1、无线传感器网络能量管理 无线传感器网络的能量管理 班级：信息1502 学号：2015485 姓名：张蕊 1 进行能量管理的原因无线传感器网络节点密度大，一般部署在恶劣环境中，能源通常很难替代，节点能量供给大都是采用电池供电方式，并要求工作相当长的时间。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的能量成为无线传感器网络软、硬件设计中的核心问题。通过能量管理机制尽量减少节点的能量消耗，可有效延长节点的工作时间和网络的整体寿命，达到应用的需求。因为节点的能量非常有限，所以能量消耗是WSN重点关注的问题。事实上，所有的无线设备都面临能量不足的问题，而以下原因使得WSN的能耗问题更加严重：
2、1.与其承担的感知、处理、自主管理和通信等复杂功能相比，节点的体积非常小，难以容纳大容量电源。2.一个理想的无线传感器网络由大量节点组成，因此，不能通过人工方式更换节点电池或者给电池充电。3.虽然学术界正在研究可再生能源和自动充电机制，但节点太小仍然是限制其应用的因素。4.部分节点失效可能会导致整个网络过早地分离成一些子网。在实现无线传感器网络能量管理方面普遍从每个节点出发，除了在无线传感器网络节点设计过程中采用低功耗硬件之外，还通过动态能量管理等技术使系统各个部分运行在节能模式，可以节约大量的能量。另外，还可以针对无线传感器网络不同应用进行专门的优化，并采用软、硬件整合设计、跨层网络协议设计
3、等一体化能量管理方案来为无线传感器网络节能。2 无线传感器网络节点的能耗分析一个传感器节点主要由四部分组成：电源、传感器、处理器和射频模块。传感器感知各种信息，包括温度、湿度、压强、化学物浓度等物理量，然后交由处理器进行信息的处理和融合，最后通过射频模块对信息进行转发。传感器节点的射频模块不仅仅负责接收或发送数据包，还负责侦听通信信道，或控制射频模块的开/关以进入工作或休眠状态。除了产生能量的电源模块以外，传感器、处理器和射频模块都是传感器节点的能耗源。下面就这三个构成部分来详细分析它们对节点能耗所产生的影响。(1)传感器的能耗主要来源于：变换器、前端处理与信号调节、模数转换器。传感器的种类很
4、多，测量不同的物理量时传感器所需要的能耗不同：感应温度和感应声音所需消耗的能量不同，感应声音和感应图像所需消耗的能量也不同。根据能量消耗量，传感器可大致分为三类：低能耗类：温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、加速度传感器；中等能耗类：声传感器、磁传感器；高能耗类：图像传感器、视频传感器。此外，感应的时间长短不同，传感器所需要的能耗也不同；环境的复杂性同样决定了传感器节点感应外部环境信息所需的能耗。但是总体而言，感应所消耗的能量要远小于通信所消耗的能量。(2)在传感器节点中，数据处理的能耗要远小于通信所需的能耗。假设无线信号衰落服从的瑞利衰落，在100米距离上传输1KB的数据所需要的能量大概与在
5、100MIPS/W处理器上执行三百万个指令所需要消耗的能量相当。而在一些大型的传感器网络中，节点数目众多，它们产生的数据包数相当大，在节点上进行一定的数据处理能在少量增加处理器能耗的基础上大量减少数据的通信量，因此是减少传感器节点能耗的有效途径之一。(3)由上述对感应单元和处理单元的分析可知，传感器节点最大的能耗源是射频模块。经过对Telosb节点的简单测试可以发现，Telosb在工作状态下的能耗远大于休眠时的能耗：节点处于传输状态时的能耗为接收状态时能耗的2倍多。传感器节点在空闲、接收、传输这三种模式下的能耗比率为l：1：2.7。指出传感器节点处于空闲侦听状态下所消耗的能量占整个能量消耗的9
6、0以上。由此可见，射频模块在传输和接收模式下消耗能量最多，在空闲模式下运行也很浪费，因为射频电路在空闲状态下仍然处于开启状态，它对无线电信号进行持续的侦听来探测数据包的传入。因此，需要在没有数据包传输的情况下关闭射频模块，让传感器节点处于休眠状态以减少能耗。然而，射频的开启或是关闭同样需要消耗能量。3 局部能量管理了解无线传感器节点中不同的子系统是如何消耗能量的，是开发一个局部能量管理策略的第一步。可以利用该信息来避免无用活动，并对如何节约能量进行安排。而且，它可以用来评估节点能量的整体消耗速率，以及该速率是如何影响整个网络的生存期的。下面将对构成一个节点的不同子系统进行详细的介绍。3.1 处
7、理器子系统大多数现有的处理子系统都使用微控制器，尤其是英特尔的Strong ARM处理器和Atmel的AVR处理器。通过配置，这些微处理器可以工作在不同的电源模式下。例如，ATmega128L微处理器有六种不同的电源模式：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。空闲模式是在允许SRAM、计时器/计数器、SPI端口和中断系统继续工作的同时，停止CPU工作。掉电模式是在下一次中断到来或者硬件复位之前，保存寄存器的内容，冻结振荡器，并禁用其他所有芯片功能。在节能模式下。异步计数器继续工作，这样可以在其他部件进入休眠状态的同时，使用户仍能保持一个基准时间。ADC降噪模式则
8、是停止除了异步时钟和ADC模块外的CPU和所有I/O模块工作。这样可以将ADC转换时的噪音降到最低。在待机模式中，仅有一个水晶/谐振器振荡器工作，其他设备均进入休眠状态。这样可以快速启动而消耗非常少的能量。在扩展待机模式中，主振荡器和异步时钟都继续工作。除了上述配置，处理器子系统还可以在不同的电压和时钟频率下工作。尽管让处理系统工作在不同的模式下可以有效地节省能量，但是模式间的转换也需要能量，并会产生延迟代价。在设计某种特定的工作模式之前，必须先考虑这些问题。3.2 通信子系统通信子系统的能量消耗受到多方面的影响：包括调制类型和调制系数、发射机的功率放大器和天线效率、传输距离和传输速率，以及接
9、收机的灵敏度。其中一些属性可以动态配置。此外，通信子系统可以自主启动或关闭发射器和接收器，或者两个操作都执行。通信子系统中存在大量活动的元件（如放大器和振荡器），因此，即使在设备空闲时，系统中也存在大量的静态电流。确定最有效的活动状态的运行模式并不是一件简单的事情。例如，单纯降低发射频率和功率不一定能降低发射器能耗。原因是，传输数据所需要的有效功率和功率放大器上以热量形式耗散的能量之间存在一个平衡。通常，浪费的能量（以热量形式）随着发射功率的降低而增加。事实上，多数商用发射器只在一两个发射功率上可以高效地工作。若发射功率低于一定水平，放大器的工作效率则迅速下降。一些廉价的收发器，即使工作在最大
10、发送功率模式，也会有超过60%的直流电源功率以热量形式浪费掉了。能量问题面临的另一问题是，通信子系统从空闲模式或者待机模式转换到运行模式需要一定的时间。这个转换会带来延迟，也需要能量。例如，Chipcon公司收发器的频率合成器的锁相回路（PLL）需要192us来上锁。通信子系统从空闲或等待状态过渡到工作状态是需要时间的，由此产生的能耗或带来另一个能量问题。状态的转换会产生延迟，比如，Chipcon公司的收发器频率合成器的锁相环（PLL）需要192微秒来锁相。3.3 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。能量取决于通信的频率和宽带。这两个值可以根据交互的类
11、型来最优化，但是总线协议时序通常是为特定总线频率而最优化的。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。3.4 主动式存储器主动式存储器是由电子元件按照行和列排列而成的，每一行形成一个独立的存储体。为了存储数据，这些元件必须定期刷新，刷新频率和刷新间隔可以用来衡量必须要刷新的行的数量。低刷新间隔对应一个必须在刷新操作发生之前完成的低时钟频率，反过来，高刷新间隔对应一个必须在刷新操作发生之前完成的高时钟频率。考虑两个典型的值，2K和4K。刷新间隔为2K时，可以刷新更多的单元并且操作能完成的更快，因此它比4K的刷新率消耗更多的能量。刷新率为4K时，存储器刷新步调低，刷新单
12、元少，但是能耗低。通过设置，一个记忆单元可以工作在以下能量模式中：温度补偿自刷新模式、局部阵列自刷新模式或者掉电模式。存储单元的标准刷新率可以根据它周围环境温度来调整。为此，一些商用的动态RAM(DRAM)已经集成了温度传感器。除此之外，整个存储阵列不需要存储数据时，也可以提高自刷新频率。一次数据存储一般只使用部分存储阵列，因此可以将刷新操作限制在需要存储数据的那部分阵列中，这就是部分阵列自刷新模式。如果没有存储要求的话，则可关闭大部分或整个板载内容阵列的电源。内存时序是另一个影响内存能量消耗的参数，它是指与访问内存单元相关的延迟。在处理器子系统访问特定内存以前，首先要确定特定的行或存储体，然
13、后再用一个行地址选通信号(RAS)将其激活。激活后，可以一直访问该单元，直到用完数据。激活存储单元中的一行所需要的时间是tRAS，该值相对而言很小，但如果设置错误的话，整个系统的稳定性都会受到影响。一个存储单元由列地址选通信号（CAS）激活。从一列或一个存储单元被选中到数据开始读写的时间差记为tRAS，该时间可长可短，取决于存储单元如何被访问。如果是顺序访问的，就可以不用考虑。但如果存储单元是随机访问的，就要先释放正在被访问的列，然后才能选中新的列。在这种情况下，tRAS会造成极大的延时。在列地址选通信号（CAS）和有效数据到达数据端口之间的延时称为CAS延时。CAS延时越低，性能越好但能耗越
14、高。停止访问一行并选中下一行所需的时间称为tRP。结合tRCD，切换行并选中需要读写或刷新的下一个单元所需的时间可表示为tRP+tRCD。选中和预加电之间的时间差称为tRAS，用它来衡量下一个存储器选中之前处理器所需等待的时间。表3.1列出了描述RAM时序的参数。 表3.1 RAM时序的参数 参数 描述 RAS行地址选通或行地址选择 CAS列地址选通或列地址选择 tRAS预加电与激活一行之间的延时 tRCD从RAS到CAS访存时间访存需要的时间 tCLCAS时延 tRP从一行到下一行需要的时间 tCLK时钟周期的持续时间 指令率芯片选择时延 等待时间数据可以从内存中读写所用的全部时间当用时钟逻
15、辑访问RAM时，RAM中的时间通常会取最接近的时钟周期。例如，当一个100MHz（时钟周期为10ns）的处理器访问RAM时，一个周期为50ns的SDRAM进行首次读操作时需要5个时钟周期，在进行同样容量的后续操作时需要2个时钟周期。通常用“5-2-2-2”来描述这一时序。3.5 电源子系统电源子系统用于给其他所有的子系统提供能源。它由电池和DC-DC转换器构成，某些电源系统还包括变压器等额外部件。DC-DC转换器负责将主电压转换为各个部件正常工作所需的电压。转换可以使降压过程（buck）,也可以是升压过程（boost）,或者是升降压之间转换过程（flyback），这取决于各个子系统的需求。不过
16、，转换也需要消耗能量，而且转换效率可能也不高。3.5.1 电池无线传感器节点是电池供电的，电池的电量有限。影响电池质量的因素有多种，但是最大的因素是成本。在大范围内部署WSN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。电池容量以安培时来定义，符号是C。这个定义描述了一个电池在为显著影响额定电源电压（或电压差）前提下的放电速率。事实上，随着放电速率的增加，额定容量不断减小。大多数便携式电池的额定值为1C,意思是当以1C的速率放电时，电池能在一个小时内连续提供1000mA的电量。实际上，电池的运行情况要比上面描述的差。通常用普克特方程来定量描述电池容量的误差，即电池的实际持续时间： 其
17、中，C是电池的理论电量，单位为安培时；I是电流消耗，单位为安培；t是电池的放电时间，以秒为单位；n是一个与电池内阻直接相关的普克特常数。普克特常数的值表明了电池在大电流放电时的性能。n接近于1，说明电池的性能良好。当电池在大电流下放电时，n越大电量就损失的越多。电池的普克特常数通过实验获得，例如铅蓄电池的n值在1.3-1.4之间。当拉电流速率比放电速率要高时，电流的消耗速率高于电解液中活性物质的扩散速率。如果这一过程持续较长时间，就会导致当电解液还有活性物质时，电极的活性物质就消耗完了。这种情况可以通过间歇性的拉电流来解决。3.5.2 DC-DC转换器DC-DC转换器的作用是实现电压间的转换，
18、它与AC-AC转换器的转换功能类似。DC-DC转换器的主要问题是转换的效率。典型的DC-DC转换器由电源、开关电路、滤波电路和负载电阻构成。理想状态下开关电路并不能消耗能量。然而在实际情况中，由于有阻性元件，开关电路存在功耗。因此一个典型开关电路的效率在70%-90%之间。4 动态电源管理4.1动态操作模式根据正在进行和将要进行的活动，经过设置，一个无线传感器节点的子系统可以工作在不同的电源模式下，在这前面的小节中已经进行了阐述。假设在通常情况下，一个子部件有n种不同电源模式。如果x个部件都有n种不同的电源模式，那么一个DPM策略就有xn种不同的电源模式配置方式，记为Pn。显然并不是所有的配置
19、都是合理的，因为还要考虑各种各样的限制和系统的稳定性要求。因此DMP策略的任务就是选出符合无线传感器节点活动需求的最优配置。在选择特定电源配置时，有两个相关问题要解决：1.在两种电源配置间进行切换时会消耗额外的能量；2.切换存在延时，有可能会错过感兴趣的事件。 表4.1给出了一个存在六种不同电源模式的DMP策略的例子：P0，P1，P2，P3，P4，P5。 表4.1 节能配置 配置 处理器 内存 感知子系统 通信子系统 P0 活动 活动 开 发射/接收 P1 活动 开 开 开（发射） P2 空闲 开 开 接收 P3 休眠 开 开 接收 P4 休眠 关 开 关 P5 休眠 关 关 关选择特定的能量
20、模式既要考虑现在的状态，也要考虑不同硬件组件队列中预定的任务。根据实际情况估计未来的任务，可以确定把相关组件置于正确能量模式上需要的时间，从而可以用最小的延迟来处理任务。同样，如果估计得不准确，会使节点错过感兴趣的事件，或者增加响应延迟。在WSN中，网络外部的事件，如管道中的泄露、结构中的断裂、农场中的瘟疫等，不能当做确定性事件来建模，否则就没必要部署监控系统了。因此，对事件发生的估计应该是概率性的。传感任务的信息可以用来建立一个预测事件发生率和持续时间的逼真概率模型。一个精确的事件到达模型能够保证DPM策略提供正确的配置，使节点拥有最长的生存期和最小的能量消耗。4.1.1 状态切换开销假设无
21、线传感节点的每个子系统都只在两个不同的能量模式下工作，即只有开和关两种状态，并且假设从开到关没有能量消耗，而从关到开在能量和时延上都有消耗。如果节点在关闭状态中节省的能量足够大，也就是说，关闭状态节省的能耗相当大并且关闭的时间很长，那么该消耗是可以接受的。量化这些开销并且设置一个切换阈值是很有用的。假设子系统处在关闭状态的最小时间是toff，这段时间消耗的能量是Poff，过渡需要的时间是toff,on，这段过渡时间消耗的能量是Poff,on,在开状态的能量消耗为Pon。则有： （4.1）因此，当满足如下子式的时候，toff是合理的： （4.2）4.2动态调度动态电压调度（DVS）和动态频率调度
22、（DFS）是4.1节讨论的方法的补充。这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，该方法对内存单元和通信总线也同样适用。在大多数情况下，调配给处理器处理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。4.3任务调度在动态电压和频率调度中，DPM策略的目标是自动确定偏置电压（Vdd）的高低和处理器子系统的时钟频率。特定电压或频率的选取受一系列因素影响，包括应用程序的等待时间要求和任务到达率等。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，从而浪费能量。然而，实际上，由于处理器的工
23、作量无法预知，估计会有误差，所以不可避免地会有空闲期。5 概念架构一个典型的DPM策略是监控各子系统的活动，并做出最适合的能量配置策略，从而优化整体的功率消耗。并且这个决定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能量策略需要估计任务的到达和处理速度的基准。DMP策略采用集中式还是分布式，也取决于各方面因素。集中式方法的一个优点是它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。分布式的方法允许各个子系统进行局部的能量管理，有很好的可伸缩性，这种做法的问题是局部策
24、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，因而大多数现有的电源管理策略都提倡集中方式。集中式方案的主要问题是决定用哪个子系统来处理任务处理器子系统或电源子系统。直观地说，电源子系统应该执行管理任务，因为它有完整的节点能量储备信息及每个子系统的功耗预算信息。但是该系统缺乏处理器子系统的重要信息，如任务到达速率和各个任务的优先级。还有，它需要有一定的计算能力，目前可用的电源子系统不具备这些特点。多数现有的无线传感器节点体系结构都是以处理器子系统为中心，其他子系统都通过它来相互通信。此外，操作系统在处理器子系统上运行、管理、确定优先级和任务调度等。因此处理器子系统对所有其
25、他子系统的活动有一个较全面的认识，这些特性使处理器子系统适合执行DPM。5.1.1 体系结构概述DPM策略的目标是优化节点的功率消耗，但它不能影响系统的稳定性。此外，也要满足感知数据的质量和延迟的要求。幸运的是，在很多现实场景中，部署WSN都是为了一个特定的任务，这项任务不会改变或者只会逐渐改变。因此，DPM的设计师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订适当的策略。系统的硬件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。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，局部电源管理策略定义这些电源模式转换的规则。该规则可以用一个循环过程来描述，包括三个基本操作：能量监测、电源模式估计和任务调度。影响DPM策略的因素是：硬件体系结构、应用程序及网络环境、能源储备。这些说明了如何将动态电源管理理解为一台在不同状态间转换以响应不同事件的机器，它为任务安排一个任务队列，并监视任务执行时间和能量消耗。根据任务完成的速度，它估计新的能量预算并转换电源模式。当有系统支持的电源模式估计的功率预算有误差时，DPM策略会采用更高级的电源模式。
