无线传感器网络节能技术综述　

［常春波】　

Ｉ＿圜　文章分析了无线传感器网络能耗的主要来源，结合国内外现阶段研究动态’重点　＿　介绍了数据处理和数据传输方面的节能技术，在数据传输方面分为无线传输、路由　

一　层和ＭＡＣ层三个层次介绍，最后指出了多个协议层联合优化的发展方向。　

美镧　冠　懑豁触　、　黻粒　疆　。　

常春波　１９７９年生，太原科技大学信息工程学院工作，讲师，主要研究方向为无线传感器　

网络节能技术、同步技术及无线传感器网络的应用　

１　引言　现有无线传感器网络节点主要由微处理器、电源、　

随着传感技术，微机电（ＭＥＭｓ）技术，无线网络　传感器、Ｉ／Ｏ接口、射频模块等部分组成。在实际运行　

技术的飞速发展，无线传感器网络作为一项新兴的信息采　过程中，能耗主要来源于处理（Ｐ　。ｃｅｓｓｉｎｇ）、传感　

集技术日益得到重视。由于无线传感器网络节点数量非常（Ｓｅｎｓｉｎｇ）和无线传输（Ｒａｄｉ。）三个操作。处理的　

庞大，且通常采用电池提供能量，因此，能量管理和节能　能量消耗主要是由于微处理器执行指令的能量消耗’如　

已成为无线传感器网络的重要的支撑技术之一。ＡＴＭｅｇａ１２８Ｌ微处理器每执行一条指令需要４ｎＪ的能量，　

跟传统网络相比，由于无线传感器网络能量受限，　而ＩｎｔｅＩＰｘＡ２５５微处理器在４００ＭＨｚ工作模式下每执行一　

为了有效节省能量延长网络生命期就有以下的考虑：首　条指令需要１・１　ｎＪ的能量。传感的能量消耗主要包括前端　

先，为了节省能量，无线传感器网络算法及协议设计应该　处理，Ａ，Ｄ转换等操作，其能量消耗根据传感器的种类不　

尽可能简单，以最少的能耗完成任务。由于传统网络协议　同而有所不同，低能耗传感器包括：温度’光强，加速度　

及算法设计大都没有考虑能量受限的问题，因此不适合直　传感器等；中等能耗传感器包括：声学’磁场传感器等；　

接应用。其次，由于能量问题影响到了网络协议栈各个层　高能耗传感器包括：图像，视频传感器等。　

次，为了有效节能必须根据跨层设计的思想，将网络作为　无线传输能耗主要来源于无线模块在收发数据及空　

一个整体来设计其节能方案。　闲侦听时的能耗，在运行过程中，无线模块可能处于四种　

状态：发送、接收、空闲以及睡眠，这四种状态下的能耗　

２　无线传感器网络能耗分析　依次由高到低。

　无线传感器网络节能技术综述　

３　无线传感器网络节能技术相关研究　

由于现有无线传感器网络的传感器主要以低能耗和　

中等能耗为主，相对于节点处理和无线传输的能耗较低，　

因此，现有的节能技术主要包括针对数据处理与数据传输　

的节能技术两个方面，如图１所示。　

节能相关技术　针对数据娃理的节能技术　

针对数据｝奄翰的节齄技术　

图１节能技术分类　节艟ＭＡ￣技术　

３．１针对数据处理的节能技术　

这方面的研究工作主要关注于节省处理器的能量消　

耗，如早在１　９９８年美国Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ大学的Ｂｅｒｋｅｌｅｙ电子研　

究实验室的Ｔｒｅｖｏｒ　Ｐｅｒｉｎｇ…等学者就提出了动态电压缩放　

技术（ＤｙｎａｍｉｃＶｏｌｔａｇｅＳｃａｌｉｎｇ，ＤＶＳ），这项技术的出发点　

是在大多数无线传感器结点上，计算负载是随时间变化　

的，因此并不需要微处理器在任何时刻都保持峰值性能。　

可以通过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。　

Ｌ．Ｂｅｎｉｎｉ【２　等学者则提出了动态电压管理（Ｄｙｎａｍｉｃ　

Ｐｏｗｅｒ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＤＰＭ）技术，该技术的基本思想是　

尽可能使系统各部分运行在节能模式下。最常用的管理策　

略是关闭空闲模块，在这种状态下，无线传感器结点或部　

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，这项技术是无线传感器网络中节能ＭＡＣ协议设计的　

基础。　

美国麻省理工大学的Ａ．Ｓｉｎｈａ等学者　则提出了能量　

可扩展ＤＳＰ算法设计的概念以进一步节省处理器能耗。基　

本思想是将传统ＤＳＰ算法的执行操作按影响结果的显著程　

度进行排序，将影响结果大的操作先执行，这样就可以在　

能耗与结果精确程度之间寻求一个权衡。美国麻省理工大　

学的Ｊ．Ｔ．Ｌｕｄｗｉｇ等学者　则将这一概念用于滤波算法的设　

计，发现大多数算法都可以转换为类似的能量可扩展ＤＳＰ　算法设计。　

Ｃ．Ｆ．Ｃｈｉａｓｓｅ　ｒｉｎ　等学者则提出了针对无线传感　

器网络的分布式数字处理器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　

Ｐｒｏｃｅｓｓｏ￣ＤＤＳＰ）的概念，其基本思想是将一个算法分解　

为多个子算法，然后让不同的节点来执行不同的子算法，　

然后，将结果进行汇总并处理得到总的结果。这样的话，　

可以使每个节点的执行负载比较均衡，因此每个节点都可　

以有利用ＤＶＳ等方法的空间来节省能耗。当然，这是以　

增加节点间的通信开销为代价的，因此，需要寻求分解带　

来的能量节省与通信的能量开销之间的权衡。　

这些技术都可以有效节省数据处理带来的能耗，但　

由于无线传感器网络中，能耗的主要部分在于无线传输，　

因此，其总的节能效果并不如考虑节省数据传输能耗的相　

关技术有效。　

３．２针对数据传输的节能技术　

由于数据传输是能耗的主要部分，关注于这方面的　

节能设计工作很多。另外，由于能耗涉及到了网络通信的　

各个协议层，现有研究工作既有关注于无线传输的节能技　

术，关注于多址接入（ＭＡＣ）的节能技术，以及关注于　

网络路由的节能技术。其中，节能ＭＡＣ技术主要解决的　

问题是如何构造一个能量最优化的拓扑及如何调度各节点　

的睡眠以节能，节能路由技术则是在拓扑构造好以后，解　

决如何根据采集参数确定最优数据传输路由的问题，而节　

能无线传输技术则是在路由确定后，如何传输数据以最小　

化能耗的问题。根据对无线传感器网络能耗特点分析，无　

线传输技术占据了能耗主要部分，而无线传输技术又是其　

余技术的基础，因此其性能的优劣根本性地影响到了整网　

的能耗。　

３．２．１节能无线传输技术　

由前所述，无线传输是节点能耗主要来源，考虑节　

省无线传输时的能耗往往能获得很好的节能效果。而且，　

传感器网络各项网络通信技术都涉及到了数据的无线传　

输，使得无线传输技术成为了各项技术的基础，也成为了　

影响整网能耗的根本。因此，研究节能无线传输技术对无　

线传感器网络的实用化具有举足轻重的作用。但由于无线　

传输技术的研究涉及的内容较多，研究的难度较大，其现　

阶段的研究才刚刚起步，系统性的工作见报道的较少。比　

２０１０．１１’广东通信技术　园　

圈　

圈　

国　

３５　园　

图　

圈　

圈　

３６　无线论坛　

较有代表性的包括下面的工作。美国ＦｌｏｒｉｄａＡ　ａｎｔｉｃ大学　

的Ｅｄ　Ｃａｌｌｗａｙ学者　从无线通信的角度分析了现有短距离　

无线通信技术不适合于无线传感器网络的原因，设计了～　

个码位调制的通信技术，该技术具有低能耗、低实现复杂　

度的特点，后来该技术被提交为ＩＥＥＥ８０２．１５．４物理层设　

计的提案；美国斯坦福大学的Ｂ．Ｐｒａｂｈａｋａｒ　，ＥＩＧａｍａｌ　。　

等学者以及南加州大学￣ＹａｎｇＹｕ删等学者从自适应调制技　

术的角度出发，研究了节能无线传输的问题。先后三年在　

ｌＮＦＯＣＯＭ上发表了采用白适应调制技术在点到点，一点　

对多点，　“数据聚合树”通信模式中确保传输时延性能与　

节能的无线传输设计策略。　

３．２．２节能路由技术　

由于节能在无线传感器网络中的核心地位，其路　

由技术的研究就关注于根据传感器网络节点数目众多，　

分布式操作，数据冗余等特点设计具有节省能量特点的　

路由技术。无线传感器网络的路由技术按其网络结构和　

工作方式可以分为平面式的（Ｆｌａｔｒｏｕｔｉｎｇ）和层状式的　

（Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｒｏｕｔｉｎｇ）。　

（１）平面式路由算法　

对于平面式路由算法，所有节点地位和功能都～　

样，依靠节点间协作来共同完成数据采集。最简单的平　

面式路由算法是洪泛（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）算法”　，在该算法中，　

每个接收到数据包的传感器节点将广播给邻居节点，依　

次类推直到Ｓｉｎｋ接收到该数据包。这个方法实现起来非　

常简单，但在实际应用中却存在重复数据包发送所造成　

的资源浪费过大的问题。事实上，对无线传感器网络而　

言，Ｓｉｎｋ往往只对具有一定特性的数据感兴趣（如某一个　

区域内的传感器数据），因此，在设计路由协议时应该　

通过对数据特性及Ｓｉｎｋ的兴趣进行描述，尽可能只传输　

必要数据。出于这一思想而设计的路由算法包括：ＳＰＩＮ，　

Ｄｉ　ｒｅｃｔｅｄＤｉｆｆｕｓｉｏｎ，ＲｕｍｏｒＲｏｕｔｉｎｇ，ＧＢＲ及ＣＡＤＲ等。其　

中，ＳＰＩＮ和Ｄｉｒｅｃｔｅｄ　Ｄｉｆｕｓｉｏｎ可以看作这类算法的代　

表，其他算法可以看作是这两个算法的～个变体或推广。　

（２）层式路由算法　

层状式路由算法的主要思想是通过分簇使得簇内相　

关性较强的数据可以在簇头聚合而减少需要发送给Ｓｉｎｋ的　

数据量，从而节省能量消耗。在层状式路由算法中，重点　

关心的问题包括簇头选取、簇划分以及信道共享等。这类　算法中比较有代表性的算法包括ＬＥＡＣＨ，ＰＥＧＡＳＩＳ，　

ＴＥＥＮ等。　

（３）今后可能的研究方向　

近年来，无线传感器网络在很多需要端到端实时　

性，可靠性要求的领域内得到应用，路由算法作为数据传　

输的重要组成部分，也必须考虑对端到端传输服务质量保　

证的问题。现已有一些初步工作开始考虑无线传感器网络　

上的ＱｏＳ路由问题，￣ｚｌ３Ｔｉａｎ　Ｈｅ等人根据控制理论思想提　

出的ＳＰＥＥＤ【　协议就考虑了软实时性保证问题。　

另一方面，由于无线传感器网络与物理通信环境的　

耦合程度远高于其他网络，而无线传感器网络的物理通信　

环境较为复杂，且动态性较强。为了有效的节省能量，保　

证传输的可靠性，无线传感器网络的路由协议设计上应该　

考虑物理通信环境的特点，如：射频传播不规则性，多径　

衰落现象等。　

３ｌ２．３节能多址接入技术　

媒体多址（ＭＡＣ）接入技术是无线传感器网络可　

靠通信的保证，由于无线传感器网络的特点，使得其上　

ＭＡＣ协议设计与传统网络ＭＡＣ协议设计有很大不同，　

也带来了新挑战，现已有大量工作关注于无线传感器网络　

ＭＡＣ协议设计。　

最大化网络生命期是无线传感器网络设计目标。因　

此，其ＭＡＣ协议设计应该以尽可能节省不必要能量浪费　

为目的。对于无线传感器网络，能量浪费主要来源于下面　

几个方面：　（１）由于数据包冲突造成的能量浪费，如多　

个节点向同一个节点传输数据造成数据包碰撞，重传从　

而造成能量浪费；　（２）由于不必要侦听造成能量浪费，　

比如一个节点侦听到不是自己的数据包所造成的能量浪　

费；　（３）无线模块长期处于空闲状态所造成能量浪费，　

节点处于空闲状态的能耗可以和接收状态及发送状态的能　

耗比拟，如果节点无线模块长期处于空闲状态就会造成　

大量能量浪费。　（４）由于收发节点没有协调好所造成的　

不必要数据发送，比如当发送端发送数据时，接收端处于　

睡眠状态，此时发送的数据会造成能量的浪费。根据无线　

传感器网络能量有限，节点密度高，环境动态变化快等特　

点，一项好的ＭＡＣ协议应该具备下面的特点：　（１）节省　

能量消耗，延长网络生命；　（２）具有可扩展性，即协议　

的设计应该具有分布式的特点适合于在大规模环境下使