通過介紹無線傳感器的一系列介紹之后，現(xiàn)在接著上次的節(jié)點(diǎn)篇，繼續(xù)闡述無線傳感器節(jié)能問題。想要做到節(jié)能，就需要對(duì)系統(tǒng)問題進(jìn)行優(yōu)化，處理好各個(gè)問題的耗能問題，通過計(jì)算，改善系統(tǒng)。

1.單個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能優(yōu)化
在分析了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的組成和能耗特點(diǎn)之后，讓我們看看在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上可以采取哪些措施來節(jié)約能耗。

1) 節(jié)能計(jì)算

除了在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中采用低功耗硬件之外，通過動(dòng)態(tài)電源管理（Dynamic Power Management, DPM）等技術(shù)使系統(tǒng)各個(gè)部分都運(yùn)行在節(jié)能模式下也可以節(jié)約大量的能量。最常用的電源管理策略是關(guān)閉空閑模塊，在這種狀態(tài)下，無線傳感器節(jié)點(diǎn)或其一部分將被關(guān)閉或者處于低功耗狀態(tài)，直到有感興趣的事件發(fā)生。DPM技術(shù)的核心問題是狀態(tài)調(diào)度策略，因?yàn)椴煌臓顟B(tài)有不同的功耗特征，而且狀態(tài)切換也有能量和時(shí)間開銷。

在活躍狀態(tài)下，則可以采取動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整(Dynamic Voltage Scaling, DVS)技術(shù)來節(jié)約能量。在大多數(shù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算負(fù)載是隨時(shí)間變化的，因此并不需要微處理器所有時(shí)刻都保持峰值性能。DVS技術(shù)就是利用了這一點(diǎn)，動(dòng)態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率使其剛好滿足當(dāng)時(shí)的運(yùn)行需求，從而在性能和能耗之間取得平衡。

2) 節(jié)能軟件

如果操作系統(tǒng)、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等系統(tǒng)軟件針對(duì)能耗進(jìn)行了專門的優(yōu)化，那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間也能得到有效的延長(zhǎng)。

在操作系統(tǒng)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)電源管理和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整是最合適的，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)可以獲取所有應(yīng)用程序的性能需求并能直接控制底層硬件資源，從而在性能和能耗控制之間進(jìn)行必要的折衷。操作系統(tǒng)的核心是任務(wù)調(diào)度器，負(fù)責(zé)調(diào)度給定的任務(wù)集合使其滿足各自的時(shí)間和性能需求，通過在任務(wù)調(diào)度中考慮節(jié)能問題可，系統(tǒng)生存時(shí)間可得到明顯的延長(zhǎng)。

鑒于傳輸中不可避免的數(shù)據(jù)丟失，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能根據(jù)當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供不同精度的數(shù)據(jù)，從而獲得一定的彈性。另一方面，監(jiān)測(cè)對(duì)象的屬性是隨時(shí)間變化的，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算和通信需求也隨之改變。這樣，我們就可以在實(shí)時(shí)調(diào)度算法中進(jìn)行某種程度的預(yù)測(cè)，對(duì)能耗進(jìn)行主動(dòng)式的管理。另外，應(yīng)用層可以設(shè)計(jì)成將主要的計(jì)算任務(wù)及早執(zhí)行，然后在算法正常結(jié)束前提前中止，這樣就能在對(duì)數(shù)據(jù)精度影響不大的情況下節(jié)約能耗。

3) 無線收發(fā)電路能耗管理

雖然嵌入式處理器的電源管理已經(jīng)得到深入研究，但無線收發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)卻研究得不夠。由于無線通信占了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗主要部分，因此對(duì)無線收發(fā)系統(tǒng)的能耗管理非常重要。

無線收發(fā)系統(tǒng)電源消耗主要來自兩部分，取決于傳輸距離和調(diào)制參數(shù)的射頻部分以及進(jìn)行頻率合成、濾波等操作的基帶電路部分。無線收發(fā)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)很復(fù)雜，因?yàn)樯漕l部分和基帶電路部分的電源開銷是相當(dāng)?shù)模档蜕漕l部分的速率反而會(huì)導(dǎo)致能耗的增加。另外要考慮的問題是，無線收發(fā)系統(tǒng)的初始化開銷很大，這一切都加大了無線收發(fā)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的難度。關(guān)于無線通信方面的能耗優(yōu)化將在下一節(jié)詳細(xì)討論。

4) 節(jié)能報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)

除了發(fā)送自身感知的數(shù)據(jù)之外，每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)又都是路由器，需要為其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。在典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，無線傳感器節(jié)點(diǎn)接收的大部分報(bào)文（大概有65％）需要轉(zhuǎn)發(fā)給其它節(jié)點(diǎn)。通常情況下，無線傳感器節(jié)點(diǎn)將絕大部分協(xié)議處理功能交由MCU執(zhí)行。這樣，不管其最終目的地是哪里，每個(gè)接收到的報(bào)文都會(huì)經(jīng)過相同的處理步驟到達(dá)計(jì)算子系統(tǒng)并得到處理，導(dǎo)致不必要的能耗開銷。利用智能無線收發(fā)系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文可以直接在通信子系統(tǒng)標(biāo)識(shí)和轉(zhuǎn)發(fā)，甚至在計(jì)算子系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)時(shí)也能正常工作。

2.無線通信的節(jié)能優(yōu)化
與單個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗管理類似，在節(jié)點(diǎn)間通信過程中考慮節(jié)能措施同樣對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的電源使用效率有重要作用，而且，使通信過程對(duì)能耗敏感可以將節(jié)能優(yōu)化的范圍從單個(gè)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展到參與通信的多個(gè)節(jié)點(diǎn)。#p#

1) 調(diào)制模式

在無線傳感器節(jié)點(diǎn)間的無線鏈路上使用的射頻技術(shù)對(duì)無線通信的能量消耗也有重要影響。調(diào)制模式的選擇決定了無線鏈路在總體能耗與靈敏度、延遲等方面的平衡。

調(diào)制級(jí)別直接影響功率放大器的能耗，與DVS類似，根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)改變調(diào)制級(jí)別是節(jié)約能耗的有效手段。由于無線收發(fā)電路的啟動(dòng)開銷較大，因而每次發(fā)送報(bào)文的長(zhǎng)度越大越好，這樣可以將啟動(dòng)開銷平攤到更多的數(shù)據(jù)上，但將數(shù)據(jù)積累到一定長(zhǎng)度再發(fā)送對(duì)信息交換的延遲有影響，需要在兩者之間進(jìn)行平衡。

2) 鏈路層優(yōu)化

負(fù)責(zé)錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正的鏈路層影響報(bào)文的發(fā)送次數(shù)，從而影響系統(tǒng)功耗，特別是對(duì)于與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)等遠(yuǎn)距離通信而言。對(duì)給定的誤碼率(Bit Error Rate, BER)，錯(cuò)誤控制機(jī)制可以減少發(fā)送報(bào)文消耗的能量，但相應(yīng)的增加了發(fā)送者和接收者的處理能耗。總的來說，鏈路層技術(shù)在降低能耗中所起的作用是間接的，好的錯(cuò)誤控制模式可以降低報(bào)文重傳次數(shù)，從而節(jié)約收發(fā)兩端的能耗。

3.整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化
最后，讓我們看看從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度，可以采取哪些措施進(jìn)行能耗優(yōu)化。

1) 流量分發(fā)

對(duì)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，需要從全局上考慮如何將流量從數(shù)據(jù)源傳遞到目的地，這里的重要問題是如何在源和目的地之間找到一條節(jié)能的多跳路由。節(jié)能路由是在普通的路由協(xié)議基礎(chǔ)上，考慮相關(guān)的能耗因素，引入新的與電源消耗有關(guān)的衡量指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)能耗的節(jié)約，這方面已經(jīng)有很多研究成果。

比如，最簡(jiǎn)單的節(jié)能路由協(xié)議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過它傳送數(shù)據(jù)。但這樣未必能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，因?yàn)槟承┨幱陉P(guān)鍵位置的節(jié)點(diǎn)可能被過度使用而導(dǎo)致電源過早耗盡。為避免這種情況，最大最小路由使得節(jié)點(diǎn)的剩余電量盡可能多，即最大化節(jié)點(diǎn)的最小剩余電量。最大最小路由更多的考慮了電池的剩余電量，而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量，一個(gè)很自然的改進(jìn)思路是可以將兩種方法結(jié)合起來，定義一個(gè)電源開銷函數(shù)，綜合考慮兩種策略。

2) 拓?fù)涔芾?/p>

在典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署中，節(jié)點(diǎn)密度都比較高，因?yàn)樘岣吖?jié)點(diǎn)密度可以提高結(jié)果的精確度，但如果系統(tǒng)生存時(shí)間更重要的話，就可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行管理，利用相對(duì)較少的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。這樣，除了減少計(jì)算復(fù)雜度之外，也降低了通信開銷，因?yàn)闆]有參與跟蹤的節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。如果硬件支持可變發(fā)射功率的話，采用低的發(fā)射功率也能夠降低網(wǎng)絡(luò)電源開銷，同時(shí)緩解共享空間信道的競(jìng)爭(zhēng)，提高網(wǎng)絡(luò)容量。拓?fù)淇刂朴袑ｉT的討論，這里就不多說了。

3) 計(jì)算和通信的折衷

除了智能的路由和拓?fù)涔芾韰f(xié)議，縮減數(shù)據(jù)流長(zhǎng)度也是有效的節(jié)能手段。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)的高密度，使得同一時(shí)間被多個(gè)微傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)感知并捕獲處理，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)采集的冗余性。在選定節(jié)點(diǎn)將一定區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚或者融和，然后再將結(jié)果傳送出去，不但可以提高事件/數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的可靠性，也可有效降低通信流量，從而節(jié)約能耗。

4.結(jié)束語
作為極具潛力的一種技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在未來幾年必將得到廣泛的應(yīng)用，而由于節(jié)能在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中所處的核心地位，節(jié)能技術(shù)水平將伴隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而不斷提高。未來，節(jié)能技術(shù)的研究將進(jìn)一步與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特定應(yīng)用聯(lián)系起來，針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行專門的優(yōu)化。同時(shí)，軟硬件整合設(shè)計(jì)、跨層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)等一體化節(jié)能設(shè)計(jì)思路將得到廣泛應(yīng)用。