精品课件-无线传感器网络-第10章 能量管理

第10章 能量管理
10.2.3 节能模式 动态电压和频率调度中，DPM策略的目标是自动确定偏压 (Udd)的高低和处理器子系Baidu Nhomakorabea的时钟频率。特定电压或频率的选 取受一系列因素的影响，包括应用程序的时延要求和任务的到 达率等。理想情况下，要调整这两个参数使得任务能够“恰好 准时”完成。通过这种方式，处理器不会持续空闲，继而浪费 能量。然而，实际上由于处理器的工作量无法预知，估计会有 误差，所以不可避免地会有空闲。
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特定电源模式的选择既要考虑目前状态，也要考虑不同硬件 组件队列中预定的任务。未来任务的实际估计允许节点确定把 需要的组件置于正确的电源模式上所需要的时间，从而可以用 最小的延迟来处理这些任务。同样，如果估计未来任务不准确， 会使节点错过感兴趣的事件，或者增加响应延迟。
无线传感器网络中，网络外部事件不能当作确定性现象来建 模，否则就没有必要部署监控系统了。因此，对事件发生的估 计应该具有概率特征，感知任务的知识可以用来建立一个预测
第10章 能量管理
列地址选通信号(CAS)和数据线上可用有效数据之间的时延 称为CAS时延。CAS时延越低，性能越好，但能耗越高。中断一 行访问并开始下一行访问所需的时间称为tRP。结合tRCD，切换 行并选择需要读、写或刷新的下一个单元所需的时间可以表示 为tRP + tRCD。激活存储单元和预加电命令之间的时间差称为 tRAS，用它来衡量处理器能够开始下一个存储器访问之前必须 等待的时间长度。
DPM策略采用集中式还是分布式取决于多方面的因素。一方 面，集中式方法的优点是更容易获得某一节点能耗的全局视图， 从而执行一个综合的调整策略；另一方面，集中式方法增加了 管理子系统的计算开销。分布式方法允许各个子系统进行局部 的能量管理，有良好的可伸缩性，这种做法的问题是局部策略 有时会与全局策略相矛盾。由于无线传感器节点及其执行的任 务都相对简单，因而大多数现有的能量管理策略都提倡集中式 方法。
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10.1.5 电源子系统 电源子系统用于给其他所有的子系统提供电源，它由电池和 DC-DC转换器构成。在某些情况下，电源系统可能还包括变压器 等额外器件。DC-DC转换器负责将主电压转换为各个部件正常工 作所需要的电压，这种转换可以是降压过程，也可以是升压过 程，或者是升降压之间转换的过程，这取决于各个子系统的需 求。不过，转换也需要消耗能量，而且转换效率可能也不高， 下面讨论能量的损耗及转换效率低下的原因。 1．电池 无线传感器节点是由电池供电的，但电池的电量有限。影响 电池质量的因素有多种，但最大的因素是成本。大规模部署传 感器网络时，使用成百上千个电池的成本会给网络部署带来很 大的限制。
第10章 能量管理 10.3 概 念 架 构
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典型的 DPM 策略监控各个子系统的活动，并做出最适合的 能量配置，从而优化整体的功率消耗，而且这个决策应该反映 应用程序的要求。虽然该过程消耗一定的能量，但如果节省的 能量足够大，就可以认为它是合理的。一个准确的DPM策略需要 估计任务到达和处理速度的基准。
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系统的硬件体系结构是定义多种电源运行模式和它们之间转 换方式的基础。局部电源管理策略根据节点活动的改变，或基 于全局电源管理方案，或者根据应用要求定义这些电源模式转 换的规则。这个规则可以用一个循环过程来描述，包括三个基 本操作：能量监控、电源模式估计和任务调度。
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10.1.3 总线频率和内存时序 当处理器子系统通过内部高速总线与其他子系统交互时会消 耗能量，具体能耗取决于通信的频率和带宽，这两个参数可以 根据交互的类型优化配置，但是总线协议时序通常是为特定总 线频率优化的，而且，为了保证最佳性能，当总线频率改变时， 要先通知总线控制器的驱动器。 10.1.4 活动存储器 活动存储器由按照行和列排列的电子元件组成，每行形成一 个独立的存储实体。为了存储数据，这些元件必须周期性地刷 新，刷新频率或刷新间隔是必须要刷新的行数的度量。低刷新 间隔对应一个必须在刷新操作发生之前消逝的低时钟频率，反 过来，高刷新间隔对应一个必须在刷新操作发生之前消逝的高 时钟频率。考虑两个典型的值：2K和4K。刷新间隔为2K时，可
第10章 能量管理
DPM策略的目标是优化节点的能量消耗，但不能影响系统的 稳定性，此外，还要满足感知数据的质量和时延要求。幸运的 是，在大多数真实环境中，部署无线传感器网络都是为了某个 特定的任务，这项任务不会改变或者只会逐步改变。因此，DPM 的设计者需要根据无线传感器节点体系结构、应用要求和网络 的拓扑结构来制定适当的策略。
第10章 能量管理 第10章 能量管理
10.1 局部能量管理 10.2 动态电源管理 10.3 概念架构
第10章 能量管理 10.1 局部能量管理
第10章 能量管理
10.1.1 处理器子系统 大多数现有的处理子系统都使用微控制器，如Intel的 StrongARM处理器和Atmel的AVR处理器。通过配置，这些处理器 可以工作在不同的电源模式下。例如： ATmega128L微处理器有 6种不同的电源模式：空闲模式、ADC降噪模式、节能模式、掉 电模式、待机模式和扩展待机模式。 尽管让处理器子系统工作在不同的模式下可以有效节省能量， 但是不同能量管理模式间的转换也需要消耗能量，并会产生延 迟代价。因此，选择能量模式的特定操作之前必须考虑这些代 价。 10.1.2 通信子系统 通信子系统的能量消耗受到多方面的影响：如调制类型和调 制系数、发射机的功率放大器和天线效率、传输距离和传输速
第10章 能量管理
第10章 能量管理 10.2 动态电源管理
第10章 能量管理
10.2.1 动态操作模式 根据正在进行和将要进行的活动，无线传感器节点的子系统 可以配置在不同的电源模式下运行，这内容在前面章节中已经 进行了阐述。一般情况下，小的组件可能有n种不同的电源模式。 如果有x个硬件组件，每个组件都有n种不同的能量消耗级别， 那么DPM策略就能定义x × n种不同的电源模式配置方式，记为 Pn。 选择特定电源配置模式时存在两个相关的问题： (1) 不同电源配置模式间的切换会额外消耗能量； (2) 切换存在相关时延以及可能错过感兴趣事件的出现。
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10.2.2 动态调度 动态电压调度(DVS)和动态频率调度(DFS)两种方法旨在当处 理器内核处于运行状态时实时改变其性能，这两种方法对内存 单元和通信总线也同样适用。在大多数情况下，调配给处理器 的任务并不需要峰值性能。相反，一些任务在它们的生存期结 束之前就完成了，之后，处理器就进入低功耗的空闲模式。