無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在眾多領(lǐng)域里有著廣闊的應(yīng)用前景，是目前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)之一。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量有限且應(yīng)用的環(huán)境條件復(fù)雜，使得節(jié)點(diǎn)難以進(jìn)行能量的補(bǔ)充。因此，如何高效使用各節(jié)點(diǎn)有限的電池能量并盡力延長整體網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間成為傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源嚴(yán)重受限，采集的數(shù)據(jù)格式單一、信息量少，因而處理簡單，相對(duì)于無線通信能耗，在計(jì)算方面消耗的能量相對(duì)較少。因此，大部分的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能研究主要集中在通信模塊上面，并且一般

2、從網(wǎng)絡(luò)層面角度設(shè)計(jì)能量管理策略。然而，隨著無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)等多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，由于采集的信息豐富且格式復(fù)雜，需要壓縮、識(shí)別、融合等多種處理以滿足多樣化應(yīng)用需求，使得用于計(jì)算的能耗急劇增加，在這種情況下，計(jì)算節(jié)能設(shè)計(jì)和通信節(jié)能設(shè)計(jì)是同等重要的。因此，本文的研究側(cè)重于節(jié)點(diǎn)級(jí)計(jì)算和通信節(jié)能算法的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮CPU和無線收發(fā)器這兩個(gè)主要耗能部件的的功耗管理方法。由于節(jié)點(diǎn)是形成傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)級(jí)的節(jié)能研究能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)層面的節(jié)能協(xié)

3、議與優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)，做好技術(shù)準(zhǔn)備。另外，從研究的系統(tǒng)性及遞進(jìn)性考慮，也對(duì)節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制問題做了積極的探索。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W(wǎng)絡(luò)有不同程度的服務(wù)質(zhì)量要求，如實(shí)時(shí)性、可靠性等。因此，設(shè)計(jì)能耗低同時(shí)又能靈活有效支持服務(wù)質(zhì)量的節(jié)能算法，對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化具有非常重要的意義。本文在進(jìn)行計(jì)算與通信節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮滿足信息處理與傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求；在引入節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制時(shí)，重點(diǎn)考察對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的影響。在

4、這些性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)約束下，結(jié)合主流的節(jié)能技術(shù)手段對(duì)能耗與服務(wù)質(zhì)量支持進(jìn)行了深入系統(tǒng)地研究。 本文的主要貢獻(xiàn)如下： 1.計(jì)算節(jié)能算法研究首先，以多任務(wù)、多跳網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，針對(duì)動(dòng)態(tài)功耗在總功耗中占主導(dǎo)地位的CPU，從節(jié)點(diǎn)CPU的混合任務(wù)調(diào)度分析出發(fā)，在保證任務(wù)實(shí)時(shí)性的前提下，結(jié)合動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)，提出兩個(gè)低功耗實(shí)時(shí)調(diào)度算法： ①基于任務(wù)最壞執(zhí)行時(shí)間來計(jì)算任務(wù)CPU處理速度的靜態(tài)低功

5、耗調(diào)度算法： ②將任務(wù)在實(shí)際執(zhí)行過程中產(chǎn)生的空閑時(shí)間，分配給余下將要執(zhí)行的任務(wù)，進(jìn)一步調(diào)整其處理速度，即動(dòng)態(tài)低功耗調(diào)度算法。 另外，深亞微米技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致了漏電功耗的指數(shù)性增長。對(duì)于部分采用深亞微米技術(shù)的CPU，動(dòng)態(tài)功耗和漏電功耗的比重相當(dāng)，在這種情況下，采用傳統(tǒng)的忽略漏電功耗的DVS技術(shù)無法有效降低總體能耗。針對(duì)此問題，提出了將DVS和動(dòng)態(tài)功耗管理(DPM)相結(jié)合的雙效節(jié)能延遲調(diào)度算法。從相對(duì)截止期小于等于周期的實(shí)時(shí)

6、任務(wù)調(diào)度出發(fā)，以CPU總能耗最小的處理速度為參照標(biāo)準(zhǔn)，通過調(diào)整任務(wù)在DVS方法下獲取的CPU處理速度來尋找動(dòng)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(wù)的延遲調(diào)度將CPU空閑時(shí)段加以合并，采用DPM方法使CPU在空閑時(shí)段有選擇性地進(jìn)入低功耗狀態(tài)，進(jìn)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(diǎn)的總能耗中所占比例較大，采用動(dòng)態(tài)調(diào)制縮放技術(shù)(DMS)可以獲得顯著的能量節(jié)約，但會(huì)引入不同程度的

7、時(shí)延。根據(jù)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(wù)模型為對(duì)象，在保證任務(wù)傳輸實(shí)時(shí)性的前提下，設(shè)計(jì)了兩類啟發(fā)式低功耗調(diào)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(diǎn)對(duì)象。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，采用啟發(fā)式算法，結(jié)合DMS技術(shù)，給出了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種低功耗調(diào)度算法對(duì)任務(wù)集進(jìn)行可調(diào)度分析和調(diào)制級(jí)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(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，

8、需要對(duì)發(fā)射功耗和電路功耗加以權(quán)衡，由于過低的調(diào)制級(jí)別即便滿足實(shí)時(shí)性約束，但過大的時(shí)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(gè)別任務(wù)的發(fā)送調(diào)制級(jí)別適當(dāng)提高。對(duì)任務(wù)調(diào)制級(jí)別的調(diào)整會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的空閑時(shí)段，可以采用DPM方法做進(jìn)一步得優(yōu)化。因此，對(duì)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(dòng)態(tài)兩種低功耗調(diào)度算法，有效降低了收發(fā)器能耗。 3.節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度研究傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)事件的偶發(fā)性，及節(jié)點(diǎn)部署

9、的冗余性，啟發(fā)我們利用網(wǎng)絡(luò)中冗余節(jié)點(diǎn)交替工作的休眠調(diào)度機(jī)制，最大限度地延長傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問題，決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理世界的監(jiān)測(cè)能力。因此，節(jié)點(diǎn)休眠相關(guān)參數(shù)的設(shè)定不能破壞網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。本文采用隨機(jī)部署方式、隨機(jī)休眠方案，給出了用于計(jì)算網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)預(yù)期覆蓋率和事件檢測(cè)質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型。該模型不依賴節(jié)點(diǎn)位置信息，節(jié)省了硬件成本及節(jié)點(diǎn)間交換位置信息所花費(fèi)的通信開銷。并且，模型特別考慮了覆蓋區(qū)域的邊界效應(yīng)，從