2024年5月16日发(作者:利斯乔)
维普资讯
程中的节能研究
.了
日,湖南娄底410331)
网络通信过程中的能量消耗,最终达到有效延长节点
5-
活跃 开启 接收 751.6
活跃 开启 空闲 727、5
活跃 开启 睡眠 4l6、3
术
活跃 开启 移除 383.3
成
睡眠 开启 移除 64、0
能
活跃 移除 移除 360.0
移
的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的
3.常用的节能算法
利用率,同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线
一
般情况下,除了节点设计中采用低功耗硬件,通
传感器网络中,除了少数节点需要移动以外,大部分节
过Dynamic Power Management等技术使系统各个部分
点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣
都运行在节能模式下也可以节约大量的能量。最常用的
甚至危险的远程环境中,设计有效的策略延长网络的生
电源管理策略是关闭空闲模块。在活跃状态下,则可以
命周期成为无线传感器网络的核心问题。目前的技术水
采取Dynamic Voltage Seal ing技术来节约能量。在大
平下电池容量难以有大幅度提高,而且在许多应用中,
多数无线传感器节点上,计算负载是随时间变化的,因
更换电池是不现实的(如军事应用)做法,根据无线传感
此并不需要微处理器所有时刻都保持峰值性能。DVS技
器网络不同于其它网络的特点,设计新的协议和算法来
术就是利用了这一点,动态改变微处理器的工作电压和
减少网络的能耗就成为了当今无线传感器网络急需解
频率使其刚好满足当时的运行需求,从而在性能和能耗
决的问题。
之间取得平衡。另外,还可以通过软件上进行相应的算
2.无线传感器网络能耗分析
法设计来减少损耗,这就涉及到能量效率算法。
影响无线传感器网络能量损耗的因素很多。不同操
(1)LEACH
作模式之间切换导致电源开销、一般节点采用的调制模
LEACH(1ow energy adaptive clustering hierarchy)是
式、数据率、发射功率和操作周期等都对之带来很大影
MIT的Chandrakasan等人为无线传感器网络设计的低
响。其中,采用低功耗模块、在性能与耗电量之间进行折
功耗自适应聚类路由算法,主要通过随机选择聚类首
中对系统整体功耗影响巨大,而无线收发电路在空闲状
领,平均分担中继通信业务来实现,传感器通过随机数
态和接收状态时的耗电量相差无几,甚至有时出现由于
与闽值对比的方式选择聚类首领,通过聚类首领主动向
传输距离很短,接收时的能耗可能比发送时还大的现
所有节点广播消息,依据接收信号的强度,节点选择它
象。下面我们来看一组实例数据,如表1:
所要加入的组,并告知相应的聚类首领,聚类首领为其
表1
中的每个成员分配通信时隙;在稳定工作阶段,节点持
模MCU功耗(MV)
续采集监测数据,传与聚类首领,进行必要的融合处理
式
传感器
模式口
无线收发电路状态
之后,发送到sink节点,以此实现减小通信业务量、减
发送(功耗:36.3Sw) 1080。5
发送(功耗:19.1Mw) 986,0
低能耗的合理工作模式。
发送(功耗:13.8Mw) 942.6
(2)TEEN
活跃 开启 发送(功耗:3.471 ̄) 815.5
TEEN(threshold sensitive eneryg efifcient sensor
发送(功耗:2.51Mw) 807,5
network protoco1)协议是一种设置敏感阈值实现低能耗
发送(功耗:0.961 ̄) 787.5
的节能协议,它把无线传感网络划分为主动型
发送(功耗:0.30Mw) 773.9
(proactive)和响应(reactive)两种类型,主动型传感
发送(功耗:0,21Mw) 771.1
器网络持续监测周围的物质现象,并以恒定速率发送监
作者简介:钟卫,男,湖南平江人,本科,研究方向:电子信息、电力电子。
一
19—
维普资讯
测数据;而响应型传感器网络只是在被观测变量发生突 传感网络基本网络拓扑可分为三种:它们分别是基
变时才传送数据。在TEEN中定义了硬软两个门限值, 于簇(Cluster)的分层结构、基于网(Mesh)的平面结
以确定是否需要发送监测数据,当监测数据第一次超过 构、基于链(Chain)的线结构。本文以基于簇
设定的硬门限时,节点用它作为新的硬门限,并在接着
(C1uster)的分层结构为例,进行分析。簇头就是分布
到来的时隙内发送它,在接下来的过程中,如果监测数
式处理中心,每个簇成员都把数据传给簇头,在簇头里
据的变化幅度大于软门限界定的范围,则节点传送最新
完成数据处理和融合,然后由其它簇头多跳转发或直
采集的数据,并将它设定为新的硬门限,通过调节软门
接传给用户节点,簇头的通信和计算任务比较繁忙,能
限值的大小,可以在监测精度和系统能耗之间取得合理
量会更快地耗尽,为避免这种情况发生,簇中的成员是
的平衡,达到低能耗的目的。
轮流或者每次选择剩余能量最多的成员做簇头。该算
(3)PEGAGIS
法的基本思想是:数据在传感结点和基站结点之间传
PEGASIS(power-efifcient gathering in sensor
输过程中,在传感器结点和基站结点分别采用不同的
niformation system)由LEACH发展而来,它假定组成网
两种算法,它们是传感结点算法和基站结点算法。通过
络的传感器节点是同构且静止的,节点发送能量递减的
基站结点算法,基站向各传感结点广播会话码,传感结
测试信号,通过检测应答来确定离自己最近的相邻节
点在收到会话码之后,采用本身的算法产生一个密码,
点,通过这种方式,网络中的所有节点能够了解彼此的
通过Non—blocking 0rthogona1Variab1e Spreading
位置关系,进而每个节点依据自己的位置选择所属的聚
Factor技术,在传感结点与簇头之间传输被加密数据,
类,聚类的首领参照位置关系优化出到sink节点的最
同时,为数据添加一个ID号,把数据传向更高一级的
佳链路,因为PEGASIS中每个节点都以最小功率发送
簇头,最后在基站进行数据的解密与认证工作。
数据分组,并有条件完成必要的数据融合,减小业务流
以上是基于对称密钥和Non—blocking Orthog—
量,因此,整个网络的功耗较小。PEGASIS协议的不足之 onal Variable Spreading Factor技术的无线传感网
处在于节点维护位置信息需要额外的资源。
络低能耗高安全的实现方案,在确定低能耗在资源受
(4)多层聚类算法
限的无线传感网络的重要性的基础上,在设计中我们
多层聚类算法是Estrin为传感器网络设计的一 考虑了高效率和小码对称加密算法的安全算法由于资
种新的聚类实现机制,工作在网络中的传感器节点处于
源受限,在一定程度上会牺牲算法某方面的利益,比
不同的层,所处层次越高,所覆盖面积越大,所有节点从
如,码长、加密的环数。为了克服这些缺点,我们引用了
最低层开始通过竞争向高层晋升,目的是为能量较高且
Non—blocking 0rthogona1Variab1e Spreading Fa—
在密集区的节点获得较多的提升机会。 ctor技术,为系统提供了更好的扩频能力,在会话过程
以上的各种节能算法都是基于非对称加密算法和 中,充分利用在不同的时隙,把内存数据块分配到
泛洪(flooding)协议,非对称加密算法由于受计算、能
NOVSF时隙中,通过多路器在基站节点与传感节点之间
源、存储的限制不再适合于无线传感网络的安全要求, 实现这些不规则的数据映射,一定程度上达到低能耗
但是对称的加密算法由于其密码长度和其可用的内存 高安全的目的。
限制,在传感网络运用也涉及到网络的安全,本文是在
尽量减少对称算法缺点和综合Non—blocking Orthogo—
参考文献:
nalVariable Spreading Factor技术的基础上,通过动
【1】叶小荣,产大海.无线通信研究【M】.北京:北京大学出
态的形式改变会话码,达到低功耗安全无线传感网络的
版社,2006,1.
目的。
【2】Thit Minn,Kai—Yeung Sin.Dynamic assignment of or—
thogonal variable—spreading—factor codes in W—CDMA.IEEE o】
4.新型节能算法设计
on Selected Areas in Comnicadons,2000,18(8):1429—1440.
The Economy Energy Research on the Wireless Spreading Feeling 、
Network Correspondenee Process
Zhong Wei
(FengRi Electricity Group,Loudi 410331,Hunan)
【^h岫 】This etxt discusses on how to pass hte economy energy mecharifsm to reduce a wireless to spread hte energy
within the feeling network correspondence process depletion,end attain valid extension work time of the node and the
wholelife spanofthenetwork.
[1[r/ ̄nll】wireless;spread feeling network;correspondence:economy eneryg
一
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2024年5月16日发(作者:利斯乔)
维普资讯
程中的节能研究
.了
日,湖南娄底410331)
网络通信过程中的能量消耗,最终达到有效延长节点
5-
活跃 开启 接收 751.6
活跃 开启 空闲 727、5
活跃 开启 睡眠 4l6、3
术
活跃 开启 移除 383.3
成
睡眠 开启 移除 64、0
能
活跃 移除 移除 360.0
移
的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的
3.常用的节能算法
利用率,同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线
一
般情况下,除了节点设计中采用低功耗硬件,通
传感器网络中,除了少数节点需要移动以外,大部分节
过Dynamic Power Management等技术使系统各个部分
点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣
都运行在节能模式下也可以节约大量的能量。最常用的
甚至危险的远程环境中,设计有效的策略延长网络的生
电源管理策略是关闭空闲模块。在活跃状态下,则可以
命周期成为无线传感器网络的核心问题。目前的技术水
采取Dynamic Voltage Seal ing技术来节约能量。在大
平下电池容量难以有大幅度提高,而且在许多应用中,
多数无线传感器节点上,计算负载是随时间变化的,因
更换电池是不现实的(如军事应用)做法,根据无线传感
此并不需要微处理器所有时刻都保持峰值性能。DVS技
器网络不同于其它网络的特点,设计新的协议和算法来
术就是利用了这一点,动态改变微处理器的工作电压和
减少网络的能耗就成为了当今无线传感器网络急需解
频率使其刚好满足当时的运行需求,从而在性能和能耗
决的问题。
之间取得平衡。另外,还可以通过软件上进行相应的算
2.无线传感器网络能耗分析
法设计来减少损耗,这就涉及到能量效率算法。
影响无线传感器网络能量损耗的因素很多。不同操
(1)LEACH
作模式之间切换导致电源开销、一般节点采用的调制模
LEACH(1ow energy adaptive clustering hierarchy)是
式、数据率、发射功率和操作周期等都对之带来很大影
MIT的Chandrakasan等人为无线传感器网络设计的低
响。其中,采用低功耗模块、在性能与耗电量之间进行折
功耗自适应聚类路由算法,主要通过随机选择聚类首
中对系统整体功耗影响巨大,而无线收发电路在空闲状
领,平均分担中继通信业务来实现,传感器通过随机数
态和接收状态时的耗电量相差无几,甚至有时出现由于
与闽值对比的方式选择聚类首领,通过聚类首领主动向
传输距离很短,接收时的能耗可能比发送时还大的现
所有节点广播消息,依据接收信号的强度,节点选择它
象。下面我们来看一组实例数据,如表1:
所要加入的组,并告知相应的聚类首领,聚类首领为其
表1
中的每个成员分配通信时隙;在稳定工作阶段,节点持
模MCU功耗(MV)
续采集监测数据,传与聚类首领,进行必要的融合处理
式
传感器
模式口
无线收发电路状态
之后,发送到sink节点,以此实现减小通信业务量、减
发送(功耗:36.3Sw) 1080。5
发送(功耗:19.1Mw) 986,0
低能耗的合理工作模式。
发送(功耗:13.8Mw) 942.6
(2)TEEN
活跃 开启 发送(功耗:3.471 ̄) 815.5
TEEN(threshold sensitive eneryg efifcient sensor
发送(功耗:2.51Mw) 807,5
network protoco1)协议是一种设置敏感阈值实现低能耗
发送(功耗:0.961 ̄) 787.5
的节能协议,它把无线传感网络划分为主动型
发送(功耗:0.30Mw) 773.9
(proactive)和响应(reactive)两种类型,主动型传感
发送(功耗:0,21Mw) 771.1
器网络持续监测周围的物质现象,并以恒定速率发送监
作者简介:钟卫,男,湖南平江人,本科,研究方向:电子信息、电力电子。
一
19—
维普资讯
测数据;而响应型传感器网络只是在被观测变量发生突 传感网络基本网络拓扑可分为三种:它们分别是基
变时才传送数据。在TEEN中定义了硬软两个门限值, 于簇(Cluster)的分层结构、基于网(Mesh)的平面结
以确定是否需要发送监测数据,当监测数据第一次超过 构、基于链(Chain)的线结构。本文以基于簇
设定的硬门限时,节点用它作为新的硬门限,并在接着
(C1uster)的分层结构为例,进行分析。簇头就是分布
到来的时隙内发送它,在接下来的过程中,如果监测数
式处理中心,每个簇成员都把数据传给簇头,在簇头里
据的变化幅度大于软门限界定的范围,则节点传送最新
完成数据处理和融合,然后由其它簇头多跳转发或直
采集的数据,并将它设定为新的硬门限,通过调节软门
接传给用户节点,簇头的通信和计算任务比较繁忙,能
限值的大小,可以在监测精度和系统能耗之间取得合理
量会更快地耗尽,为避免这种情况发生,簇中的成员是
的平衡,达到低能耗的目的。
轮流或者每次选择剩余能量最多的成员做簇头。该算
(3)PEGAGIS
法的基本思想是:数据在传感结点和基站结点之间传
PEGASIS(power-efifcient gathering in sensor
输过程中,在传感器结点和基站结点分别采用不同的
niformation system)由LEACH发展而来,它假定组成网
两种算法,它们是传感结点算法和基站结点算法。通过
络的传感器节点是同构且静止的,节点发送能量递减的
基站结点算法,基站向各传感结点广播会话码,传感结
测试信号,通过检测应答来确定离自己最近的相邻节
点在收到会话码之后,采用本身的算法产生一个密码,
点,通过这种方式,网络中的所有节点能够了解彼此的
通过Non—blocking 0rthogona1Variab1e Spreading
位置关系,进而每个节点依据自己的位置选择所属的聚
Factor技术,在传感结点与簇头之间传输被加密数据,
类,聚类的首领参照位置关系优化出到sink节点的最
同时,为数据添加一个ID号,把数据传向更高一级的
佳链路,因为PEGASIS中每个节点都以最小功率发送
簇头,最后在基站进行数据的解密与认证工作。
数据分组,并有条件完成必要的数据融合,减小业务流
以上是基于对称密钥和Non—blocking Orthog—
量,因此,整个网络的功耗较小。PEGASIS协议的不足之 onal Variable Spreading Factor技术的无线传感网
处在于节点维护位置信息需要额外的资源。
络低能耗高安全的实现方案,在确定低能耗在资源受
(4)多层聚类算法
限的无线传感网络的重要性的基础上,在设计中我们
多层聚类算法是Estrin为传感器网络设计的一 考虑了高效率和小码对称加密算法的安全算法由于资
种新的聚类实现机制,工作在网络中的传感器节点处于
源受限,在一定程度上会牺牲算法某方面的利益,比
不同的层,所处层次越高,所覆盖面积越大,所有节点从
如,码长、加密的环数。为了克服这些缺点,我们引用了
最低层开始通过竞争向高层晋升,目的是为能量较高且
Non—blocking 0rthogona1Variab1e Spreading Fa—
在密集区的节点获得较多的提升机会。 ctor技术,为系统提供了更好的扩频能力,在会话过程
以上的各种节能算法都是基于非对称加密算法和 中,充分利用在不同的时隙,把内存数据块分配到
泛洪(flooding)协议,非对称加密算法由于受计算、能
NOVSF时隙中,通过多路器在基站节点与传感节点之间
源、存储的限制不再适合于无线传感网络的安全要求, 实现这些不规则的数据映射,一定程度上达到低能耗
但是对称的加密算法由于其密码长度和其可用的内存 高安全的目的。
限制,在传感网络运用也涉及到网络的安全,本文是在
尽量减少对称算法缺点和综合Non—blocking Orthogo—
参考文献:
nalVariable Spreading Factor技术的基础上,通过动
【1】叶小荣,产大海.无线通信研究【M】.北京:北京大学出
态的形式改变会话码,达到低功耗安全无线传感网络的
版社,2006,1.
目的。
【2】Thit Minn,Kai—Yeung Sin.Dynamic assignment of or—
thogonal variable—spreading—factor codes in W—CDMA.IEEE o】
4.新型节能算法设计
on Selected Areas in Comnicadons,2000,18(8):1429—1440.
The Economy Energy Research on the Wireless Spreading Feeling 、
Network Correspondenee Process
Zhong Wei
(FengRi Electricity Group,Loudi 410331,Hunan)
【^h岫 】This etxt discusses on how to pass hte economy energy mecharifsm to reduce a wireless to spread hte energy
within the feeling network correspondence process depletion,end attain valid extension work time of the node and the
wholelife spanofthenetwork.
[1[r/ ̄nll】wireless;spread feeling network;correspondence:economy eneryg
一
20—