无线传感器网络的节能研究（本科毕业论文）(3)

信性能也会经常变化，甚至通信有可能时断时续。因此，如何设计可靠的通信机制以满足网络的通信需求是无线传感器网络所面临的一个重要问题。

1.2 无线传感器网络节点结构

传感器模块 处理器模块 无线通信模块 传感器 AC/DC 处理器 网络 MAC 收发器 能量供应模块 图1.1 触感器节点结构图

传感器节点由传感单元、处理单元、无线收发单元和能量供应单元四部分组成，它通常是一个微型的嵌入式系统，如图1.1 所示。

传感单元用于感知、获取检测区域内的信息，并将其转换为数字信号，它由传感器和数/模转换模块组成；处理单元负责控制和协调节点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据，它由嵌入式系统构成，包括处理器、存储器等；无线收发单元负责与其它传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据，它由无线通信模块组成；电源单元能量为传感器节点提供正常工作所必需的能源，通常采用微型电池。

此外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。由于需要进行比较复杂的任务调度与管理，处理器单元还需要包括一个功能较为完善的微型化嵌入式操作系统，如美国UC Berkeley大学开发的Tiny OS。目前已有多种成型的传感器节点时间，如Berkeley 的Motes, ICTCAS/PHKUST的BUDS，Intel的iMote等，它们在现实原理上是相似的，只是采用了不同的微处理器、不同的协议和通信方式。

由于传感器节点采用电池供电。一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度地节约电能，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，已获得更高的电源效率。

1.3 无线传感器的协议栈

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传感器网络的协议栈类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与传统互联网协议栈的五层协议相对应，另外，传感器网络的协议栈还包括功率管理平台、移动管理平台和任务管理平台，如图1.2所示：

移动管理平台 任务管理平台 能量管理平台

图1.2 无线传感器网络协议栈

各层协议和平台的功能如下：

（1）物理层。无线传感器网络的物理层负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有无线电、红外线、光波等。

（2）数据链路层。无线传感器网络的数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制，其中，媒体访问协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标。

（3）网络层。无线传感器网络的网络层负责路由发射和维护，通常，大多数节点无法直接与网关通信，需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。

（4）传输层。无线传感器网络的传输层负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。

（5）用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；

（6）功率管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；

数据链路层 物理层 应用层 传输层 网络层 4

（7）移动管理平台检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居节点的位置；

(8）(8)任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。

1.4 无线传感器网络节点能耗分析

传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。图1.3所示是 Deborah Estrin 在 Mobicom 2002 会议上的特邀报告（Wireless Sensor Networks, Part IV: Sensor Networks Protocols)中所述传感器节点各部分能量消耗的情况，由图1.3可知，传感器节点的大部分能量消耗在无线通信模块。

图1.3 传感器节点能量消耗情况

由于无线通信模块占了整个节点能耗的主要部分，因此，对无线通信模块的能耗管理非常重要，采取以下措施可以减少无线通信模块的能量损耗。

（1）少通信流量

通过减少通信模块发送和接收的比特数,能降低无线通信模块的能耗。减少通信流量有以下几种方法：(a) 本地计算和数据融合：对传感器节点采集的原始数据和各个节点汇集的相关数据进行处理，发送有用信息,有效减少通信量；(b) 减少冲突：如果两帧同时发送，它们会相互重叠,结果导致接收到的信号难以辨认，需要重传才能把信息正确发送到目的地。冲突引起的重传造成很大的能量浪费，减少冲突可以有效节约能量；(c) 增加错误检测和校正机制:增加错误检测可以尽早发现错误，校正机制可以校正少量比特错误的数据包。错误检测和校正机制可以在给定误码率的条件下有效减少数据包的重传，从而降低能耗；(d) 减少控制包的开销和包头长度：网络协议需要控制包和包

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头来维护其正常运行，但控制包和包头并不是用户所需的数据，应尽量减少控制包的数量,减小包头长度，从而降低能耗。

（2）采用多跳通信方式

无线通信模块消耗的能量E与通信距离d的关系为E?kdn，其中参数n满足关系

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无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。由图1.3可知，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大,而在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络通信更有效率,减少不必要的转发和接收，不需要通信时，尽快进入睡眠状态是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。

1.5 本课题的研究目的

无线传感器网络节点消耗的能量通常是由微型电池提供的，电池的能量是非常有限的，但是由于无线传感器网络节点规模很大，工作环境往往又比较恶劣，使得节点的电池无法得到更换或者重新充电，所以要想延长传感器网络的生命周期，就必须在网络设计的每个环节首先考虑节能的问题。通过对节点能耗的分析，我们知道传感器节点的能量主要消耗在无线通信模块，也就是说网络层路由协议设计的好坏对无线传感器网络的性能起着至关重要的作用。因此，本文将对现有无线传感器网络路由协议进行分析，尤其是分簇路由协议，针对无线传感器网络自身的特点，设计一种高效利用能量的分簇路由协议，具有非常重要的现实意义。

1.6 本文的主要工作

Ad hoc、无线局域网等传统无线网络设计的首要目标是公平高效的利用网络带宽，提高服务质量，而无 …… 此处隐藏：1736字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……