无线传感器的节能之优化篇(1)

无线传感器的节能之优化篇(1)

通过介绍无线传感器的一系列介绍之后，现在接着上次的节点篇，继续阐述无线传感器节能问题。想要做到节能，就需要对系统问题进行优化，处理好各个问题的耗能问题，通过计算，改善系统。

1.单个节点的节能优化
在分析了无线传感器节点的组成和能耗特点之后，让我们看看在单个节点上可以采取哪些措施来节约能耗。

1) 节能计算

除了在节点设计中采用低功耗硬件之外，通过动态电源管理Dynamic Power Management, DPM）等技术使系统各个部分都运行在节能模式下也可以节约大量的能量。最常用的电源管理策略是关闭空闲模块，在这种状态下，无线传感器节点或其一部分将被关闭或者处于低功耗状态，直到有感兴趣的事件发生。DPM技术的核心问题是状态调度策略，因为不同的状态有不同的功耗特征，而且状态切换也有能量和时间开销。

在活跃状态下，则可以采取动态电压调整(Dynamic Voltage Scaling, DVS)技术来节约能量。在大多数无线传感器节点上，计算负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器所有时刻都保持峰值性能。DVS技术就是利用了这一点，动态改变微处理器的工作电压和频率使其刚好满足当时的运行需求，从而在性能和能耗之间取得平衡。

2) 节能软件

如果操作系统、应用层和网络协议等系统软件针对能耗进行了专门的优化，那么无线传感器网络的生存时间也能得到有效的延长。

在操作系统中进行动态电源管理和动态电压调整是最合适的，因为操作系统可以获取所有应用程序的性能需求并能直接控制底层硬件资源，从而在性能和能耗控制之间进行必要的折衷。操作系统的核心是任务调度器，负责调度给定的任务集合使其满足各自的时间和性能需求，通过在任务调度中考虑节能问题可，系统生存时间可得到明显的延长。

鉴于传输中不可避免的数据丢失，无线传感器网络应能根据当时的网络环境提供不同精度的数据，从而获得一定的弹性。另一方面，监测对象的属性是随时间变化的，从而导致网络中的计算和通信需求也随之改变。这样，我们就可以在实时调度算法中进行某种程度的预测，对能耗进行主动式的管理。另外，应用层可以设计成将主要的计算任务及早执行，然后在算法正常结束前提前中止，这样就能在对数据精度影响不大的情况下节约能耗。

3) 无线收发电路能耗管理

虽然嵌入式处理器的电源管理已经得到深入研究，但无线收发系统的节能设计却研究得不够。由于无线通信占了整个无线传感器网络能耗主要部分，因此对无线收发系统的能耗管理非常重要。

无线收发系统电源消耗主要来自两部分，取决于传输距离和调制参数的射频部分以及进行频率合成、滤波等操作的基带电路部分。无线收发系统节能设计很复杂，因为射频部分和基带电路部分的电源开销是相当的，降低射频部分的速率反而会导致能耗的增加。另外要考虑的问题是，无线收发系统的初始化开销很大，这一切都加大了无线收发系统节能设计的难度。关于无线通信方面的能耗优化将在下一节详细讨论。

4) 节能报文转发

除了发送自身感知的数据之外，每个无线传感器节点又都是路由器，需要为其它节点转发报文。在典型的无线传感器网络环境下，无线传感器节点接收的大部分报文大概有65％）需要转发给其它节点。通常情况下，无线传感器节点将绝大部分协议处理功能交由MCU执行。这样，不管其最终目的地是哪里，每个接收到的报文都会经过相同的处理步骤到达计算子系统并得到处理，导致不必要的能耗开销。利用智能无线收发系统，需要转发的报文可以直接在通信子系统标识和转发，甚至在计算子系统处于睡眠状态时也能正常工作。

2.无线通信的节能优化
与单个节点能耗管理类似，在节点间通信过程中考虑节能措施同样对提高整个系统的电源使用效率有重要作用，而且，使通信过程对能耗敏感可以将节能优化的范围从单个节点扩展到参与通信的多个节点。