胡志豪 成都二十中學(xué)

無(wú)線體域網(wǎng)的節(jié)能策略探究

胡志豪 成都二十中學(xué)

無(wú)線體域網(wǎng)即體域傳感網(wǎng)，可以通過(guò)人體周?chē)膫鞲衅鱽?lái)感知人體各類(lèi)參數(shù)的變化情況，再通過(guò)無(wú)線發(fā)送至基站，目前已經(jīng)在智能家居、醫(yī)療保健、軍事、娛樂(lè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文主要從節(jié)能角度來(lái)探討無(wú)線體域網(wǎng)的應(yīng)用與節(jié)能方式。

無(wú)線體域網(wǎng) 節(jié)能策略 分析

無(wú)線體域網(wǎng)是由人體相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)元素等組成的以人體為中心的網(wǎng)絡(luò)，它能通過(guò)體內(nèi)或身體周?chē)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)對(duì)人體的一些重要參數(shù)比如血壓、體溫、心跳等或人體周?chē)膮?shù)如濕度、光照進(jìn)行感知，并通過(guò)無(wú)線的方式發(fā)送到身體周?chē)幕?，最終上傳到服務(wù)器進(jìn)行分析處理，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到軍事、娛樂(lè)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。

無(wú)線體域網(wǎng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，它便攜可移動(dòng)，受到很多領(lǐng)域的關(guān)注，然而日益凸顯的節(jié)點(diǎn)充電難、替換難的能耗問(wèn)題，使得無(wú)線體域網(wǎng)的節(jié)能研究成為近幾年的熱點(diǎn)，下面通過(guò)以無(wú)線體域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)為研究基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)的研究，分別從物理層、MAC（媒體接入控制層）層和網(wǎng)絡(luò)層等方面分析無(wú)線體域網(wǎng)的節(jié)能策略。

1 物理層節(jié)能

WBAN（無(wú)線體域網(wǎng)）感知部分的核心是傳感器，若想要將傳感器應(yīng)用于WBAN，那么傳感器必須具備微型化、低耗能、智能化、高精度以及對(duì)人體無(wú)害的優(yōu)點(diǎn)。早期對(duì)于傳感器的節(jié)能研究主要側(cè)重在傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)功率的管理和調(diào)度， Sinha 提出的動(dòng)態(tài)功率管理策略將節(jié)點(diǎn)分成五個(gè)工作狀態(tài)，這樣既能滿(mǎn)足功能的需求，又能降低能耗；然后是IM提出的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)機(jī)制，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓來(lái)減小系統(tǒng)功能損耗，但通過(guò)調(diào)低電壓來(lái)節(jié)能并不是長(zhǎng)久的策略，因?yàn)榈碗妷簳?huì)導(dǎo)致電路的運(yùn)行速度減慢，使信息不能及時(shí)發(fā)送。

隨著近幾年MEMS和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)能的研究開(kāi)始偏向于低功耗的硬件的設(shè)計(jì)。Gu 等人就提出并設(shè)計(jì)了一種基于ISM頻段的轉(zhuǎn)發(fā)器，這款轉(zhuǎn)發(fā)器功耗低，電壓低，集成度高，性能也比較高。

目前我們所能做到的就是在傳感器節(jié)點(diǎn)在既定能量的基礎(chǔ)上進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，卻沒(méi)有考慮通過(guò)增加電池的壽命或讓電池從周?chē)沫h(huán)境中獲取能量來(lái)解決能耗問(wèn)題。增加電池的壽命就需要增大電池的容量，由于WBAN以人體為中心的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的尺寸要盡可能的小，這就直接決定了電池的體積不能太大，所以使電池從周?chē)@取能量將成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。

2 MAC層節(jié)能

體域網(wǎng)中還有一個(gè)主要能耗源就是源于頻射模塊的發(fā)送與接收，MAC協(xié)議就是直接控制射頻模塊，因此目前對(duì)于W BAN的節(jié)能研究還偏向于高效的MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)。一個(gè)好的MAC協(xié)議不僅要滿(mǎn)足用用的需求，還要盡可能使能量高效。

研究表明，MAC層造成能量浪費(fèi)的因素主要有消息碰撞、負(fù)載波動(dòng)、竊聽(tīng)、空閑偵聽(tīng)以及發(fā)送失敗等。目前主要是通過(guò)減少數(shù)據(jù)流量、沖突避免的方式來(lái)降低能耗的， BSNMAC、 CAMAC 、 BATMAC 等協(xié)議就是減少數(shù)據(jù)流量方面的， DQBANMAC 、DCAA-MAC 、 PG-MAC 等協(xié)議主要是應(yīng)對(duì)沖突的，避免沖突。 DQBAN-MAC協(xié)議避免沖突的方式就是采用無(wú)沖突隊(duì)列，通過(guò)跨層模糊規(guī)則調(diào)度算法和能量感知策略來(lái)為節(jié)點(diǎn)分配沒(méi)有沖突的時(shí)間間隙。

WBAN這一新興技術(shù)對(duì)應(yīng)用高度相關(guān)，因此目前所研究出的節(jié)能MAC協(xié)議也是針對(duì)不同場(chǎng)景和需求的，沒(méi)有一種M AC協(xié)議是適用于所有場(chǎng)合的，這也將是未來(lái)的一種發(fā)展趨勢(shì)。

3 網(wǎng)絡(luò)層節(jié)能

WBAN在網(wǎng)絡(luò)層的節(jié)能策略主要是單跳路由、多跳路由和協(xié)作路由三類(lèi)。

單調(diào)路由協(xié)議屬于直接傳輸，對(duì)距離sink節(jié)點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)能降低能耗，但對(duì)于距離遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)反而會(huì)增加能耗。為此，又研究出了多跳路由協(xié)議，多跳路由協(xié)議分為基于樹(shù)的路由與基于簇的路由兩種，基于樹(shù)的路由協(xié)議是分散的，有效的避免了沖突，提高效率降低能耗，基于簇的協(xié)議創(chuàng)建了以簇頭為中心的骨干網(wǎng)絡(luò)，減少基站直接通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)，有效降低了能耗。但多跳路由也存在一些問(wèn)題，首先距離sink節(jié)點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)會(huì)很容易被其他節(jié)點(diǎn)當(dāng)做下一條節(jié)點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)很容易死亡，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性。為此，協(xié)作路由由此產(chǎn)生，它權(quán)衡了單跳路由和多跳路由的利弊，根據(jù)源節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)之間的距離大小將其分為不同的級(jí)別，低級(jí)是選用單跳路由，高級(jí)時(shí)選用多跳路由，極大的改善了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

盡管上面提到的路由協(xié)議在體域網(wǎng)節(jié)能方面起到一定作用，但這僅僅是在理論層面的，沒(méi)有充分考慮實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)存在很大的局限性，因此還需要進(jìn)一步更細(xì)致的研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于無(wú)線體域網(wǎng)的節(jié)能策略研究，有利于解決日益凸顯的節(jié)點(diǎn)充電難、替換難的能耗問(wèn)題。本文對(duì)無(wú)線體域網(wǎng)的節(jié)能策略進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究，做好這點(diǎn)，無(wú)線體域網(wǎng)在人們生活中的應(yīng)用會(huì)更加普及，同時(shí)在相關(guān)領(lǐng)域也會(huì)更加受歡迎。

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