传感器网络的能量管理
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路和系统设计的改进导致一些超低能耗微处理
器和微控制器的开发。在应用低能耗组件的同时， 在操作系统 中使用能量感知方式管理系统资源能更进一步减少能耗， 增加 电池寿 命 。 这 里 介 绍 两 种 节 能 策 略 ： 动态能量管理（ 234， 256
基金项目： 国家自然科技基金项目（ 编号： ； 国家 %A. 高科技发展计划项目（ 编号： 资助 A".T."#@ ） !""&BB&&!"E& ） 作者简介： 叶驰（ ， 硕士生， 主要研究方向为无线网络协议。孙利民（ ， 博士， 研究员， 主要研究方向为无线移动网络。廖勇（ ， 硕 &@%"8 ） &@AA8 ） &@%"8 ） 士生， 主要研究方向为无线网络协议。
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节能策略
通信模块的节能包括减少通信流量， 增加休眠时间， 使用
多跳短距离无线通信方式和选择调制机制等方面。
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减少通信流量 减少通信流量直接减少了通信模块发送和接收的比特数，
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网络协议
在传感器网络中， 由于节点能量受限， 网络协议的设计必
降低了通信模块的能耗。减少通信流量的方法有以下几种。 相对于计算所消耗的能量， 无线通 本地计算和数据融合 B,C： 信所消耗的能量要更多。例如， 文 B#C 显示传感器节点使用无线 方式传输 * 比特到 *"" 米远所消耗的能量可供执行 -""" 条指 令。传感器节点采集的原始数据的数据量非常大， 同一区域内 的节点所采集的信息具有很大的冗余性。 通过本地计算和数据 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
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选择调制机制 公式（ 表示了传输 * 比特信息所消耗的能量， 其中数据 -）
包 头 长 为 6， 无 线 收 发 器 启 动 能 耗 为 *+7,87， 包 长 为 5， 9 进制调 制波特率为 :+， 能量放 ’.;.< 表示频 率 合 成 = 滤 波 等 电 路 的 能 耗 ， 大器的能耗为 ’8>。
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和动态电压调节（ /0&12 34567 80/096&6/: ） ;<= ， ;>/0&12 。 <4?:096 =20?1/9 ）
据进行处理， 发送有用信息， 可以有效减少通信量。 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。冲突引起地重传造成很大地能量浪费， 减少冲突可以有效 节约能量。 增加错误检测 可 以 尽 早 发 现 增加错误检测和校正机制 B*"C： 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 HI+ 的 条 件 下 有 效 减 少 数 据 包 的 重 传 ， 从而降低能耗。 减少控制包的开销和包头长度： 网络协议需要控制包和包 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。
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传感器网络的能量管理
叶 驰 孙利民 廖 勇 （ 中科院软件所多媒体通信与网络研究中心， 北京 &"""%" ）
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摘 要 传感器网络对于单个传感器而言具有高精度、 高容错性、 大覆盖区域等优点， 在军事和商业领域都有巨大的应
用前景。 传感器节点一般由电池供电， 且不易更换， 所以传感器网络最关注的问题是如何高效利用有限的能量。 文章对传 感器网络的能源管理作了全面介绍， 系统地分析了传感器节点各个部分的能源消耗情况和节能策略， 以及通过剩余能源 扫描掌握网络的能源信息。 关键词 传感器网络 能量管理 网络协议 文献标识码 B 中图分类号 CD@&E
=:74/9D+8 和 E7FG46 都支持电压频率调节。
在操作系统中使用上面的节能策略，可以有效地节约能 量，如果同时使用 ;38 和 ;<= ，比如在计算负载下降时使用
;<= 降低微处理器的处理能力，在节点长期处于空闲状态时， 使用 ;38 将微处理器调到休眠状态，将会大大降低微处理器
的能耗， 从而延长节点的生存期。
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增加休眠时间 无线收发器有四种操作模式： 发送、 接收、 空闲和休眠。除
图*
状态转换和能量的关系
， 空闲状 了休眠状态外， 其它三种状态的能耗都很大（ 如 表 *） 态的能耗接近于接收状态， 所以如果传感器节点不在收发数据 时， 最好把无线收发器关掉或进入休眠状态以降低能耗， 这类 似于 ;38 算法。
;38 的工作原理是，当节点周围没 有 感 兴 趣 的 事 件 发 生
时， 部分模块处于空闲状态， 把这些组件关掉或调到更低能耗 的状态（ 即休眠状态） ， 这种事件驱动能量管理对于提高传感器 节点的生存期非常重要。由于状态转换需要消耗一定的能量， 如果状 并且带有时延， 所以状态转换策略对于 ;38 非常重要。 态转换策略不合适， 不仅无法节能， 反而会导致能耗的增加， 如 图 * 所示。
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介绍
无线通信和微电子技术的进步， 推动了低功耗低价格多功
统的生存期成为传感器网络的首要设计目标。 能量管理对传感 器网络十分重要， 其包括减少单个节点的能耗和最大化整个网 络的生存期， 这主要涉及到传感器节点。 传感器节点由四部分组成： 处理模块、 通信模块、 传感器模 块和能量供应模块， 其中前三个模块消耗能量。由于传感器模 块的能耗很低， 因此该文只讨论处理模块和通信模块的节能 ’!(。 处理模块包括微处理器和存储器， 可以通过动态能量管理和动 从而 态 电 压 调 节 ’.( 两 种 策 略 降 低 空 闲 状 况 下 处 理 模 块 的 能 耗 ， 节约能量。通信模块主要指无线收发器， 由于通信模块的操作 和网络协议的设计密不可分，所以在介绍通信模块的节能时， 还要从能量管理的角度分析传感器网络的网络协议。 该文主要关注处理模块和通信模块的节能策略， 在第二部 分将介绍处理模块的节能策略， 在第三部分将介绍通信模块的 节能策略和传感器网络网络协议的设计。 为了了解网络的剩余 能量信息， 就需要对传感器网络进行剩余能量扫描， 在文章的 第四部分将介绍剩余能量扫描和 ,/01* 扫描算法。
能传感器快速发展。传感器网络 ’&(是由大量部署在观测环境中 或附近的微型廉价低功耗的传感器节点通过无线通信方式形 成的多跳网络系统。 传感器节点具有数据采集、 处理、 无线通信 和自动组网的能力， 协作完成大型或复杂的监测任务， 网络中 通常只有少量的汇聚点发布命令和收集数据，实现与 )*+,-*,+ 的通信。 传感器网络有监测精度高、 容错性高、 覆盖区域大等显 著优点， 在军事、 环境监测、 工业控制和城市交通等有广泛的应 用前景， 特别适合部署在恶劣环境和人不宜到达场所。 在传感器网络中， 汇聚点往往个数有限， 而且能量能够得 到补充， 而传感器结点数目非常庞大， 通常采用不能补充的电 池提供能量。传感器结点具有端节点和路由器两个方面的功 能， 一方面实现数据的采集和处理， 执行汇聚点的命令； 另一方 面实现数据的融合和路由， 对本身采集的数据和收到其它节点 发送的数据进行综合， 转发路由到汇聚点。 因此， 传感器网络主 要研究的是传感器节点。 传感器网络与传统无线网络有显著的区别。无线自组网、 蜂窝、蓝牙等无线网络首要设计目标是提供高性能的服务质 量， 由于移动节点可以不断的获得电能补充， 节点的能量考虑 放在次要位置。 而数目巨大分布范围广的传感器节点不能补充 能量， 存在严重的能量约束。 高效使用节点的能量， 延长网络系
表* 无线收发器在各个状态时的能耗
无线收发器状态 发送（ ()） 接收（ +)） 空闲 休眠 能耗（ &’）
假定状态转换分别发生 在 !* 和 !! 时 刻 ， 其 中 !!@!*A!"， 在 在 !! 时 刻 需 要 !* 时刻节点 # 想要从 $% 状态进入 休 眠 状 态 $&， 每 个 状 态 都 有 对 应 的 能 耗 ’% 和 ’&， 状态 从 $& 返 回 到 $% 状 态 ， 所示： 转换分别需要时间 !(# 和 !)#。则能量节约如公式（ *）
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一 般 情 况 下 ， 可 得 在 *. 进 制 LD8 调 制 时 每 比 特 能 耗 最 小， 但在传感器网络中， 由于传感器节点的制作成本很低， 使用 这么高调制等级的无线收发器会大大增加制造成本， 因此并不 可 现实， 一般最高选用 # 进制 LD8 调制。当传输数据减少时， 以降低调制等级， 降低传输速度来降低能耗， 这 类 似 于 ;<= 算 法。
-
通信模块节能策略
在传感器节点上，通信模块消耗能量的比例是最大的， 因
此， 通信模块的节能是该文研究的重点。通信模块节能策略的 实现与网络协议的设计密切相关， 下面分别从节能策略和网络 协议两个方面研究通信模块的节能。
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使用多跳短距离无线通信方式 所示： 无线通信能耗与通信距离的关系， 如公式（ !）
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其中， 由于发送端和接收端都贴 !J&J# 。在传感器网络中， 近地面， 干扰较大， 障碍物较多， 而且接收天线的性能不好， 所 式中 & 接近于 # ， 即通信能耗与距离的四 次 方 成 正 比 。 以在（ !） 随着通信距离的增加， 能耗急剧增加， 因此， 应尽量减少单跳通 信距离。 一般而言， 传感器节点的无线通信半径在 *"" 米以内。
文章编号 &""!8%..&8 （ !""# ） "%8"&@A8".
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在操作系统中使用上面的节能策略，可以有效地节约能 量，如果同时使用 ;38 和 ;<= ，比如在计算负载下降时使用
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