无线传感器网络的节点功耗研究

武娟红

(山西职业技术学院电子信息工程系，山西 太原 030006)

1 简介

无线传感器网络中，节点能量由电池提供，受到节点体积的限制，电池容量一般不是很大［1］。由于传感器节点个数多，成本低，分布区域广，而且环境复杂，维护人员难以接近等原因，传感器节点能量受限且通常无法补充，因此，网络生命周期完全依赖于传感器节点的功耗。为了节省传感器节点的功耗，需要建立有效的数学模型。近年来，人们一直致力于寻求最优策略，以最大限度地提高移动节点和网络的寿命［2，3］。无线传感器网络是一种能量受限型网络，一旦节点的能量耗尽将会直接影响整个网络功能的实现。

2 传感器节点硬件分析

以一个简单的传感器节点结构和元件构成为例进行说明。无线传感器网络由大量的传感器节点组成，各节点协同工作，共同完成监测任务。由于传感器网络拓扑结构动态变化，节点在网络中的位置不固定，因此，不同的算法适用于不同情况下网络节点间的通信。

传感器节点结构如图1 所示。节点主要由感知模块、处理模块、通信模块及能量供应模块组成。感知模块主要由传感器和模/数(A/D)转化器组成，传感器用来感知和采集外部信息;A/D 转化器负责将采集到的模拟信号转化为数字信号，然后传递给数据处理模块。处理模块包括微控制器和存储器，其中，微控制器主要负责数据处理及协调节点各部件的工作，因其灵活性、低成本和低功耗，被广泛应用在嵌入式系统中;存储器用来存储节点自身监测到的数据、节点间的通信数据以及各种程序代码;通信模块负责发送和接收数据，实现节点间的数据交换。能量供应模块负责提供节点正常工作时所需要的能量，一般采用电池供电，另外，还配有能量管理模块，来实现节点能量使用的最大化。

图1 传感器节点结构

3 系统的数学模型

本文中，为了节省节点功耗，我们提出了一个数学分配模型来分析源节点和sink 节点间通信时的数据分配情况，并讨论了几种情况来模拟节点的数据发送。

传感器节点的能量分配可以理解为一个队列问题。假设一个传感器节点需要向N 个不同的方向(节点)提供能量。不同的sink 节点需要来自多个传感器节点的信号，这些传感器节点服从参数为μ 的泊松分布，供电时间的分配服从参数为λ 的泊松分布。信号的接收策略也可以遵循队列问题。为找到最优的系统解决方案，我们假设一个队列中有n 个节点。如果在任何时候都有个n 不同的sink 在队列中，则

(t+Δt)时刻，有n 个sink 节点接收到信号的概率为:

若μn－1={N－(n－1)}μ，μn=(N－n)μ，λn=nλ 且λn+1=(n+1)λ

代入公式(2)，得

当n=N，则

μn－1={N－(n－1)}μ=μ，μn=(N－n)μ=0，λn=nλ=Nλ，λn+1=0

代入公式(2)，得

Δt→0 分别代入公式(1)、(2)、(3)、(4)进行化简，得到3 个稳定的系统状态方程。

通过这3 个方程可得到下面的递推关系:

这样，我们得到

该模型表明，从一个传感器节点到N 个不同sink 节点的能量分配。

4 功耗计算的模型

本节将对不同的策略进行讨论，以期找到功率分布模型的最大概率。

①:(N+1)P 不是整数。令(N +1)p=i +k，其中，i 为整数，k 为分数，即0 ＜k ＜1，因此:

(N+1)p 的整数部分i 就是特征值。

②:(N+1)p 是整数。

经证明在这种情况下，特征值是i。

5 仿真结果

我们对本文所提出的系统模型的网络生命周期进行了仿真，仿真结果如图2 所示。

图2 网络生命周期仿真结果

6 结论

本文主要讨论了传感器网络的寿命问题。我们提出了一个功率分配的数学模型，并对所有可能的情况进行了分析，提出了传感器网络中节点部署的优化解决方案。所提出的方法的新颖之处在于，基站可以位于任何位置而不存在缺陷。为了最大化网络生命周期，我们对几种情况进行了分析，并通过数学推导和模拟仿真进行了验证。这种分配模式意味着该系统的最大功率消耗取决于源节点和sink 节点的数量，以及它们连通的次数。一般来说，如果某个节点和几个节点进行数据通信，功率消耗会增加。如图2 所示，随着传感器节点数量的增加，系统的寿命逐渐减小，这与实际情况是一致的。

［1］赵静，潘斌，王进，等.无线传感器网络能耗分析与策略研究［J］.通信技术，2010，43:88－89.

［2］Brown T X，Gabow H N，Zhang Q.Maximum Flow-Life Curve Fora Wireless Ad Hoc Network［J］.ACM Mobi-Hoc，Long Beach，CA，2001:128－136.

［3］Chang J H，Tassiulas L.Energy Conserving Routing in Wireless Adhoc Networks［J］.IEEE INFOCOM，Tel Aviv，Israel，2002:22－31.