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无线传感网络课程考核论文
研究生课程考核试卷
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重庆大学研究生院制
重庆大学研究生课程考核试卷(论文)
无线传感网络的节能策略分析
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重庆大学研究生学院
二O一四年十一月
摘要
作为物联网的支撑技术之一,无线传感网络负责感知信息和网络末端传输,整个网络由很多无线传感器构成,这些传感器能量以及通信能力是有限的,并且通过相互的合作将感知数据发送给信息的需求者。
无线传感网络应用广泛,其能量损耗是限制大规模应用的因素之一。
本文分析总结近年来多篇文献在传感、处理和通信3个功能模块上的节能策略研究,并对各种MAC协议和路由协议进行优缺点的综合比较,希望对节能选择具有一定的指导意义,并对无线传感网络节能发展趋势进行简要展望。
关键词:
无线传感网络能量损耗低功耗节能策略
Abstract
Wirelesssensornetwork(WSN)isakeysupportingtechnologyoftheInternetofThings,andit'sresponsibleforsensinginformationandend-networktransmission.WSNconsistsofnumerouswirelesssensors,theenergyandcommunicationabilityofwhicharelimited,andtheysendthesensingdatatotheinformationdemandersthroughmutualcooperation.Wirelesssensornetworkshasbecomearesearchfieldwithgreatapplicationprospect.Theenergylossisoneoftheimportantfactorsthatlimitsitslarge-scaleapplicationondailylife.Thispaperanalyzessomerecentenergy-savingstrategyresearchonthreemodulesofsensing,processingandcommunicationdonebyspecialistsandcomparestheadvantagesanddisadvantagesofMACprotocolsandroutingprotocols,whichisinstructivetotheselectionofappropriateprotocols,atlast,thepaperbrieflylooksintothedevelopingtrendonenergy-savingStrategyonwirelesssensornetworks.
Keywords:
WirelesssensornetworksEnergylossLow-powerdesign
Energy-savingstrategy
目录
摘要I
AbstractII
1引言1
2无线传感网络概述2
2.1无线传感网络的体系架构2
2.1.1无线传感网络的结构2
2.1.2传感器节点的结构2
2.1.3无线传感网络通信协议的体系架构4
2.2无线传感网络的特点5
2.3无线传感网络的应用领域6
2.4无线传感网络的支撑技术7
2.5无线传感网络的性能指标8
3无线传感网络节能意义与能耗特点9
4无线传感网络节能策略11
4.1无线传感网络硬件功能模块的节能策略11
4.1.1传感器模块的节能策略11
4.1.2处理器模块的节能策略12
4.1.3无线通信模块的节能策略12
4.2无线传感网络协议的节能策略13
4.2.1MAC协议的节能策略13
4.2.2路由协议的节能策略15
5无线传感网络节能策略展望17
参考文献18
1引言
无线传感网络(WSN,WirelessSensorNetworks)是一种跨学科的技术,它涵盖了很多领域,例如传感技术、无线通信技术、嵌入式计算技术以及微电子技术等。
在我们的生活中使用的WSN由无线传感器节点组成,是专用网络,这些传感器节点的特点是价格比较低,功耗比较低,体积比较小。
在没有基础设施和人力支持的条件下,通过自组织的无线通信,它们可以把在监测区域中感知到的信息加工整合然后发送给监测者,完成相应任务。
因此WSN在很多方面得到广泛运用,例如生态环境保护,军事安全,目标追踪,抢险救灾和医疗、工业等,有着很大的发展空间及广阔的应用前景,在全世界受到了重视。
伴随着计算机、传感器及通信技术的高速发展,无线传感网络(WirelessSensorNetworks,WSN)逐步成为备受关注的一个研究领域[1,2]。
WSN利用传感器节点之间相互协作,实现区域的实时监测,具有准确性高、动态性强、造价低廉、覆盖区域大等特点,在国防军事、医疗监护、环境监测、交通管理等诸多领域有很好的应用前景。
WSN节点均通过电池供电,且电池不可替换。
若节点因能量损失过多而导致其不能正常工作,就可能引起整个网络的通信中止,因此WSN的低功耗技术成为其设计过程中的关键技术。
本文研究分析WSN的硬件功能模块,路由协议等诸多方面的节能策略,并对其未来的发展趋势进行展望。
2无线传感网络概述
2.1无线传感网络的体系架构
通过利用部署于网络监测区域中的传感器节点,并通过无线多跳这一通信方式,WSN把实时感知到的数据发送给Sink节点,然后由Sink节点经过通信链路把数据发送给用户。
同时,用户能够对WSN进行管理、设置,也可以发送采集数据的命令等。
WSN体系架构包括:
传感器节点结构,系统架构,网络协议体系结构。
2.1.1无线传感网络的结构
在网络监测区域中采集处理数据后,WSN节点将这些数据转发至远端Sink节点,并且通过管理中心和网络,把数据发给用户,如图2-1所示。
图2-1无线传感网络的结构
2.1.2传感器节点的结构
传感器节点的基本的物理结构可分类为感知、数据处理、能量供应和无线通信等模块,如图2-2所示。
基于此结构特点,传感器节点能够感知物理世界的信息,并能对采集的数据进行储存、计算和无线通信。
图2-2无线传感网络的节点结构
由图2-2可知,感知模块主要由传感器和模数转换器两部分组成,其中传感器被用来采集信息。
作为传感器节点控制和计算中心,处理模块包括处理器及存储器两部分,负责协调和控制网络中的各个传感器节点之间的协调,主要负责感知和电源模块,并将收集信息进行存储。
通信模块可以存在发送状态、接收状态、空闲状态和休眠状态,其中发送状态所能耗的能量最多,其次是接收及空闲状态,消耗能量最少的为休眠状态,能量模块主要提供传感器工作稳定所需的能量。
当今工艺化程度的进步,使得感知模块及处理模块满足节能特性,主要的能量能耗集中在了通信模块(如图2-3)。
图2-3传感器节点能耗
2.1.3无线传感网络通信协议的体系架构
WSN网络协议对物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层都进行了详尽的规定,其示意图如图2-4所示[1]:
1.物理层:
主要承担数据采集和信号的发送、转换及接收。
主要研究介质的选择、无线收发装置的设计以及信号调制等。
2.数据链路层:
主要承担的三部分工作为:
数据的封包、媒介接入和校验控制。
3.网络层:
负责数据的路由传输,主要对路由协议进行研究。
4.传输层:
负责WSN及外部网络数据的传输。
5.应用层:
负责提供WSN的应用接口。
图2-4无线传感网络通信协议的体系架构
2.2无线传感网络的特点
1.资源受限
仅仅依靠传感器节点无法完成复杂的任务,这是由于它的体积较小,通信能力较差,功耗较低,计算能力较差。
此外,环境及气候对它的通信方式也会造成影响。
由于WSN分布区域较大,密度较大,所处环境比较复杂,所以不能给节点补充能量。
这样一来,如何高效地利用能源并完成数据采集和通信任务是WSN的重要研究课题。
2.规模庞大
WSN的分布区域较广,为了获取的精确的数据,必须稠密地部署传感器节点。
这增强了WSN容错性和健壮性,大幅提高了精度。
我们关心网络的可靠性及有效服务时长,不太注意单个传感器节点所起的作用。
3.自组织性
WSN经常需要部署在人类无法到达的地方,没有基础设施,不能设定传感器节点地理位置及节点之间的关系。
由于环境问题,它经常出现故障,致使WSN的拓扑结构发生变化。
此外,一些网络协议需要WSN在休眠状态和工作状态之间切换,导致网络拓扑的变化。
上述问题要求WSN具有自组织性,从而使它可以适应这些变化。
4.多跳路由
由于发射功率受限,为确保节点能够到达监测区域的所有范围,不得不使用中继节点作为传输媒介。
一般情况下,使用传感器节点之间的共同协作实现多跳通信。
5.应用相关性
对于WSN,不同应用领域具有不同工作模式,随之需要设计不同的网络,所以WSN的通信协议的设计要比传统网络多。
6.动态性
由于传感器节点死亡或者休眠,WSN拓扑结构随之发生变化。
传感器节点本身有一定的移动性。
此外,当初始网络有新传感器节点加入时,其拓扑也将产生细微的变化。
因此WSN要求同时具有良好的重构性和扩展性。
7.以数据为中心
由于WSN具有面向数据的特性,该协议根据事件构建转发路径。
在传输过程中,传统网络不对数据分析处理,但WSN要求能量高效利用,故为了尽可能节约能耗和网络通信量,必须进行数据融合与压缩。
8.安全性差.
考虑到基于无线的方式进行通信,WSN容易受到网络攻击。
2.3无线传感网络的应用领域
WSN如今得到广泛应用,表现在以下几方面:
1.军事应用
传感器节点非常小,很容易部署在敌人区域收集信息。
由于WSN通常采取高密度的方式进行部署,不可能因为某个节点的失效而导致整个网络陷入瘫痪,所以它能适应恶劣战地环境。
可以把WSN部署在敌方区域,以便监控敌人的动向,评价损失,指挥进攻等。
2.物流管理
WSN通过与射频识5]IJ(RFID)及电子标签技术等相结合,通过整合物流行业得到了非常可观的经济利益。
3.生态环境保护
考虑到WSN适合于生态环境的检测,例如监控昆虫迁移,环境变化,海洋和降雨量等,可以为野外的研究提供便利。
4.空间探索
传感器网络在太空中能够监测宇宙环境以及天体表面。
5.医疗健康
WSN能够监测病人的生理指标,例如血压和心率等,如此医生可随时获知病人各项指标,对治疗作出及时调整。
此外,通过用WSN收集病人信息,可以研制新药,促进医疗事业的进步。
6.智能家居
作为物联网的重要组成技术,WSN网络协议最典型应用为智能家居。
通过对家电进行无线自组,然后经无线通信和互联网相连,再通过使用WSN的任务管理软件,就能远程控制家用电器,给人们的生活带来方便。
此外,WSN在城市交通和比赛判罚领域中也有应用。
2.4无线传感网络的支撑技术
为了获得更好地发展和应用市场前景,WSN网络协议要求更多技术作为支撑。
1.网络协议
在WSN中,网络协议是在独立的传感器节点之间传输数据。
传感器节点的能量是由电池提供的,且存储、通信和计算能力是有限的,为提高效率,传感器节点运行和计算方法应尽量简单,并更多获取局域网络的信息。
并且应逐步改善网络协议设计方法,以便适应网络的动态变化。
2.时间同步
WSN具有时间依赖的特点,更需传感器节点和各地时间的同步。
考虑到WSN具有局限性,其基于传统网络时间同步,精度随之恶化,因此节能和硬件的所提出的要求都是应该注意的地方。
3.定位技术
在WSN中,传感器节点负责采集并传输各个区域中检测到的数据,因此地理位置感知也是重要的技术。
对传感器节点的定位很必要,而WSN拓扑结构又多变,如何以尽量低的能耗和硬件成本获得准确的定位信息是一个重要的研究课题。
4.网络安全
WSN在执行数据采集和传输任务时,应确保数据的安全保密,避免泄露及修改,并安全准确地把数据传输给用户。
在WSN的通信协议及软件设计中,网络安全是十分重要的,其难点在于如何做到简便、有效和安全。
5.网络拓扑控制
传感器节点所处环境和通信距离的变化都会导致网络的拓扑结构改变,这反映了WSN的自组织性。
优良的拓扑结构能够提高MAC层以及网络层路由方法的效率,为WSN其他功能提供支持,并延长网络寿命。
在确保WSN基本功能的前提下,如何去掉多余的通信路径,是构建优良的拓扑结构所要解决的重要问题。
6.数据融合
有效数据融合能够降低网络的能耗,减少无用数据传输,并增加传感器节点的生存时间。
数据融合包括数据压缩和数据备份功能,可提高数据准确性。
在现阶段,数据融合是多协议层跨层数据融合,并且和应用需求有关。
另外,无线通信和数据挖掘技术等也支持WSN应用。
在不远的将来,更多技术将融入其中,加速WSN的发展。
2.5无线传感网络的性能指标
1.能效
WSN网络协议需要保持节点间能量平衡,减少能耗是非常重要的。
提高能量效率的方法主要有拓扑结构控制、数据融合以及通信模块关闭等。
2.生存时间
WSN主要弱点是能量资源受限,这影响了它的服务效能和生存时间等。
为延长网络寿命,可以使用高效路由方法和协议控制等。
3.时延
WSN时延对事件驱动型网络的影响非常大,特别是在某些应用场景中,应第一时刻感知到环境和监测目标的变化。
在医疗、救灾和目标追踪等场景中要重点考虑时延问题。
4.可扩展性
根据监测对象的生存时间长短和空间大小等,WSN可进行调整。
为更好地适应未来的网络的要求,应充分利用这个特点。
5.容错性
外界电磁干扰极易影响传感器节点通信功能,此外,能量耗尽会造成传感器节点的死亡,这都会破坏数据的传输,使数据不完整。
为了确保网络服务可正常运行,WSN具有自动重构的功能很必要。
6.安全性
当前网络安全的问题日渐突出,因此提高WSN保密性,确保数据采集和传输过程中的准确性与安全性非常重要。
特别是在军事方面,如果网络被破坏,将导致网络崩溃,造成巨大损失。
3无线传感网络节能意义与能耗特点
无线传感器网络在民用和军用方面具有极高的价值,可以在大范围内用于收集、处理和发布复杂的环境数据,但在使用过程中存在着一些现实约束。
无线传感器网络实际应用中传感器节点需要量大,要求单价便宜,所以一般体积微小,通常携带能量十分有限的电池,而且一般这些节点组成的无线传感器网络往往被部署在偏远地区或环境恶劣的区域,有些区域甚至人员不能到达,对于有成千上万节点的无线传感器网络来说,对电池的更换是非常困难的甚至是不可能的。
但是无线传感器网络的生存时间却要求长达数月甚至数年,为了保证无线传感器网络的长运行时间(延长网络的生命周期),因此,如何在不影响功能的前提下,尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题,也是当前国内外研究机构关注的焦点。
在体系结构中已经介绍了一个典型的无线传感器节点主要由四部分组成:
传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块。
传感器模块通过感应器感知各类相关信息,如温度、湿度、光线强度、烟雾浓度等,然后交由处理器模块进行信息的融合和处理;最后通过无线通信模块对数据信息进行转发。
传感器节点的无线通信模块不仅负责接收和发送数据包,还负责侦听通信信道,或关闭无线电转入休眠状态。
除产生能量的电源外,传感器模块、处理器模块和无线通信模块都是能源消耗点。
下面分别对这三个模块说明一下其对能耗的影响:
1)传感器模块:
其能耗主要来源于变换器、前端处理与信号调节、模数转换器。
传感器的种类很多,测量不同的物理量时传感器所需的能耗不同;感应的时间长短不同,传感器所需的能耗也不同;环境的复杂性也决定了感应所需能量的多少,比如在充满噪音的场景下,探测的准确性受到影响,探测所得到的数据其不可靠因素增加,为了获得精确的数据,探测所需的能耗和重复探测的次数加大,因此总体耗能就大。
根据能耗量,传感器可大致分为三类:
①低能耗类的,如温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、加速度传感器等;②中等能耗类的,如声音传感器、磁传感器等;③高能耗类的,如图像传感器和视频传感器等多媒体相关的。
但从总体上来说,感应所消耗的能量要远小于通信所消耗的能量。
2)处理器模块:
随着集成电路发展,在传感器节点中,数据处理的能量消耗远小于通信所需要的能量消耗。
假设无线电服从四次方路径衰耗的瑞利衰落,在100米距离上传输1KB的数据所消耗的能量大概与在l00MIPS/W处理器上执行3百万条指令所消耗的能量相当。
3)无线通信模块:
它是传感器节点最大的能量消耗最大的模块,据试验,传感器节点里能量70%左右消耗在通信模块上。
国外提出了一个无线电功率消耗的公式:
其中Nlx/rx分别是发射器和接收器每秒开启的平均次数,Plx/rx分别是发射器和接收器的功耗,Pout是发射器的输出功率,Ton-lx/rx分别是数据传输或接收的实际时间,Tst是发射器的启动时间。
Nlx/rx主要依赖于具体的应用场景和采用的MAC协议。
一般的低功率无线电收发器的Plx/tx值均在20分贝毫瓦左右,而Pout的值接近0分贝毫瓦。
4无线传感网络节能策略
无线传感网络可以从硬件功能模块,路由协议等诸多方面进行节能策略。
4.1无线传感网络硬件功能模块的节能策略
无线传感网络体系结构由监测区域、传感器节点、汇集(Sink)节点、互联网(Internet)/卫星网络以及数据控制中心(基站)组成,即形成一个基站和多个传感器节点并存的结构。
目前比较流行的是二层架构模型,即传感器节点被分成多个组,这样可以很好地延长整个网络的生存周期[3]。
由于单Sink节点制约系统的可靠性和可扩展性,实际应用中经常采用多Sink节点。
通过较好的数据分配算法,动态调节相邻Sink节点的数据,也可以达到降低网络能耗的目的。
WSN的节点能量消耗主要是来自于传感器、处理器和通信模块。
其中最主要的能量消耗源于无线通信模块。
传感器节点在传输信息中消耗的能量远大于其在传感和处理信息过程中的能耗。
WSN在100m距离通过无线传输1个bit的能量可以执行3000多条指令[4]。
无线通信模块包括发送、接收、空闲和睡眠4种模式。
4.1.1传感器模块的节能策略
传感器能量消耗来自于传感处理和A/D转换,因此降低感知能量消耗成为传感器模块主要节能措施。
采用方法包括:
通过硬件技术更新,降低传感器硬件功耗;在自跟踪过程中,采用优化的自适应测量[5];在保证服务质量条件下,降低单个节点采样频率和采集精确度[6];根据不同环境选择能耗小的传感器也会降低数据采集模块能耗。
4.1.2处理器模块的节能策略
处理器模块的能量消耗主要来自于微处理器和存储器,核心节能技术包括能量管理技术和算法节能技术。
在能量管理技术中,动态电源管理(DynamicPowerManagement,DPM)是一种运用广泛的节能技术[7],其主要思想是使大部分处于空闲状态的模块组件关闭,尽可能使更多模块运行在节能状态下。
TrevorPering等[8]提出的DVS动态电压调节(DynamicVoltageScalingDVS)技术是通过动态调节处理器电压来满足此刻最低功耗,这样处理器将会一直处于低功耗状态。
另外,DPM和DVS结合使用,使处理器在空闲状态下自动关闭,在低耗状态下降低电压,可以更大程度地减少能量消耗。
在节能算法研究中,A.Sinha等[9]提出将传统数字信号处理(DigitalSignalProcess,DSP)算法首先按结果影响程度排序,然后根据其影响程度的大小来依次执行程序的理念。
根据WSN的分布式特点,C.F.Chiasserini等[10]又提出分布式DSP的理念,即先由不同子节点运行子算法,最后汇总到Sink节点处理得到最终结果。
4.1.3无线通信模块的节能策略
通信能耗在无线网络传输中占很大比重,因此研究通信模块节能技术成为无线网络研究的重中之重。
无线通信模块4种模式中发送和接收状态能耗大;空闲状态下节点要一直监听信道,能耗也偏大;只有在睡眠状态下,节点关闭通讯模块,能耗接近零。
因此,优化空闲节点的睡眠状态能够有效控制关闭无线通信模块的空闲侦听,节省网络能耗。
在保证通讯完整前提下,采取手段降低数据通讯量,如数据融合技术,减少控制包数量和开头长度,降低数据包的重复传递次数,网络编码技术与多径路由相结合[11]等。
降低对非目的数据包的旁听,用低功耗天线管理技术,避免多个节点给同一节点发送数据包的冲突等也是需要考虑的节能策略。
WSN硬件功能模块的节能策略的汇总如图4-1所示。
图4-1功能模块的节能策略
4.2无线传感网络协议的节能策略
无线传感网络的协议体系由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
4.2.1MAC协议的节能策略
MAC协议控制着射频模块,直接影响WSN的功耗性能,因此一个具有可扩展和自适应性的MAC协议可以保障较长周期的网络寿命。
按照节点通信方式可以分为基于预约和基于竞争的协议方式。
1)基于预约协议的节能策略
基于预约协议的节点通信预先规定好,以避免冲突,减少不必要的监听来节能。
智能MAC(WiseMAC)协议[12]是建立在码分多址联接方式(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)基础上所建立的一种基于预约的协议。
它对相邻节点进行提前预约通信时间,因此可以根据网络流量的变化而调整能量的消耗,具有很好的节能特性。
轻量级MAC(Lightweight-MAC,LMAC)协议[13]是基于时分多址联接方式(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)的轻量级别协议,每个节点可以根据周围信息选择合适的时槽,节点在分配给自己的时槽中进行通信,其余时间进行睡眠,因此不依赖中心控制单元,从而更好地避免与相邻节点之间发生冲突。
2)基于竞争协议的节能策略
基于竞争的MAC协议是指相邻节点通过竞争的方式来使用通信通道发送数据,在流量较低的时候具有更好的节能作用。
对于此类协议,若想降低网络能耗,最需要解决的问题是由于竞争冲突和空闲侦听所带来的能量损耗。
由于WSN具有多对一传输模式特点,因此导致节点最终会聚集形成数据聚合树。
动态MAC(DynamicMAC,D-MAC)协议
[14]就是基于聚合树拓扑结构而设计的。
此协议根据节点在聚合树中的级别分配时隙,使数据沿着多跳路径传播,从而降低能耗获取低时延。
感应MAC(SensorMAC,S-MAC)协议[15]是为减少节点处于侦听状态而设计的。
通过周期性睡眠,S-MAC协议可有效地减少节点能量消耗和通信冲突。
但由于该协议的侦听占空比不可调,而导致网络无法适应动态变化的通信负载,带来较高的时延。
而P.Lin等设计的
动态感应MAC(DynamicSensorMAC,
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