信噪比;监测的精确度提高;系统的容错性提高;空洞或盲区的面积减少。
　　2、网络应用相关：无线传感器网络与传统网络是不同的，主要表现在基于无线传感器网络节点电池管理的无线传感器网络分簇路由算法研究网络协议、硬件平台和软件系统的不同。
　　3、电源能量有限：由于无线传感器节点体积微小，因而节点电源容量非常有限。研究线传感器网络的节能优化技术，提高无线传感器网络的单位节点的工作时间，节省传感器节点的能耗和采用合理的网络协议达到均衡消耗网络能量目的，对于延长无线传感器网络的生命周期显得尤其重要。这是无线传感器网络应用面临的最重要的挑战。
2无线传感器网络节点结构及能耗分析
　　一般来说，无线传感器网络是由成百上千个具有感知和通信功能的传感器节点组成的。这些体积微小、价格低廉的传感器节点主要有四个基本组成部分，包括处理器模块、传感器模块、无线通信模块和能量供应模块。
　　传感器模块通常是由两个子系统组成：传感器和模/数转换器。传感器节点通过观察和感知周围环境信息生成模拟信号，再通过A/D转换成为数字信号；微处理器和存储器两个子系统组成了处理器模块，微处理器是用来对本地信息进行处理，存储器是用来管理传感器节点接收来自其它任务节点的数据；无线通信模块通过交换信息，负责与邻近节点进行通信；能量模块是传感器节点一个非常重要的组成部分，用以为其他的传感器节点的组成部分提供能量。另外，根据网络应用需要，不同的传感器节点还可能包括定位系统、移动管理系统、能源再生系统等一些其他组成部件。一般传感器节点的无线收发装置存在发送、接收、空闲、睡眠四种工作状态。其中。通信能耗是传感器节点消耗能量最多的部分，数据处理能耗次之。有实验数据显示，节点发送1bit的信息数据所消耗电能足以处理器执行3000条计算机指令。而发送/接收能耗又占据通信能耗的主要部分，所以降低节点的发送和接收能耗是无线传感器网络节能优化技术的重要内容。空闲状态也具有较高功耗，几乎与接收状态相同，但可以采用节点空闲/睡眠调度机制使得在无线收发装置处于空闲状态时，尽可能将关闭该网络节点，转换为睡眠状态。
3无线传感器网络的主要性能评价指标
　　设计一个无线传感器网络的路由协议的目标是，能够建立能量有效性路径，提高路由的容错能力，形成可靠数据转发机制，延长网络生命周期。而评价一个无线传感器网络路由设计性能的好坏，一般包含网络生命期、传输延迟、路径容错性、可扩展性，鲁棒性，安全性等性能指标。其中，本文主要研究的是无线传感器网络的节点优化技术，主要关心的是网络生命周期指标。
　　网络生命周期是无线传感器网络有效生存时间和网络实用价值的体现，这一评价指标相当程度上反映了网络能耗问题。可以采用第一节点死亡时间，即无线网络从开始正常运行到第一个节点由于能量耗尽而消亡所经历的时间，或网络分裂时间。此外，优化路由协议，提高数据交付率，降低数据延时性等指标，都可以减少数据交付时的能量消耗，所以也可以提高这些性能指标，从而达到节能优化的目的，延长无线传感网络节点的生命周期。
4无线传感器网络的节能优化技术研究
4.1能量空洞问题
　　无线传感器网络的建立和无线网络节点之间的通信不依赖于固定的通信基础设施，通常情况下无线网络节点处于未知的恶劣的环境中，通过分布式的网络协议自行组网，同时也根据节点的增加、减少或移动，以及节点剩余能量和发射信号范围的变化等因素，自动地调整网络拓扑结构。这些环节正常运转都需要能量，通常只能依靠电池来提供有限的能量，能源无法替代也无法进行二次补充。
　　一般将传感器节点由于能量耗尽等原因引起的节点不能正常工作的情况定义为节点死亡。无线传感器网络中的节点很可能会由于外界恶劣条件的影响或因自身的脆弱性或是能量不足而导致节点死亡。通常传感器节点将数据以多跳方式传输给离它最近的节点，一般来说，负载较大的节点越容易早早死亡;在死亡节点附近的其它节点由于需要中继己经死亡节点应该承担的数据转发任务，从而进一步加快这一区域节点的死亡速度，最终形成了一块没有传感器节点覆盖的区域，形成监测空白，产生了能量空洞。
　　能量空洞的实质主要在于网络中某局部区域的能量消耗水平高于平均能量消耗水平。因此，研究无线网络能量空洞问题，不仅要尽可能的降低无线传感器节点自身的能量消耗，更要注重保持整个网络内节点间能量消耗的均衡，实现对网络寿命的优化。
4.2基于参数设置的能量空洞避免策略
　　通过对无线传感器网络的基础参数的设置，能够有效的避免能量空洞问题的发生。
　　1．设置无线基站的数目和分布：无线传感器网络中基站的作用是发布管理节点任务和处理从各个节点汇聚而来的监测数据，因此，基站一般需要拥有更强的数据处理和通讯能力以及更持久的能量，基站部署的位置和数量直接关系到无线传感器网络的应用和寿命。
　　2．设置基于数据融合的策略：大量的单向数据涌向基站是造成无线传感器网络能量空洞问题的重要原因。在无线网络内部采用数据融合机制可以减少单向数据流量，减轻热点节点的负载。
　　3．设 置基于部署知识的非均匀分布策略：考虑能量空洞和网络生命期问题，可以在部署知识的基础上采取非均匀分布策略。比如根据距离基站由远到近设置节点不同初始能量的非均匀分布策略，也可以根据距离基站由远到近设置不同密度的传感器节点分布策略，在距离基站较近范围内的节点密度大于距离基站较远范围内的节点密度，这些增加的节点可以仅仅作为中继节点向基站转发数据。
4.3基于路由转移优化的能量空洞避免策略
　　多路径路由策略提高网络可靠性的同时，特别适合能量受限网络节点间的能量负载均衡。源节点同时维护去往目的节点的多条路径，通过周期性的在多条路径间转发数据，只有当所有路径都失效的情况发生时，才需发起路由重建。多路径路由技术是通过使用高内存复杂度来换取网络生命期和低通信复杂度，该技术降低了路由请求频率和数据等待延时，对于能量空洞这一影响网络生命期的难题，在很大程度上得以延缓。
　　针对使用广泛无线传感器网络的集中式数据收集，多跳传输模型和“多对一”通信方式的特征以及随之而来的网络能量空洞问题，能在全网范围内均衡能量的多路径路由算法适用于解决该问题。该算法主要具有以下几个特点：1.算法基于分层网络模型建立，节点维护到达基站节点的最短路径，可以保证数据包具有较低的时延；2.算法依据路径关键能量构建能量平衡网络，能在节点间平衡能量，可以减缓能量空洞问题；3.算法基于局部拓扑信息，提供了局部修复机制，具有一定的容错性和鲁棒性；4.算法具有可扩展性，也可以考虑将其他性能参数作为随机权重均衡的权值。
5 结论
　　无线传感器网络作为一种新型的具有广泛应用前景的无线自适应网络，如何通过降低无线传感器网络节点的能耗来延长传感器网络的生命期，考虑基于参数设置的能量空洞避免策略，研究和设计具有负载均衡和能量感知的路由协议，来提高无线传感器网络的生命周期。
参考文献：
[1]于海斌,曾鹏等,智能无线传感器网络系统,北京,科学出版社,2006.1:5-6.
[2]任丰原,黄海宁,林闯,无线传感器网络,软件学报,2003,14（7）:1282-1291.
[3]李晓维,徐勇军,任丰原,无线传感器网络技术,北京,北京理工大学出版社,2007.8:3-5.
[4]孙利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社，2005:3-22. 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/jsjwl/238529.html