摘 要： 節(jié)能已經成為無線傳感器網絡研究的核心部分。該文研究了無線傳感器網絡拓撲結構的鄰近節(jié)點數(shù)對網絡能耗的影響，主要采用動態(tài)電壓調節(jié)技術（DVS）來降低無線傳感器網絡中節(jié)點的能耗。動態(tài)電壓調節(jié)主要通過減少門等效電容、供電電壓以及降低轉換因子、時鐘頻率來達到降低動態(tài)能耗的目的，其中，降低供電電壓節(jié)能效果最佳。與其他方法相比，動態(tài)電壓調節(jié)降低能耗更加明顯、效率更高。通過在CC2430節(jié)點芯片上測試驗證，通過改變其分頻比，得出了功耗和頻率的近似線性關系。

關鍵詞： 無線傳感器網絡； 拓撲結構； 能耗； 動態(tài)電壓調節(jié)； CC2430

中圖分類號： TN915?34； TP212 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）04?0016?03

無線傳感器網絡（WSN）是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內的傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的多跳自組織網絡系統(tǒng)，能夠協(xié)同地感知、采集和處理網絡覆蓋地理區(qū)域中對象的信息。無線傳感器網絡節(jié)點往往分布在不可到達的危險區(qū)域，人為更換電池是不可行的，而在電池技術沒有太大提高的條件下有必要研究節(jié)省節(jié)點能耗的方法。本文主要從無線傳感器網絡的拓撲結構[1?5]

以及動態(tài)電壓調節(jié)技術[6?9]兩個方面來研究和分析能耗系統(tǒng)的。

對于無線傳感器網絡拓撲結構能效性設計，當鄰近節(jié)點數(shù)增加時，節(jié)點接收消息數(shù)量相應增加，但發(fā)送消息的數(shù)量卻相應減少，因此在優(yōu)化網絡拓撲結構時，需要平衡發(fā)送數(shù)量和接收數(shù)量間的關系。由于網絡中鄰近節(jié)點數(shù)量因拓撲結構的改變而改變，所以不同拓撲結構的能效性不同。而對于無線傳感器節(jié)點能效性設計，由于數(shù)據處理期間，各節(jié)點的計算負載不平衡，甚至對于同一個節(jié)點，在不同階段計算負載差別也很大，因此引入動態(tài)電壓調節(jié)技術根據節(jié)點能耗和計算能力有效調節(jié)微處理器電壓有利于減少無線傳感器節(jié)點能耗。

除了無線傳感器節(jié)點小型化外，無線傳感器網絡的低功耗設計對于提高網絡壽命，擴展網絡應用范圍也具有推動作用。在實際應用中，通過合理規(guī)劃各無線傳感器節(jié)點的位置也有利于減少網絡中的數(shù)據傳輸，降低網絡能耗，延長網絡壽命。

1 拓撲結構的能效性分析

能效性主要研究固定拓撲結構條件下的無線傳感器網絡最優(yōu)拓撲結構控制問題。無線傳感器網絡的拓撲結構可以看作由節(jié)點構成的二維或三維的網格（本文主要針對二維情況）。

無線傳感器網絡[WSNsm，n]是一個[m×n]的網格，其中[m×n]表示網格中的節(jié)點數(shù)目。每個節(jié)點用[x，y]表示，其中[0≤x≤n-1，0≤y≤n-1]。對每個拓撲結構而言，若[S=xs，ys]，[D=xd，yd]，[Δx=xs-xd]，[Δy=ys-yd]成立，其中[S]表示源節(jié)點，[D]表示目標節(jié)點，則無線傳感器網絡將根據網絡中各節(jié)點的位置分辨各節(jié)點的鄰近節(jié)點情況[1]。

下面就邊界傳輸和內部傳輸兩種情況來分析采用多種鄰近節(jié)點數(shù)的網絡拓撲能耗，在內部傳輸方式中，每個節(jié)點的鄰近節(jié)點數(shù)是相對固定不變的，發(fā)送消息的數(shù)量與鄰近節(jié)點數(shù)是成正比例關系的，而接收的數(shù)量則視具體的拓撲結構而定。邊界傳輸方式則是利用邊界的節(jié)點來接收和發(fā)送信息的，而鄰近節(jié)點數(shù)與網絡能耗則是成反比例關系的。表1 則是兩種傳輸方式在不同鄰近節(jié)點數(shù)的耗能情況。

表1 兩種傳輸方式的耗能情況

通過分析上表可知，除了在有4個鄰近節(jié)點數(shù)的情況外，邊界傳輸比內部傳輸消耗更多能量。實驗結果證明[2]：當鄰近節(jié)點數(shù)量較少時，網絡能耗較低；而當鄰近節(jié)點數(shù)量較多時，雖然減少了網絡數(shù)據傳輸跳數(shù)，但同時需要傳遞的節(jié)點數(shù)量反而增加，在這種情況下網絡能耗反而較高。因此應根據不同的網絡狀態(tài)選擇適合的鄰近節(jié)點數(shù)量才有利于提高網絡的能效性。通過實驗仿真可知，在二維網絡中，四鄰近節(jié)點網絡能效性最好；而三維網絡的能效性則普遍優(yōu)于二維網絡。

2 動態(tài)電壓調節(jié)

無線傳感器網絡節(jié)點的功耗可以表示為動態(tài)和靜態(tài)功耗之和[10]：

[P=Pdyn+Pstat]

式中動態(tài)功率[Pdyn]由每次門電路跳變消耗的能量、跳變頻率以及發(fā)生周期性跳變的門電路數(shù)量共同決定： [Pdyn=αfE]（其中[E=CV2]） ， [α]表示發(fā)生周期性跳變的門電路數(shù)量，[f]表示時鐘頻率，[C]表示門等效電容，[V]表示供電電壓；而靜態(tài)功率[Pstat]則由跳變時門電路的總數(shù)、供電電壓和其漏極電流決定：[Pstat=NIV]，[N]表示無狀態(tài)跳變時上電的門電路總數(shù)，[I]表示門電路的漏極電流，所以：

[P=αfCV2+NIV]

動態(tài)功率在微處理器功耗中占主導地位，所以降低動態(tài)功率是成為動態(tài)電壓調節(jié)技術（DVS）中的首選方案。可以通過減少門等效電容，降低轉換因子[α]、時鐘頻率[f]以及減少供電電壓[V]來降低動態(tài)功率。其中，動態(tài)電壓調節(jié)由于降低了供電電壓，就會使門限延遲增加，就需要降低時鐘頻率。所以降低總功率[P]就是降低供電電壓，因為動態(tài)功率[Pdyn]是供電電壓平方的函數(shù)，并且還與靜態(tài)功率成線性關系。文獻[11]表明處理器MCU從200 MHz和1.5 V工作狀態(tài)轉換到150 MHz和1.2 V工作狀態(tài)可以節(jié)省能耗一半以上。

動態(tài)電壓調節(jié)技術就是利用節(jié)點的微處理器MCU在正常工作狀態(tài)下不需要所有時刻都保持在峰值狀態(tài)，從而動態(tài)改變MCU的工作電壓和頻率剛好滿足當時的運行需求，以使在性能和能耗之間取得平衡。通過在CC2430芯片上做過測試，通過改變該芯片的分頻比，經實驗仿真得出了MCU的頻率f與動態(tài)功耗[Pdyn]成線性關系，如圖1所示。

微處理器MCU通過動態(tài)電壓調節(jié)來提高能效的流程圖如圖2所示。

該流程圖是用最高效的電壓對信息進行加密處理以及確定相關數(shù)據處理的電壓，其中信息頭提供的信息決定了解密電壓，微控制器會采用這個電壓對剩余的包進行解密處理。處理完畢后，再根據具體的要求重新設置一個最有效的電壓。微處理器的主程序和CC2430仿真器的主程序如下所示：

3 結 語

本文主要通過無線傳感器網絡的拓撲結構和動態(tài)電壓調節(jié)技術來分析和研究其耗能系統(tǒng)。在網絡拓撲結構中，通過實驗數(shù)據驗證了邊界傳輸比內部傳輸消耗更多的能量。并且，當鄰近節(jié)點數(shù)較少時，網絡耗能較低；反之亦然。在動態(tài)電壓調節(jié)的過程中，通過對CC2430芯片的測試得出了頻率與功耗的近似線性關系。

除了這兩種方法外，還有其他的方法也可以降低無線傳感器網絡的系統(tǒng)能耗。如采用變電壓處理器來實現(xiàn)對處理器的電壓調節(jié)和頻率調節(jié)，從而可以達到降低能耗的目的。另外，通信過程的能耗對于無線傳感器網絡的應用至關重要，在這方面的研究，勢必會成為無線傳感器網絡低功耗設計的一大趨勢。

參考文獻

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