劉剛，劉昭斌，楊元峰

（蘇州市職業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，蘇州 215104）

0 引言

無線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量靜止或移動(dòng)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過其他傳感器節(jié)點(diǎn)，以無線通信的方式逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳路由后到達(dá)基站（或網(wǎng)關(guān)），協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的管理者。在軍事、醫(yī)療、環(huán)境科學(xué)、空間探索等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常是部署在無人監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量被耗盡，在無法更換電池或充電的情況下，該節(jié)點(diǎn)也就失效。因此，能耗是無線傳感網(wǎng)的一個(gè)致命問題。如何有效地節(jié)約節(jié)點(diǎn)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是無線傳感網(wǎng)研究中一個(gè)重要課題。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)無線傳感網(wǎng)能耗問題進(jìn)行了廣泛的研究。在網(wǎng)絡(luò)層，Heinzelman W.B.等人[2]將網(wǎng)絡(luò)劃分為層次化的簇結(jié)構(gòu)，按照簇頭選擇算法選取節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)，其余非簇頭節(jié)點(diǎn)按照一定規(guī)則加入相應(yīng)的簇中，簇內(nèi)的非簇頭節(jié)點(diǎn)將感知數(shù)據(jù)發(fā)送給各自的簇頭節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)在簇頭節(jié)點(diǎn)經(jīng)過融合之后轉(zhuǎn)發(fā)給基站，以達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。X Fan等人[3]對(duì)其簇頭選擇方法進(jìn)行了改進(jìn)。

趙彤等人[4]綜合考慮傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)鏈路接入、數(shù)據(jù)包傳輸能耗及節(jié)點(diǎn)剩余能量的基礎(chǔ)上，提出了一種自適應(yīng)能耗均衡路由策略來延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

在MAC層，Jung E.S.等人[5]通過在非必要時(shí)段關(guān)閉發(fā)射機(jī)或使得節(jié)點(diǎn)睡眠的方式，來減輕空閑偵聽功率或降低總沖突數(shù)來節(jié)省能耗。李方敏等人[6]提出了一種基于SMAC(Sensor-MAC)可適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率控制MAC（Media Access Control）協(xié)議，該協(xié)議在降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)保證了節(jié)點(diǎn)間通信的公平性。本文基于Contiki/Cooja平臺(tái)重點(diǎn)研究了不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)能耗和壽命的影響。

1 無線傳感網(wǎng)的能量消耗

1.1 體系結(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)典型的結(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié)點(diǎn)具有傳感、信息處理和無線通信功能。這些節(jié)點(diǎn)既是信息的發(fā)起者，也是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者。通過網(wǎng)絡(luò)自組織和多跳路由，將感知數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)（或基站）。網(wǎng)關(guān)（或基站）再通過Internet、衛(wèi)星或移動(dòng)通信網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)互連[7]。

圖1 無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)一般具有大規(guī)模、自組織、硬件資源受限、電池容量有限等特點(diǎn)[8]。傳感器節(jié)點(diǎn)作為無線傳感網(wǎng)的重要組成元素，其組成結(jié)構(gòu)包括傳感模塊、信號(hào)處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分，如圖2所示。節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)通常是由電池完成。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)組成

1.2 能量消耗

由傳感器節(jié)點(diǎn)的組成可以看出，無線傳感網(wǎng)的能耗主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

●數(shù)據(jù)感知能耗：數(shù)據(jù)的感知是通過傳感器采集的，因此這部分能耗主要是信號(hào)采樣和信號(hào)變換。

●數(shù)據(jù)處理能耗：數(shù)據(jù)處理主要完成數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、融合、狀態(tài)控制等。處理器性能和軟件算法的執(zhí)行效率等是影響這部分能耗的主要因素。

●數(shù)據(jù)傳輸能耗：由于感知數(shù)據(jù)是經(jīng)過功率放大器后在無線介質(zhì)中傳輸?shù)男盘?hào)，因此這部分能耗主要包括無線收發(fā)器的調(diào)制解調(diào)、信號(hào)放大、空閑監(jiān)聽等。

1.3 能量模型

無線傳感網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)層路由，MAC層信道監(jiān)聽、碰撞檢測等引起的能耗，歸根結(jié)底都是在傳感器節(jié)點(diǎn)本身產(chǎn)生的。目前能耗模型的研究大多是基于對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)物理組成的度量[9]，傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗模型[10]如圖3所示。

圖3 能耗模型

能耗可以表示為：

其中ETx、ERx分別是發(fā)送和接收k比特?cái)?shù)據(jù)的能耗；Eelec是發(fā)送機(jī)電路能耗；εamp是功率放大器能耗；k是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組大??；d是兩節(jié)點(diǎn)之間的距離。

1.4 影響因素

從公式（1）可以看出無線傳感網(wǎng)的能耗與節(jié)點(diǎn)間的距離、節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率、傳輸分組的大小、網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議等因素有關(guān)。

（1）節(jié)點(diǎn)間距離影響

WSN中數(shù)據(jù)的傳輸，可以采用大功率直接傳輸，也可以采用小功率以多跳的方式傳輸。無論采用哪種方式，都避免不了兩節(jié)點(diǎn)之間的直接通信。對(duì)于通信中的一條鏈路，在給定接收門限功率Pr時(shí)，成功接收數(shù)據(jù)的發(fā)射功率Pt為：

其中，K是常數(shù)；d是節(jié)點(diǎn)間距離；n是路徑衰落指數(shù)。由公式（2）可知，節(jié)點(diǎn)間距離越大，發(fā)射功率越大，能耗也就越大。

（2）節(jié)點(diǎn)跳數(shù)影響

從圖1的無線傳感網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，感知數(shù)據(jù)以多跳的方式進(jìn)行傳輸。設(shè)節(jié)點(diǎn)N1向節(jié)點(diǎn)Nm發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，整個(gè)過程的總能耗為：

其中，Ehop-i是從節(jié)點(diǎn)Ni到節(jié)點(diǎn)Ni+1傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包的能耗。可以看出數(shù)據(jù)包在傳輸過程中經(jīng)歷的跳數(shù)越多，其能耗越大。

（3）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響

無線傳感網(wǎng)是由部署在監(jiān)測區(qū)域的若干傳感器節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都會(huì)消耗能量。顯然，在WSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)越多，能耗也越大。因此，在保證服務(wù)正常運(yùn)行的前提下，選擇恰當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)量，控制適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)規(guī)模，也能有效的降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

（4）路由協(xié)議影響

一般來說，選擇鏈路較好的路由路徑可以保證數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?。進(jìn)而避免因重傳而產(chǎn)生的不必要的能耗。另外，在路由路徑的度量時(shí)，可以考慮以能耗最小作為路由選擇度量的依據(jù)，從而節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。因此，選擇有效的最小能耗路由協(xié)議能降低網(wǎng)絡(luò)能耗。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

Contiki是一個(gè)開源的、以事件驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低功耗、能量受限、內(nèi)存受限的微型設(shè)備的互聯(lián)互通。為了研究影響WSN能耗的因素，本文選取Conti?ki/Cooja平臺(tái)，從節(jié)點(diǎn)間距離、傳輸條數(shù)、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模四個(gè)方面對(duì)WSN中的能耗問題進(jìn)行四個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)。

仿真實(shí)驗(yàn)選取1個(gè)基站節(jié)點(diǎn)，10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)部署在100米×100米的區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍設(shè)定為80米，進(jìn)行20輪的數(shù)據(jù)采集。

實(shí)驗(yàn)1：傳感器節(jié)點(diǎn)間距離對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響

實(shí)驗(yàn)1的網(wǎng)絡(luò)中10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都在一跳范圍內(nèi)可以和基站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接數(shù)據(jù)傳輸。圖4是節(jié)點(diǎn)到基站間距為25米時(shí)以及節(jié)點(diǎn)到基站距離增大一倍后的能耗仿真結(jié)果。從圖4可以看出，節(jié)點(diǎn)間距離越大，能耗越大。

圖4 節(jié)點(diǎn)間距離對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響

實(shí)驗(yàn)2：傳感器傳輸跳數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響

為了能清楚展現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響。實(shí)驗(yàn)2的網(wǎng)絡(luò)中10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)到基站的距離相同，將傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍調(diào)至50米。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)到基站時(shí)經(jīng)過的跳數(shù)如圖6所示。圖7是不同跳數(shù)的節(jié)點(diǎn)在收集20輪數(shù)據(jù)時(shí)的能耗情況。

圖5 實(shí)驗(yàn)2的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 各節(jié)點(diǎn)通信跳數(shù)分布

圖7 各節(jié)點(diǎn)的能耗情況

從圖7可見，數(shù)據(jù)采集過程中，采集路徑經(jīng)過的跳數(shù)越多，能耗越大。

實(shí)驗(yàn)3：路由協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同的情況下，實(shí)驗(yàn)3分別采用基于跳數(shù)最少和能耗最小的路由協(xié)議進(jìn)行仿真，來觀察不同路由協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能耗

從圖8可以看出，基于能耗最小路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)能耗大約是基于跳數(shù)最少路由協(xié)議能耗的50%。

實(shí)驗(yàn)4：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗的影響

實(shí)驗(yàn)4分別采用10和20個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，在和基站一跳范圍內(nèi)進(jìn)行直接數(shù)據(jù)傳輸。能耗仿真結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，無線傳感網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，網(wǎng)絡(luò)能耗越大。20個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)能耗大約是10個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)能耗的兩倍多。

圖9 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模能耗

3 結(jié)語

本文對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集時(shí)的能量消耗問題進(jìn)行討論和分析?？梢缘贸觯琖SN中的網(wǎng)絡(luò)能耗與節(jié)點(diǎn)間距離、傳輸路徑的跳數(shù)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及路由協(xié)議等多個(gè)因素有關(guān)。最后利用Contiki/Cooja仿真平臺(tái)，對(duì)不同影響因素下的能耗進(jìn)行了仿真。實(shí)驗(yàn)表明，由于節(jié)點(diǎn)的資源和能量有限，在WSN中進(jìn)行傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署時(shí)，節(jié)點(diǎn)間應(yīng)選擇合適的距離，避免間距過大造成能耗過大；網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議也可采用基于能耗最小度量，并盡量減少路徑跳數(shù)；節(jié)點(diǎn)數(shù)量在滿足覆蓋度的要求下，移除冗余節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而延長網(wǎng)絡(luò)壽命。