王 莘

(西安航空學(xué)院電氣學(xué)院，陜西西安，710077)

0 引言

無線傳感器網(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。

能量問題長期以來一直制約著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，是通過選用合適的路由選擇算法使各個節(jié)點(diǎn)得到均衡利用，不至于因某個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的使用率過高而使電池能量耗盡，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無法正常運(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)動態(tài)電源管理技術(shù):所謂“動態(tài)電源管理”是指在保證正常通信、功能的條件下動態(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)的核心問題是保證在狀態(tài)切換的功耗小，時間開銷短。

2)動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù):動態(tài)電壓調(diào)整(DVS)技術(shù)是指充分利用系統(tǒng)工作時工作負(fù)載的變化性，在保證系統(tǒng)正常工作的前提下動態(tài)改變設(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)處理器的這個特性，來對處理器的工作電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，動態(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)行需求的同時降低了系統(tǒng)的能耗。

3)動態(tài)調(diào)制調(diào)整技術(shù):動態(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減低節(jié)點(diǎn)能耗的一種技術(shù)。在通信過程中，系統(tǒng)傳輸傳輸單位數(shù)據(jù)所需的能量會隨著波特率的下降而下降，由此也會引起通信中的信息傳輸速率下降。

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

通過前文的介紹，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)行會更有效的降低節(jié)點(diǎn)能耗，然而受到空閑時間等因素的約束，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題，本文提出了一種基于負(fù)荷預(yù)測的節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)，記為LPSPT。該技術(shù)通過收集節(jié)點(diǎn)的工作信息，并對其進(jìn)行有效的分析，來實(shí)現(xiàn)對收發(fā)設(shè)備及處理單元的負(fù)荷預(yù)測，實(shí)現(xiàn)使用DPM、DVS、DMS的共存。

2.1 LPT的實(shí)現(xiàn)

本文是通過三個步驟來實(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。

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

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

LPSPT技術(shù)會對當(dāng)前時隙正在運(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。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)行時間TD和通信時間TC的。下面對相關(guān)的計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)的描述:

1)預(yù)測計(jì)算當(dāng)前時隙進(jìn)行的線程集，就是判斷在一個時隙周期內(nèi)是否有新添加的線程周期，以此來完成對相關(guān)單元的負(fù)載預(yù)測。

2)線程執(zhí)行總時間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。通過算式可看出當(dāng)fi=fmax時，該線程的時間就是ETi,故系統(tǒng)對線程的頻率依賴性較強(qiáng)。

3)總的通信時間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，該系統(tǒng)對通信的波特率依賴性較強(qiáng)。

（3）執(zhí)行操作:主要有兩個功能: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，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)算過程如下所示:

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

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

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

4)節(jié)點(diǎn)在該時隙的能量消耗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；對比Et的大小，確定Et最小的最優(yōu)組合。

2.2 性能仿真

通過模擬仿真對LPPST、DMS、DVS對比三種技術(shù)的節(jié)點(diǎn)能耗情況。通過三種能耗的對比，對LPPST的性能作出客觀正確的評價(jià)。

設(shè)定LPPST的應(yīng)用環(huán)境。我們設(shè)定LPPST在定點(diǎn)觀測系統(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)備的能耗比例來反映系統(tǒng)的能耗特性。能耗比例通過Ep/Ec來表示。

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，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，可看出DVS比LPPST更有效地降低能耗，也就是說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)開銷較大的問題，但對于大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，即使考慮到系統(tǒng)開銷過大這一問題。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

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，提出了一種基于負(fù)荷預(yù)測的節(jié)點(diǎn)節(jié)能技術(shù)。該技術(shù)通過對DPM、DMS和DMS三種技術(shù)的協(xié)作使用，通過收集節(jié)點(diǎn)的工作信息，并對其進(jìn)行有效的分析，來實(shí)現(xiàn)對接點(diǎn)無線電發(fā)送設(shè)備、無線電接收設(shè)備及處理器、處理單元的負(fù)荷預(yù)測，來改變系統(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)對比單一技術(shù)可有效的降低傳無線感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。

[1]戴由旺,李增有,韋俞鋒.基于ZigBee的低功耗無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（18）：121-123，126.

[2]姚蘭,曾鋒.基于最大覆蓋集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略研究[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2013（4）：47-52.

[3]王雪飛.自組織傳感器網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)節(jié)能與網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006（6）：204-206.

[4]謝麗,楊勇.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能分析[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息.2013（3）：65-68.

[5]邱春榮.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)研究[J].長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2012(3):124-126.