性能功耗评估策略

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1、 第 10 章 性能/功耗评估策略 本章主要针对无线通信网络系统的性能/功耗评估策略，分别讨论低功耗设计方法、功耗优化和分析工具、超低功耗评估策略和实用低功耗设计手段。 全球对“绿色”科技和能源使用效率的需求推动着新一代超低功耗无线网络的发展。这种新一代网络正在不断发展以用于工业和控制应用中基于传感器的远程系统；此外，它也促使更多应用更好地使用无需任何网络电缆或电源线的真正无线解决方案。 用于监视和控制的基于传感器网络并非新概念，现有技术可实现有线和专有无线系统。由于有线方案廉价又简便，因而得以广泛使用；无线方案与之相对，仅限于一些特定的应用。如今，采用仅需极少功耗的设计可使开发这些类型的无线

2、系统成为可能。 新一代无线网络可依靠其电池工作更长时间，并且在应用的生命周期中仅需很少或根本无须维护。未来，能量收集甚至可以提供所需能源，而不再需要电池。 “能量”与所做功的总量相关，而“功率”测量的是做功的速率（单位时间使用的能量） 。在电子学中，能量=功率时间，功率=电压电流。因而，我们所要关注的关键系统参数为电压、电流和时间。具体来说，就是应用在多大电压下运行、要消耗多少电流，以及要运行多久。 本章将从低功耗设计方法、功耗优化和分析工具、超低功耗评估策略、实用低功耗设计手段等方面阐述无线网络低功耗技术。 10.1 低功耗设计方法 低功耗设计方法由无线传感器网络和节点处理器组成。 本节分无

3、线传感器网络和节点处理器两部分介绍低功耗设计方法。 节点处理器低功耗处理技术又分为硬件低功耗和软件低功耗两种。 ?无线通信网络超低功耗技术 372 10.1.1 无线传感器网络低功耗设计方法 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起， 改变了人类与自然界的交互方式。它不同于传统网络，其能量受限制，而且该网络中的节点一般被布置在高危

4、区域或无人值守区域，供电电池在电能耗尽后无法更换，导致节点退出网络。因此，能量的高效性成为无线传感器网络首要的性能指标。 1随机的网络拓扑结构 在军事应用方面、环境监测领域等，由于需要覆盖的区域较广，需要布置大量的侦测终端。又由于通常这些地区充满危险，如在战场上，因此无线传感器网络节点被大量地装在子弹、炮弹壳或各类军事设备中，或由大炮、枪械发射，或由飞机向目标地域抛洒，从而形成大面积的监视网络，用于侦察。正由于这种布置方式，形成的网络拓扑结构也必定是随机的。 2网络能源受限制 在现有的无线传感器网络节点设计方案中，节点都使用电池供电，因此其能源是受限制的。并且由于无线传感器网络的应用领域中，网

5、络大多工作在人迹罕至的区域或高风险的恶劣环境中，更换电源几乎是不可能的事，这就要求网络在工作时功耗要小，以延长网络和节点的寿命，尽最大可能节省电能的消耗。也正是因为这个特点，使得原先设计的一些无线通信网络协议并不适用于无线传感器网络，这些协议在设计时都无须考虑能耗问题。所以，为了处理好能耗问题，无线传感器网络必须拥有符合自身特性的协议。 3网络自组织性 无线传感器网络协议除了要降低节点能耗、延长整个网络的寿命外，还要实现节点的自动组网，并对新入网的节点进行身份验证、防止非法入侵。由于网络的拓扑结构是随机的，节点并非布置在预先指定地点，因此如何配置好整个网络是一大难题。不过无线传感器网络可以借鉴

6、 Ad Hoc（点对点）模式来配置，当然 Ad Hoc 中的协议也不适用，要使整个无线传感器网络工作正常， 前提是要有合适的无线通信协议来保证整个无线传感器网络在无人干预情况下自动运行。 在无线传感器网络中， 数据处理由节点中的处理器模块完成，同时，处理器模块还有数据融合的功能，从而减少无线传输链路中传送的数据量，只有与其他节点相关的信息（路由信息、能量信息等）才在无线链路中传输。自适应性是无线传感器网络的又一特点，由于节点位置是随机的，在整个监测区域中节点密度有大有小，在节点密度较小的区域会由于几个邻居节点能量消耗殆尽而退出网络， 导致其他一些节点因为失去这些邻居节点而无法连入网络，使得部分

7、地区的数据缺失。为了应对可能出现的这第 10 章 性能/功耗评估策略? 373 一情况，配置冗余节点是必要的，这样可以保证在有些节点退出网络后，仍能获得被监视对象比较全面的数据。 4与移动 Ad Hoc 网络的区别 无线传感器网络和传统的移动 Ad Hoc 网络有共通之处，但也存在不少差异。首先，传统的移动 Ad Hoc 网络是面向数据传输的， 如何提高有 QoS 保障的数据传输率是其主要性能指标。而无线传感器网络由于网络中节点能量有限，提高整个网络的生存期是其主要的性能指标。移动 Ad Hoc 网络中的设备是可移动的，而无线传感器网络中节点一般是静止的，前者通过移动的网络设备来获取各方数据，

8、后者则通过高密度覆盖被测区域来获取数据。 5网络安全协议问题 WSN 通常部署在无人维护、不可控制的环境中，除了具有一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、拒绝服务等多种威胁外，WSN 还面临传感器节点容易被攻击者物理操纵，并获取存储在传感器节点中的所有信息，从而控制部分网络的威胁。因此在进行WSN 协议和软件设计时，必须充分考虑 WSN 可能面临的安全问题，并把安全机制集成到系统设计中去。只有这样，才能促进传感器网络的广泛应用，否则，传感器网络只能部署在有限、受控的环境中，这和传感器网络的最终目标实现普遍性计算并成为人们生活中的一种重要方式是相违背的。 大规模传感器网络可扩展性。无线传感器网

9、络的节点数量通常被设计为 10 000100 000，并且绝大多数节点是静止的（除了部署在海洋表面或军用遥控移动等环境中的节点） ，因此大或超大的网络节点密度对可扩展性是一个挑战。 网络的自动配置、自动康复和维持系统能量有效性。无线传感器网络被布置在无人值守的环境中时，更换能源几乎不可能，为了节约能源，发射功率要尽可能小，传输距离要短，节点间通信需要中间节点作为中继。在地震救灾或无人飞行器中，网络的自动配置和自动康复功能显得异常重要， 而大规模的多跳无线传感器网络系统的可测量性也是一个关键问题。实现可测量性的一种方法是“分而治之” ，或者说分层控制，即用某种簇标准将网络节点分成簇组，在每个簇中

10、选出一个作为簇头，它在比较高的层次上代表本簇；同样的机制也应用到簇头中，使之形成一个层次，这个层次中，每个级别应用当地控制去实现某个全局目标。 6节点的微型化 由于无线传感器网络中节点数量众多，要降低成本，节点必须缩小体积。另外，由于无线传感器网络应用于军事领域等，因此节点的微型化成为一个重要的技术指标。 7系统功耗问题 目前真正阻碍无线传感器网络发展的是功耗问题，而这也正是目前的研究热点。无线通信主要有四种工作模式：发送模式、接收模式、空闲模式和睡眠模式。电能主要消耗在?无线通信网络超低功耗技术 374 前三个模式中，另外还有启动功耗。由于能量受限，制约着 WSN 的发展，所以国内外研究的热

11、点也集中在如何降低 WSN 的能耗上。目前分为以下几类主要技术。 （1）物理实现。物理实现指的是设计低功耗的无线传感器节点。节点一般分为四个模块：处理器模块、无线通信模块、传感器模块和能量供应模块。要实现节点的低功耗，在处理器模块的选择上，处理器芯片必须功耗低，而且支持睡眠模式。处理器功耗主要由工作电压、系统时钟及制作工艺决定。工作电压越高、运行时钟越快，其功耗也越大。而如果处理器支持睡眠模式， 一般在睡眠模式下， 处理器会关闭内部运行时钟及其他耗电部分，从而达到省电的目的。根据现在的电池技术的发展水平，要使节点长时间保持工作状态是不可能的。目前使用两节 5 号电池的基于 AVR 单片机的无线

12、传感器节点，满负荷工作只能持续十几小时。而一般要求节点保持半年的工作时间，因此节点必须长时间处于睡眠模式才能达到。无线通信模块消耗的能量在整个节点中占主要部分，所以构建节点前，必须首先考虑所选无线通信模块的工作模式和收发能耗；其次，节点的无线通信模块必须是能量可控的；最后，对于支持低功耗待机监听模式的技术要优先考虑。 （2）MAC 层协议。在无线传感器网络中，介质访问控制（Medium Access Control，MAC）协议决定了网络中无线信道的使用方式，提供有限的无线通信资源给网络中的节点竞争，构建了无线传感器网络系统的底层基础结构。MAC 协议处于网络协议七层模型的底层部分，对无线传感

13、器网络的性能有较大的影响，是保证网络高效运行的关键网络协议之一。在设计无线传感器网络 MAC 层协议时，首先考虑的是网络的节能效率，由于无线传感器网络中的节点是由电池供电的，能量有限，因此节约能量是设计时首要考虑的因素。研究人员通过大量的实验和理论分析论证，归纳出可能造成网络中节点能量浪费的几方面原因。 竞争信道消耗。节点发送或接收数据使用共享的无线信道，可能引起多个节点之间发送的数据发生碰撞，而一旦发生碰撞现象，为了保证数据的完整性，节点必须重传数据，这也就造成了节点的能量浪费。 串音现象。即节点接收处理冗余数据，即大量相同或近似数据导致能量的浪费。 过度的空闲侦听。节点除了发送数据外，其他

14、时间都处于空闲状态，以便侦听信道，随时准备接收可能传输给自己的数据。 控制信息开销。节点在传输数据时会加入一些额外的控制信息，从而加长了数据帧长度，数据量的增加造成了额外的能量开销。 基于上述原因，无线传感器网络协议为了减少节点的能量消耗，通常采用“侦听/睡眠”工作状态切换的机制。当节点要发送数据时，就开启无线通信模块进行数据传输。若没有数据要发送，并通过和邻居节点同步，协调睡眠和侦听的周期后，就关闭各模块进入睡眠模式，从而节省节点能耗。如果采用基于竞争方式的 MAC 协议，在设计时还要考虑减小数据碰撞的概率。MAC 协议力求算法简单高效，避免能量开销过大。 （3）路由层协议。路由层协议负责将

15、源节点采集到的数据分组通过建立的传输路径传送到目的节点。 路由层协议工作机制主要包括通过寻找源节点和目的节点之间的路径建立路由表，并从路由表中选择最优的路径进行数据传输。最优路径对于传统的无线网络和无第 10 章 性能/功耗评估策略? 375 线传感器网络有很大的不同， 传统的无线网络路由层协议将目的节点和源节点之间的最短路径作为最优路径；而无线传感器网络中由于节点能量有无线传感器网络节点低功耗设计，所以将在传输中消耗能量最少的路径作为最优路径。这种差异导致传统的无线网络路由协议不适应于无线传感器网络。无线传感器网络需要符合自身特点的路由协议，设计中首要考虑的因素就是能量的高效性。 无线传感器

16、网络路由协议不仅要选择能量消耗小的数据传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量消耗均衡的路由。又由于传感器节点的资源有限，传感器网络的路由协议要能简单而且高效地实现信息传输。路由协议主要可以从以下三个途径达到节省能量的目的： 利用最优能量消耗路径或最长路径生存期路径进行数据传输； 在查询信息时，利用数据融合减少查询信息，达到减少传输数据量从而节省能量的目的； 把节点的位置信息作为路由选择的依据，不仅能够完成节点路由功能，还可以降低系统专门维护路由协议的能耗； （4）数据融合。在无线传感器网络中，数据融合的作用非常显著，主要体现在三个方面：节省整个网络的能量、增强所收集数据的准确性及提高收集数据的效率三个方面。数据融合之所以能够节省整个网络的能量，关键在于该技术能够消除冗余数据。冗余数据来源于监测区域的相互重叠。无线传感器网络通过布置大量节点覆盖监测区域。由于单个节点的无限通信装置的通信范围及能量的限制， 导致监测范围和可靠性有限， 为了弥补这一缺陷，在部署网络时，通过增加监测区域的节点密度