沈阳理工大学学士学位论文
的技术问题。 2.6.1 功耗问题
作为一种微电子设备，无线传感器节点只能配置电池，电池电量一般小于0.SAh，电压为1.2v-3.3V。在一些具体应用中，电池更换是不现实的。
所以，节点生命期严重依赖于电池供电的持续时间。在WSN中，每个节点都起着数据采集器和路由器的双重作用。一些节点的故障会引起拓扑的明显变化，可能要求重建路由或重组织网络。所以，能量保护和能量管理至关重要。传感节点的主要功能是感知、处理和数据传输，其能耗也主要分布在这三个方面。感知能耗与具体应用环境中携带的不同传感单元有关。通信能耗在节点能耗中比例最大，需要考虑启动功耗、接收功耗和发送功耗，无线电收发器能耗公式如下:
Pc?NT?PT?TOn?Tst??POUTTOn??NR?PR?ROn?RST??
（2.1）
其中，Pc为无线通信功耗；PT和PR分别为无线发送和接收器件的功耗；PouT为无线发送器的输出功率；Ton、Ron伽分别为每个单位时间内无线发送器和无线接收器的打开的时间；Tst、RST分别为发送和接收的启动时间；NT、NR为单位时间内接收和发送的次数，依赖于任务和采用的媒介访问控制(MAC)策略；Ton也可写成L/R，L为数据包大小，R为数据传输速率。数据处理功耗比通信功耗要小得多，例如:假定瑞利衰落且能量与距离的4次方成正比损耗，实验表明，无线传输1K比特的数据100米的能量可以让l00MIPS/W的处理器处理300万条指令。因此尽可能地进行本地数据处理而减少数据的无线传输是降低WSN能耗的有效办法之一。
针对数据采集、接收、发送和计算这四者的能耗问题，curt Schurgers等人进行了实验。实验结果表明，发送数据(Tx)的能耗略大于接收数据(Rx)，二者远大于数据处理(计算)和数据采集的能耗。 2.6.2 节能策略
由于无线通信是WSN能耗的主要部分，因此对无线收发系统的能耗管理非常重要，可以采取以下措施减少通信模块的能量损耗。 (l)减少通信流量
减少通信流量的方法有：a.本地计算和数据融合b.减少冲突，增加错误检测和校正机制d.减少控制包的开销和包头长度。
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(2)增加睡眠时间
无线通信模块有发送、接收、空闲和睡眠4种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。从实验中可以看到：无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，而在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。因此不需要通信时，尽快进入睡眠状态是WSN协议设计重点考虑的问题。 (3)采用多跳短距离无线通信方式
无线通信消耗能量E与通信距离d的关系为E=kdn。其中，参数n满足关系2≤n<6，考虑诸多因素，一般取n为3。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此，在满足通信速率的前提下，应该尽量减少单跳通信距离。一般传感器节点的通信半径在10Om以内较为合适。
(4)动态功率管理(dynamic power management，简称DPM)
DPM技术的核心问题是状态转换策略，由于状态转换需要消耗一定的能量并且带有时延，如果状态转换策略不合适，不仅无法节能，反而会导致能耗的增加，还会影响实时性能。DPM的状态转换可如图2.6所示，假定状态转换分别发生在t1和t2时刻，其中t2=ti+t1，在tl时刻节点K想要从Sm状态进入休眠状态Sn，在t2时刻需要从Sn返回到Sm状态，每个状态都有对应的能耗Pm和Pn，状态转换分别需要时间tdk和tuk则能量节约如公式所示:
Esave?Pm?ti??Pm?Pn?/2??tdk?tuk??Pn??ti?tdk?
（2.2）
只有当ti大于某一数值时，Esave才能大于零，从而实现节能。 E Pm
Pn tdk t1 t1 t2 Sm Sn tuk t 图2.6 状态转换和能量的关系
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(5)动态电压调度(dynamic voltage scheduling，简称DVS)
DVS的主要原理是基于负载状态动态调节供电电压来减小系统功耗，并被应用到PDA之类的个人移动设备上。可将其应用到WSN中，如图2.7所示的功率控制原理图。节点上的嵌入式操作系统负责调度来自不同任务队列的请求接受服务，并实时监测处理器的利用率和任务队列的长度，负载观测器依据这两个参数的序列值计算负载的标称值。，直流/直流变换器参照该值输出幅值为A的电压，支持处理器的正常工作。这构成了一个典型的闭环反馈系统。控制理论中成熟的方法可以为该系统中各个模块的设计提供有力的支持。传感器节点大部分时间计算负载较低，在低负载时调低微处理器的电压可以有效节约能量。
标准电压
图2.7:DVS功率控制原理图 Vrixod W DC/DC V（A） r 负载观测器 L 带可变电压的处理器 2.6.3 通信问题
WSN内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其它电子信号干扰而受到影响，如何安全有效的进行通信是个有待研究的问题。WSN需要具有能对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获低功耗短距离的无线通信技术。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，由于它的网络特征和WSN存在很多相似之处，故很多研究机构将它作为WSN的无线通信平台。超宽带技术(UWB)是一种极具潜力的无线通信技术。超宽带技术具有系统复杂度低、能提供精确至数厘米的定位精度
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等优点，非常适合应用于WSN。 2.6.4 网络安全问题
安全是系统可用的前提，WSN是网络家庭的新成员，像其他网络一样需要考虑安全问题。WSN的安全问题主要以下几个方面： (1) 传统无线电磁干扰； (2) 对路由机制进行攻击；
(3) 对能量的攻击，侵入节点导致网络的某些节点和网络段互发大量的垃圾数据，使WSN能量迅速耗尽，网络分立，形成监测黑洞，无法完成正常的监测工作；
针对以上各种不同的攻击方式，一般可采用扩频通信、sensor接入认证/鉴权、数据水银和数据加密技术以提高网络的安全性。基本思想有两种:一种是从维护路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。如果路由协议被破坏导致传送的消息被篡改，那么对于应用层上的数据包来说没有任何的安全性可言。另一种是把着重点放在安全协议方面。 2.6.5 定位问题
WSN的定位机制与算法包括两部分:节点自身定位和外部目标定位，前者是后者的基础。获得节点位置的一个直接方法就是使用全球定位系统GPS，但该定位装置价格昂贵而且在有遮挡的情况下使用效果不佳;对于精度不高的还可以采用LPS(Local Position System)。为每个节点都配备GPS定位装置是一个高成本的设计思想，是一个不现实的想法，因此一般采用GPS+绝对定位或相对定位来实现。 2.6.6 数据管理
从数据存储的角度来看，无线传感器网络可被视为一种分布式数据库。以数据库的方法在无线传感器网络中进行数据管理，可以将存储在网络中的数据的逻辑视图与网络中的实现进行分离，使得无线传感器网络的用户只需要关心数据查询的逻辑结构，无需关心实现细节。虽然对节点感知到的数据进行抽象在一定程度上影响执行效率，但可以显著增强传感器网络的易用性。美国加州大学伯克利分校的Tiny DB系统和Comell大学的Cougar系统是目前具有代表性的传感器网络数据管理系统。
传感器网络的数据管理与传统的分布式数据库有很大的差别。由于传感器节点能量
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受限且容易失效，数据管理系统必须在尽量减少能量消耗的同时提供有效的数据服务。同时，传感器网络中节点数量庞大，且传感器节点产生的是无限的数据流，无法通过传统的分布式数据库的数据管理技术进行分析处理。此外，对传感器网络数据的查询经常是连续的查询或随机抽样的查询，这也使得传统分布式数据库的数据管理技术不适用于传感器网络。 2.6.7 服务质量
在某些应用中，数据应是刚感受到的一段时间内，否则数据将无用的。因此，范围潜伏期为数据传送是另一个条件，时间约束的应用。然而，在许多应用中，节约能源是直接关系到网络的一生，被认为是相对来得重要数据的质量发送。当能量耗尽之时，该网络可能必须减少质量，以减少节点能量损耗和从此延长整个网络寿命。因此，路由协议能量是必须有这个必备的条件。 2.6.8 嵌入式操作系统
传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作系统能够节能高效地使用其有限地内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使用系统的有限资源。传感器节点有两个突出的特点。一个特点是并发性密集，即可能存在多个需要同时执行的逻辑控制，这需要操作系统有效地满足这种发生频繁、并发程度高、执行过程比较短的逻辑控制流程;另一个特点是传感器节点模块化程度很高，要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制。上述这些特点对设计面向无线传感器网络的操作系统提出了新的挑战。
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