引言

随着传感技术、微机电（MEMS）技术、无线网络技术的飞速发展，无线传感器网络作为一项新兴的信息采集技术得到重视。由于无线传感器网络节点数量非常庞大，且通常采用电池提供能量，因此能量管理已成为无线传感器网络的重要的支撑技术之一。

跟传统网络相比，由于无线传感器网络能量受限，为了有效节省能量，延长网络生命期，就有以下的考虑：

首先，为了节省能量，无线传感器网络算法及协议设计应该尽可能简单，以最少的能耗完成任务。由于传统网络协议及算法设计大都没有考虑能量受限的问题，因此不适合直接应用。

其次，由于能量问题影响到了网络协议栈各个层次，为了有效节能，必须根据跨层设计的思想，将网络作为一个整体来设计其节能方案。

1无线传感器网络能耗分析

现有无线传感器网络节点主要由微处理器、电源、传感器、I/O接口、射频模块等部分组成。在实际运行过程中，能耗主要来源于处理（Processing）、传感（Sensing）和无线传输（Radio）3个操作。处理的能量消耗主要是由于微处理器执行指令的能量消耗，如ATmega128L微处理器每执行一条指令需要4 nJ的能量，而Intel PXA255微处理器在400 MHz工作模式下每执行一条指令需要1.1 nJ的能量。传感的能量消耗主要包括前端处理、A/D转换等操作，其能量消耗根据传感器的种类不同而有所不同。低能耗传感器包括温度、光强、加速度传感器等；中等能耗传感器包括声学、磁场传感器等；高能耗传感器包括图像、视频传感器等。

无线传输能耗主要来源于无线模块在收发数据及空闲侦听时的能耗，在运行过程中，无线模块可能处于4种状态：发送、接收、空闲以及睡眠。这4种状态下的能耗依次由高到低。

2无线传感器网络节能技术相关研究

由于现有无线传感器网络的传感器主要以低能耗和中等能耗为主，相对于节点处理和无线传输的能耗较低，因此现有的节能技术主要包括针对数据处理与数据传输的节能技术两个方面，如图1所示。

图1节能技术分类

2.1针对数据处理的节能技术

这方面的研究工作主要关注于节省处理器的能量消耗。如早在1998，年美国California大学Berkeley电子研究实验室的Trevor Pering[1]等学者就提出了动态电压缩放（Dynamic Voltage Scaling,DVS）技术。这项技术的出发点是在大多数无线传感器节点上，计算负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器在任何时刻都保持峰值性能。可以通过动态改变微处理作电压和频率，使其刚好满足当时的运行需求，从而在性能和能耗之间取得平衡。

L. Benini[2]等学者则提出了动态电压管理（Dynamic Power Management,DPM）技术，该技术的基本思想是，尽可能使系统各部分运行在节能模式下。最常用的管理策略是关闭空闲模块，在这种状态下无线传感器节点或部分节点将被关闭或者处于低功耗状态，直到有感兴趣的事件发生。这项技术是无线传感器网络中节能 MAC协议设计的基础。

美国麻省理工大学的A. Sinha等学者[3]则提出了能量可扩展DSP算法设计的概念，以进一步节省处理器能耗。基本思想是将传统DSP算法的执行操作按影响结果的显著程度进行排序，将对结果影响大的操作先执行，这样就可以在能耗与结果精确程度之间寻求一个平衡。美国麻省理工大学的J. T. Ludwig等学者[4]则将这一概念用于滤波算法的设计，发现大多数算法都可以转换为类似的能量可扩展DSP算法设计。

C. F. Chiasserini[5]等学者则提出了针对无线传感器网络的分布式数字处理器（Distributed Digital Signal Processor, DDSP）的概念。其基本思想是将一个算法分解为多个子算法，然后让不同的节点来执行不同的子算法，将结果进行汇总并处理得到总的结果。这样的话，可以使每个节点的执行负载比较均衡，因此每个节点都可以有利用 DVS等方法的空间来节省能耗。当然，这是以增加节点间的通信开销为代价的，因此需要寻求分解带来的能量节省与通信的能量开销之间的平衡。

这些技术都可以有效地节省数据处理带来的能耗，但由于无线传感器网络中，能耗的主要部分在于无线传输，因此其总的节能效果并不如考虑节省数据传输能耗的相关技术有效。

2.2针对数据传输的节能技术

由于数据传输是能耗的主要部分，关注于这方面的节能设计很多。另外，由于能耗涉及网络通信的各个协议层，现有研究工作关注无线传输的节能技术、多址接入（MAC）的节能技术，以及网络路由的节能技术。节能 MAC技术主要解决的问题是如何构造一个能量最优化的拓扑及如何调度各节点的睡眠以节能；节能路由技术则是在拓扑构造好以后，解决如何根据采集参数确定最优数据传输路由的问题；节能无线传输技术则是在路由确定后，解决如何传输数据以最小化能耗的问题。根据对无线传感器网络能耗特点的分析，无线传输技术占据了能耗的主要部分，而无线传输技术又是其余技术的基础，因此其性能的优劣根本性网的能耗。

2.2.1节能无线传输技术

由前所述，无线传输是节点能耗的主要来源，节省无线传输时的能耗往往能获得很好的节能效果。而且，传感器网络各项网络通信技术都涉及数据的无线传输，使得无线传输技术成为各项技术的基础，也成为影响整网能耗的根本。因此，研究节能无线传输技术对无线传感器网络的实用化具有举足轻重的作用。

但由于无线传输技术的研究涉及的内容较多，研究的难度较大，其现阶段的研究才刚刚起步，系统性的工作报道得较少。比较有代表性的包括下面的工作： 美国Florida Atlantic大学的 Ed Callway[6]从无线通信的角度分析了现有短距离无线通信技术不适合无线传感器网络的原因，设计了一个码位调制的通信技术，该技术具有低能耗、低实现复杂度的特点，后来该技术被提交为IEEE 802.15.4物理层设计的提案；美国斯坦福大学的B. Prabhakar[7]、El Gamal[8]等学者以及南加州大学的Yang Yu[9]等学者从自适应调制技术的角度出发，研究了节能无线传输的问题，先后3年在INFOCOM上发表了采用自适应调制技术在点到点、一点对多点、“数据聚合树”通信模式中确保传输时延性能与节能的无线传输设计策略。

2.2.2节能路由技术

由于节能在无线传感器网络中的核心地位，其路由技术的研究就关注于根据传感器网络节点数目众多、分布式操作、数据冗余等特点设计具有节省能量特点的路由技术。无线传感器网络的路由技术按其网络结构和工作方式可以分为平面式（Flatrouting）和层状式（Hierarchicalrouting）。

（1） 平面式路由算法

对于平面式路由算法，所有节点地位和功能都一样，依靠节点间协作来共同完成数据采集。最简单的平面式路由算法是洪泛（Flooding）算法[10]，在该算法中，每个接收到数据包的传感器节点将广播给邻居节点，依次类推直到Sink接收到该数据包。这个方法实现起来非常简单，但在实际应用中却存在数据包重复发送所造成的资源浪费问题。事实上，对无线传感器网络而言，Sink往往只对具有一定特性的数据感兴趣（如某一个区域内的传感器数据），因此，在设计路由协议时应该通过对数据特性及Sink的兴趣进行描述，尽可能只传输必要数据。出于这一思想而设计的路由算法包括：SPIN, Directed Diffusion, Rumor Routing, GBR及CADR等。其中，SPIN和 Directed Diffusion可以看作这类算法的代表，其他算法可以看作是这两个算法的变体或推广。

（2） 层式路由算法

层状式路由算法的主要思想是通过分簇使得簇内相关性较强的数据可以在簇头聚合而减少需要发送给Sink的数据量，从而节省能耗。在层状式路由算法中，重点关心的问题包括簇头选取、簇划分以及信道共享等。这类算法中比较有代表性的算法包括LEACH、PEGASIS、TEEN等。

（3） 今后可能的研究方向

近年来，无线传感器网络在很多需要端到端实时性和可靠性要求的领域内得到应用，路由算法作为数据传输的重要组成部分，也必须考虑对端到端传输服务质量保证的问题。现已有一些初步工作开始考虑无线传感器网络上的QoS路由问题，如Tian He等人根据控制理论思想提出的 SPEED[11]协议就考虑了软实时性保证问题。

另一方面，无线传感器网络与物理通信环境的耦合程度远高于其他网络，而无线传感器网络的物理通信环境较为复杂，且动态性较强。为了有效的节省能量，保证传输的可靠性，无线传感器网络的路由协议设计上应该考虑物理通信环境的特点，如射频传播不规则性、多径衰落现象等。

2.2.3节能多址接入技术

媒体多址（MAC）接入技术是无线传感器网络可靠通信的保证，由于无线传感器网络的特点，使得其上的MAC协议设计与传统网络MAC协议设计有很大不同，也带来了新挑战，现已有大量工作关注于无线传感器网络MAC协议设计。

最大化网络生命期是无线传感器网络的设计目标。因此，其MAC协议设计应该以尽可能节省不必要的能量浪费为目的。对于无线传感器网络，能量浪费主要来源于下面几个方面：

① 由于数据包冲突造成的能量浪费。如多个节点向同一个节点传输数据造成数据包碰撞，重传从而造成能量浪费。

② 由于不必要侦听造成能量浪费，比如一个节点侦听到不是自己的数据包所造成的能量浪费。

③ 无线模块长期处于空闲状态所造成能量浪费。节点处于空闲状态的能耗可以和接收状态及发送状态的能耗比拟，如果节点无线模块长期处于空闲状态就会造成大量能量浪费。

④ 由于收发节点没有协调好所造成的不必要数据发送。比如当发送端发送数据时，接收端处于睡眠状态，此时发送的数据会造成能量的浪费。

根据无线传感器网络能量有限、节点密度高、环境动态变化快等特点，好的MAC协议应该具备的特点有：节省能量消耗，延长网络生命；具有可扩展性，即协议的设计应该具有分布式的特点以适用于大规模环境；具有自适应能力，能适应于网络规模、节点密度及拓扑等的动态变化，能够有效处理节点死亡或新节点加入带来的问题。下面是一些典型无线传感器网络的节能MAC协议设计。

（1） SMAC协议[12]

SMAC协议是由 W. Ye[12]等人设计的一种基于周期性睡眠侦听调度机制的MAC协议。通过周期性睡眠，SMAC协议能有效减少无线模块处于侦听状态的能耗（例如设置侦听占空比为10％，即2 s中有200 ms处于侦听状态），但同时引入一定时延开销。

（2） DMAC协议

G. Lu设计的DMAC[13]的协议，主要目标为降低能耗获取低时延。DMAC协议可以被看作一个改进的时隙 ALOHA协议，根据节点在数据聚合树中的级别进行时隙的分配。

通过沿着数据传输路径分配时隙，DMAC协议能获得比传统基于睡眠侦听机制的MAC协议更好的时延性能，因此，DMAC协议很适合用于时延要求高的应用场景。但DMAC协议需要全局同步的支持，在实际应用中较难保证。

（3） CSMAC协议[14]

Bao Hua Li等人在参考文献[14]中考虑了无线传感器网络低数据率应用场景（例如1～100 kbps）下的多址接入问题。其中设计了一个结合CDMA与FDMA的CSMAC协议，该协议的基本思想是为每个节点分配一个在邻居节点中唯一的接收频率，为每一个有向边分配一个单独的 PN序列，使其与有公共顶点的相连边具有不同的PN序列。

当一个节点需要给邻居节点传输数据包时，它将发送频率调整为该邻居节点的接收频率，并采用对应链路的 PN序列进行扩频传输。通过频率和 PN序列的分配，多址接入干扰（Multiple Access Interference, MAI）可以大为减小。经实验表明该协议能有效抑止 MAI，并在低数据率的应用中获得很好的节能及时延性能。

基于CSMA的MAC协议属于依赖于竞争方式的协议设计，还有依赖于非竞争方式的协议，如基于TDMA、FDMA及CDMA的MAC协议设计。其主要目的均是尽可能减少能耗来源，提高网络生命期。

3小结

由于节能是无线传感器网络的核心问题，根据无线传感器网络特点设计相关技术以降低能耗，延长网络生命期已经成为现有研究工作关注的重点。而有效的节能方案应该考虑多个协议层的联合优化。近年来也有学者在这方面开展了一些初步的研究工作，如美国斯坦福大学的Andrea J. Goldsmith等提出的一个集成路由/MAC/物理层的设计方案。实验结果表明，通过联合设计能获得很好的节能效果，相信这也是今后的一个发展趋势。