无线传感器网络综述.

无线传感器网络综述

李烨张旗黄晓霞

摘要随着“感知中国”、“智慧地球”等战略性的课题提出,无线传感网络的核心技术与标准将成为各国争相研究的热点。在无线传感网络中,低功耗是最核心的问题。本文以降低节点的通信能耗和延长网络寿命为出发点,阐明了通信OSI模型中物理层、数据链路层、网络层以及传输层的低功耗策略与方法。

1 引言

无线自组织传感器网络被认为是新世纪最重要的技术之一。无线传感器网络应用前景非常广阔,能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、城市交通、大型车间和仓库管理,以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着“感知中国”、“智慧地球”等国家战略性的课题提出,传感器网络技术的发展对整个国家的社会与经济,甚至人类未来的生活方式都将产生重大意义。最近二十年间,以互联网为代表的计算机网络技术给世界带来了深刻变化,然而,网络功能再强大,网络世界再丰富,终究是虚拟的,与现实世界还是相隔的。互联网必须与传感网络相结合,才能与现实世界相联系。集成了传感器、微机电系统和网络三大技术的新型传感网络(又称物联网,是一种全新的信息获取和处理技术,其目的是让物品与网络连接,使之能被感知、方便识别和管理。物联网用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。物联网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为,物联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前,美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国高度关注与重视物联网的研究,工业和信息化部会同有

关部门,在新一代信息技术方面正在开展研究,以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。2009年8月7日,温家宝总理在江苏无锡调研时,对微纳传感器研发中心予以高度关注。温家宝总理指出“在传感网发展中,要早一点谋划未来,早一点攻破核心技术”,“在国家重大科技专项中,加快推进传感网发展”,“尽快建立中国的传感信息中心,或者叫‘感知中国’中心”。随着美国“智慧地球”计划的提出,物联网已成为各国综合国力较量的重要因素。美国将新型传感网技术列为“在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术”。加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等加入传感网的研究,欧盟将传感网技术作为优先发展的重点领域之一。据Forrester等权威机构预测,下一个万亿级的通信业务将是传感网产业,到2020年,物物互联业务与现有人人互联业务之比将达到30:1。

图1 物联网示例图

在物联网这个全新产业中,我国的技术研发水平处于世界前列,具有重大的影响力。“与计算机、互联网产业不同,中国在‘物联网’领域享有国际话语权!”早在1999年,中科院就启动了传感网研究,由其提出的传感网络体系架构、标准体系、演进路线、协同架构等代表传感网络发展方向的顶层设计已被ISO/IEC国际标准认可。目前,我国传感网络研究已形成以应用为驱动的特色发展路线,在技术、标准、产业、规模和应用与服务等方面进入了世界领先

行列,使我国在信息技术领域迎头赶上甚至占领产业价值链的高端成为可能。

2低功耗通信技术

在无线传感器网络中,低功耗是其核心问题。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。有研究表明,传输1比特信息至100米远的距离需要消耗的能量,大约相当于执行3000条计算指令。因此,延长无线传感器网络的工作寿命,重点在于降低通信模块的能耗。

设计满足通信质量要求且能耗最低的无线通信系统与很多因素相关,如图1所示,应用需求、信道的实时状态以及通信电路的能耗,会影响通信OSI模型的各层参

数,比如物理层的数据率、信号带宽、调制方式、误码率BER、纠错编码率、信号的峰均比等参数;MAC层的休眠与传输控制,信道接入控制和冲突避让等;应用层的信源压缩率、服务质量QoS等参数。由于通信OSI模型各层相互独立,各层的低能耗策略有时会相互矛盾,我们必须以系统能耗最低为目标,研究各层参数的相互作用,设计合理的通信系统,降低通信电路的能耗,实现高能效通信。

图2 无线传感器网络低能耗通信设计流程图

在具体的实施中,如图2所示,我们首先需要对通信信道进行精确地建模以模拟无线传感器网络的工作环境;建立准确的系统级通信电路能量模型,衡量通信各参数对电路能量、噪声、非线性干扰的影响;在物理层研究自适应调制编码、准同步分集传输技术,干扰检测和避让技术,节点状态快速切换等算法,提高通信的可靠性、降低电路的能耗;在MAC 层,我们要合理优化休眠和工作时间,减少启动时间,合理的冲突避让等;在硬件电路层面,由于放大器的功耗在整个通信模块中占了相当大的比重,同时非线性对通信质量的影响很大,用数字预失真校正的方法提高放大器的效率、增加线性度是必不可少的;最后,我们建立系统能量最低的目标方程,设立各层的条件方程,用凸优化的方法求得最优的通信系统参数。另外,无线传感器网络需要对干扰有一定的检测和避让能力,增强通信的可靠性。

2.1 建立无线传感器网络节点射频前端的准

确能量模型

在无线通信中,由于射频前端在很高的频率下处理模拟信号,与其它部分相比通常会消耗更多的能量,例如基于IEEE 802.11b的 Intersil PRISM II 无线网卡,媒体接入控制(MAC处理器的能量损耗大约为110 mW,数字基带处理是170 mW,除功放外的模拟电路功耗是240 mW,功率放大器是600 mW。由此可见,近75%功率是在模拟和射频部分消耗的;另一方面,通信数字基带的各参数设置对射频的功耗和性能也会带来极大的影响。因此在低能耗的无线传感网络通信中,我们首先要建立准确的系统级能量模型,对能量消耗最大的射频前端模块做细致地分析,找出对能耗、性能起决定作用的参数,合理设置参数值。同时,新型的数字基带算法能在系统级的能量

模型上评估其能耗和噪声上的表现,使系统工程师在流片前预知性能。综上所述,系统级的准确能量模型能为高能效无线传感器网络通信研究提供平台。

无线传感器通信可以采用通用射频前端,系统模型如图3所示。在发送机主要模块有数/模转换器(DAC,重构滤波器(Filter,上变频混频器(Mixer,频率合成器(RF Synthesizer;接收机有射频滤波器,低噪声放大器(LNA,下变频混频器,基带滤波器,基带放大器(Base-band Amplifier,模/数转换器(ADC。

图3 无线通信收发机模拟电路部分系统模型

我们在前期的工作中,对射频前端建模,以WiFi 系统为例(可以改进推广到无线传感器网络通信,主要器件的功耗情况如表1所示。其中的数据主要来源于RFMD 和TI公司的产品以及我们前期建立的系统模型。表1给出了不同的系统参数对射频前端各模块功耗的影响。例如,A类功率放大器的功耗是峰均功率比(PAR、传输距离(d、调制级数(b和误码率(BER的函数。同时给出了在不同工作模式下,射频模块的功耗示例。

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