胡志豪 成都二十中學

無線體域網(wǎng)的節(jié)能策略探究

胡志豪 成都二十中學

無線體域網(wǎng)即體域傳感網(wǎng)，可以通過人體周圍的傳感器來感知人體各類參數(shù)的變化情況，再通過無線發(fā)送至基站，目前已經(jīng)在智能家居、醫(yī)療保健、軍事、娛樂等領域得到了廣泛應用。本文主要從節(jié)能角度來探討無線體域網(wǎng)的應用與節(jié)能方式。

無線體域網(wǎng) 節(jié)能策略 分析

無線體域網(wǎng)是由人體相關的網(wǎng)絡元素等組成的以人體為中心的網(wǎng)絡，它能通過體內或身體周圍的傳感器節(jié)點對人體的一些重要參數(shù)比如血壓、體溫、心跳等或人體周圍的參數(shù)如濕度、光照進行感知，并通過無線的方式發(fā)送到身體周圍的基站，最終上傳到服務器進行分析處理，目前已經(jīng)被廣泛應用到軍事、娛樂、醫(yī)療保健等領域。

無線體域網(wǎng)是無線傳感器網(wǎng)絡的一個重要分支，它便攜可移動，受到很多領域的關注，然而日益凸顯的節(jié)點充電難、替換難的能耗問題，使得無線體域網(wǎng)的節(jié)能研究成為近幾年的熱點，下面通過以無線體域網(wǎng)的結構和特點為研究基礎，結合相關的研究，分別從物理層、MAC（媒體接入控制層）層和網(wǎng)絡層等方面分析無線體域網(wǎng)的節(jié)能策略。

1 物理層節(jié)能

WBAN（無線體域網(wǎng)）感知部分的核心是傳感器，若想要將傳感器應用于WBAN，那么傳感器必須具備微型化、低耗能、智能化、高精度以及對人體無害的優(yōu)點。早期對于傳感器的節(jié)能研究主要側重在傳感器節(jié)點系統(tǒng)功率的管理和調度， Sinha 提出的動態(tài)功率管理策略將節(jié)點分成五個工作狀態(tài)，這樣既能滿足功能的需求，又能降低能耗；然后是IM提出的動態(tài)電壓調節(jié)機制，通過動態(tài)調節(jié)電壓來減小系統(tǒng)功能損耗，但通過調低電壓來節(jié)能并不是長久的策略，因為低電壓會導致電路的運行速度減慢，使信息不能及時發(fā)送。

隨著近幾年MEMS和嵌入式技術的發(fā)展，對傳感器節(jié)點節(jié)能的研究開始偏向于低功耗的硬件的設計。Gu 等人就提出并設計了一種基于ISM頻段的轉發(fā)器，這款轉發(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)點在既定能量的基礎上進行節(jié)能設計，卻沒有考慮通過增加電池的壽命或讓電池從周圍的環(huán)境中獲取能量來解決能耗問題。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，節(jié)點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，所以使電池從周圍獲取能量將成為一種新的發(fā)展趨勢。

2 MAC層節(jié)能

體域網(wǎng)中還有一個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，因此目前對于W BAN的節(jié)能研究還偏向于高效的MAC協(xié)議的設計。一個好的MAC協(xié)議不僅要滿足用用的需求，還要盡可能使能量高效。

研究表明，MAC層造成能量浪費的因素主要有消息碰撞、負載波動、竊聽、空閑偵聽以及發(fā)送失敗等。目前主要是通過減少數(shù)據(jù)流量、沖突避免的方式來降低能耗的， 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)議主要是應對沖突的，避免沖突。 DQBAN-MAC協(xié)議避免沖突的方式就是采用無沖突隊列，通過跨層模糊規(guī)則調度算法和能量感知策略來為節(jié)點分配沒有沖突的時間間隙。

WBAN這一新興技術對應用高度相關，因此目前所研究出的節(jié)能MAC協(xié)議也是針對不同場景和需求的，沒有一種M AC協(xié)議是適用于所有場合的，這也將是未來的一種發(fā)展趨勢。

3 網(wǎng)絡層節(jié)能

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

單調路由協(xié)議屬于直接傳輸，對距離sink節(jié)點近的節(jié)點能降低能耗，但對于距離遠的節(jié)點反而會增加能耗。為此，又研究出了多跳路由協(xié)議，多跳路由協(xié)議分為基于樹的路由與基于簇的路由兩種，基于樹的路由協(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，減少基站直接通信的節(jié)點數(shù)，有效降低了能耗。但多跳路由也存在一些問題，首先距離sink節(jié)點近的節(jié)點會很容易被其他節(jié)點當做下一條節(jié)點，這種節(jié)點很容易死亡，影響整個網(wǎng)絡的連通性。為此，協(xié)作路由由此產(chǎn)生，它權衡了單跳路由和多跳路由的利弊，根據(jù)源節(jié)點與sink節(jié)點之間的距離大小將其分為不同的級別，低級是選用單跳路由，高級時選用多跳路由，極大的改善了整個網(wǎng)絡的生命周期。

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，沒有充分考慮實際應用中可能出現(xiàn)的一系列問題，實際應用中將會存在很大的局限性，因此還需要進一步更細致的研究。

4 結束語

對于無線體域網(wǎng)的節(jié)能策略研究，有利于解決日益凸顯的節(jié)點充電難、替換難的能耗問題。本文對無線體域網(wǎng)的節(jié)能策略進行了簡單的研究，做好這點，無線體域網(wǎng)在人們生活中的應用會更加普及，同時在相關領域也會更加受歡迎。

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