無線傳感器網絡節(jié)能算法研究.pdf

1、無線傳感器網絡在眾多領域里有著廣闊的應用前景，是目前學術界研究的熱點之一。由于傳感器節(jié)點的電池能量有限且應用的環(huán)境條件復雜，使得節(jié)點難以進行能量的補充。因此，如何高效使用各節(jié)點有限的電池能量并盡力延長整體網絡的生存時間成為傳感器網絡面臨的首要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的傳感器網絡節(jié)點資源嚴重受限，采集的數據格式單一、信息量少，因而處理簡單，相對于無線通信能耗，在計算方面消耗的能量相對較少。因此，大部分的傳感器網絡節(jié)能研究主要集中在通信模塊上面，并且一般

2、從網絡層面角度設計能量管理策略。然而，隨著無線視頻傳感器網絡等多媒體傳感器網絡的出現，由于采集的信息豐富且格式復雜，需要壓縮、識別、融合等多種處理以滿足多樣化應用需求，使得用于計算的能耗急劇增加，在這種情況下，計算節(jié)能設計和通信節(jié)能設計是同等重要的。因此，本文的研究側重于節(jié)點級計算和通信節(jié)能算法的設計，重點考慮CPU和無線收發(fā)器這兩個主要耗能部件的的功耗管理方法。由于節(jié)點是形成傳感器網絡的基本單元，節(jié)點級的節(jié)能研究能夠為網絡層面的節(jié)能協

3、議與優(yōu)化算法的設計奠定理論基礎，做好技術準備。另外，從研究的系統(tǒng)性及遞進性考慮，也對節(jié)點休眠調度機制問題做了積極的探索。 無線傳感器網絡在不同應用領域對網絡有不同程度的服務質量要求，如實時性、可靠性等。因此，設計能耗低同時又能靈活有效支持服務質量的節(jié)能算法，對于無線傳感器網絡實用化具有非常重要的意義。本文在進行計算與通信節(jié)能設計時，主要考慮滿足信息處理與傳輸的實時性要求；在引入節(jié)點休眠調度機制時，重點考察對網絡覆蓋質量的影響。在

4、這些性能指標的評價約束下，結合主流的節(jié)能技術手段對能耗與服務質量支持進行了深入系統(tǒng)地研究。 本文的主要貢獻如下： 1.計算節(jié)能算法研究首先，以多任務、多跳網絡傳輸的實時無線傳感器網絡為研究對象，針對動態(tài)功耗在總功耗中占主導地位的CPU，從節(jié)點CPU的混合任務調度分析出發(fā)，在保證任務實時性的前提下，結合動態(tài)電壓調節(jié)(DVS)技術，提出兩個低功耗實時調度算法： ①基于任務最壞執(zhí)行時間來計算任務CPU處理速度的靜態(tài)低功

5、耗調度算法： ②將任務在實際執(zhí)行過程中產生的空閑時間，分配給余下將要執(zhí)行的任務，進一步調整其處理速度，即動態(tài)低功耗調度算法。 另外，深亞微米技術的發(fā)展，導致了漏電功耗的指數性增長。對于部分采用深亞微米技術的CPU，動態(tài)功耗和漏電功耗的比重相當，在這種情況下，采用傳統(tǒng)的忽略漏電功耗的DVS技術無法有效降低總體能耗。針對此問題，提出了將DVS和動態(tài)功耗管理(DPM)相結合的雙效節(jié)能延遲調度算法。從相對截止期小于等于周期的實時

6、任務調度出發(fā)，以CPU總能耗最小的處理速度為參照標準，通過調整任務在DVS方法下獲取的CPU處理速度來尋找動態(tài)功耗和漏電功耗的折中，從而有效降低總能耗。另外，利用任務的延遲調度將CPU空閑時段加以合并，采用DPM方法使CPU在空閑時段有選擇性地進入低功耗狀態(tài)，進一步降低了漏電能耗。 2.通信節(jié)能算法研究無線收發(fā)器消耗的能量在傳感器節(jié)點的總能耗中所占比例較大，采用動態(tài)調制縮放技術(DMS)可以獲得顯著的能量節(jié)約，但會引入不同程度的

7、時延。根據無線收發(fā)器在長距離傳輸和短距離傳輸中能耗模型特性的不同，以不可搶占周期性通信任務模型為對象，在保證任務傳輸實時性的前提下，設計了兩類啟發(fā)式低功耗調度算法： ①長距離傳輸中，發(fā)射能耗在總能耗中占主要部分，是優(yōu)化的重點對象。針對這個特點，采用啟發(fā)式算法，結合DMS技術，給出了靜態(tài)、動態(tài)兩種低功耗調度算法對任務集進行可調度分析和調制級別分配。 ②短距離傳輸中，電路本身功耗的影響不可忽視，在采用DMS進行低功耗設計時，

8、需要對發(fā)射功耗和電路功耗加以權衡，由于過低的調制級別即便滿足實時性約束，但過大的時延使得電路本身的能耗極大地影響了DMS帶來的節(jié)能收益，因此需要將個別任務的發(fā)送調制級別適當提高。對任務調制級別的調整會產生一定數量的空閑時段，可以采用DPM方法做進一步得優(yōu)化。因此，對于短距離傳輸，將DMS與DPM融入到啟發(fā)式算法中，給出靜態(tài)、動態(tài)兩種低功耗調度算法，有效降低了收發(fā)器能耗。 3.節(jié)點休眠調度研究傳感器網絡監(jiān)測事件的偶發(fā)性，及節(jié)點部署

9、的冗余性，啟發(fā)我們利用網絡中冗余節(jié)點交替工作的休眠調度機制，最大限度地延長傳感器網絡的生命周期。由于網絡覆蓋是傳感器網絡的一個基本問題，決定了傳感器網絡對物理世界的監(jiān)測能力。因此，節(jié)點休眠相關參數的設定不能破壞網絡的覆蓋質量。本文采用隨機部署方式、隨機休眠方案，給出了用于計算網絡系統(tǒng)預期覆蓋率和事件檢測質量的數學模型。該模型不依賴節(jié)點位置信息，節(jié)省了硬件成本及節(jié)點間交換位置信息所花費的通信開銷。并且，模型特別考慮了覆蓋區(qū)域的邊界效應，從