专利名称：基于跨层设计的无线传感器网络节能方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络节能技术领域，确切地说涉及基于跨层设计的无线传感器网络节能方法。
背景技术：
通用的无线传感器网络节点主要由电源、数据获取单元DAU、数据处理单元DPU、数据发送和接收单元DSRU四部分构成，参见
图10。数据获取单元(Data Acquisition Unit)，DAU主要是由一组物理传感器和相关送变装置组成的传感子系统，将周围环境的物理现象转换为电压或电流信号，主要功耗来自于两类器件的工作，传感器对所监测物理量的采集和到电信号的转换与调理，以及ADC器件的数模转换；数据处理单元(DataProcessing Unit)，DPU的主要功能部件包括嵌入式处理器芯片，嵌入式操作系统和应用软件，主要负责协调节点各部分的运行，完成对通信协议和数据的处理，DPU能耗主要来自于核心部件MCU处理器，低功耗MCU一般都具有多种状态模式，MCU在不同模式下的功耗指标、切换开销和工作时长的控制对节点的能耗有很大的影响；数据发送和接收单元(DataSending and Receiving Unit)，DSRU由无线通信器件和电路组成，负责执行与其他节点或观察者之间的无线通信任务，无线通信的能耗占了节点整体能耗的主要部分，DSRU能耗来自于射频部分以及进行频率合成和滤波等操作的基带部分，与调制方式、数据传输速率、发射接收功率和操作周期有密切关系。
由于无线传感器网络(Wireless Sensor Network-WSN)严苛的能量约束条件，能量有效性始终是WSN各个层面的核心问题和最大挑战之一。针对WSN节点各功能单元和部件的工作特性，人们提出了各种节能优化方法和技术以降低各部分乃至整个节点的功耗，目前的研究主要从单个节点的节能优化和整个WSN网络的节能优化角度开展研究与设计。
1、单个节点的能耗优化方法和技术包括 (1)设计和实现低功耗硬件 主要包括低功耗MCU、射频模块或功率可管理部件PMC(Power-Manageable Component)。此类硬件除了采用降低工作电压或工作频率等常用方法减少功率消耗外，一般还具备多种状态模式，即活跃、空闲、休眠甚至掉电等模式。通过动态功耗管理DPM(Dynamic PowerManagement)技术使PMC在空闲时运行在休眠模式下以降低能耗，DPM的核心问题是基于事件驱动的状态调整策略。通过动态电压调整DVS(Dynamic Voltage Scaling)技术使器件在活动状态下的工作电压和频率根据计算负载的变化来动态调整，从而取得性能和能耗间的平衡。
(2)面向能耗优化的软件设计 主要是对操作系统和应用软件等进行专门的能耗优化处理。如利用操作系统可获知所有应用程序的性能需求和直接控制底层硬件资源的能力，根据计算和通信需求的变化情况，在操作系统中对器件进行DPM和DVS控制，以及在任务调度中采取预测等措施进行主动能耗管理，以实现性能和能耗控制之间的合理折衷。更基础的是建立针对能量优化的编译策略和编译工具，如基于指令能量模型的指令重组、部件使用局部化技术，包括处理器部件类型局部化和设置恰当的部件数量、Cache使用的局部化和设置适当的cache行数目、内存使用的局部化、I/O使用的局部化等。
(3)低功耗无线通信技术 由于无线收发系统初始化开销大，射频和基带能耗相互关联，所以无线通信的节能设计很复杂。一般采用的优化方法包括根据实际需求动态改变调制级别，降低功率放大器能耗；利用可行的多跳通信方式，减少单跳通信距离；最小化报文的控制开销、降低冲突概率和占空比、增加休眠时间、建立差错控制机制等以减少通信流量和模块启动次数，降低无线通信功耗，实现能耗与灵敏度、延迟等方面的平衡。代表性的短距离低功耗WSN无线通信协议是IEEE 802.15.4。
2、整个网络的能耗优化方法和技术包括 (1)基于能量有效性的路由协议 在普通路由协议基础上引入新的与能了消耗有关的度量指标，设计与实现节能路由算法和协议。常用的节能策略包括基于地理位置的信息存储策略、高效的数据命名和数据查询方案、、满足能量消耗和通信度量最优化的节点聚类和数据融合设计。路由协议应平衡使用各个节点的能量消耗，避免某些转发节点的能量消耗过快。WSN中代表性的路由协议有LEACH协议、PEGAGIS协议等。
(2)拓扑管理与控制 利用WSN节点密度高的特点，实施拓扑管理与控制策略。选择使用相对较少的节点完成监控任务，而没有参与的节点不发送数据。因此减少了计算复杂度和通信开销，缓解信道争用。
(3)数据融合处理 利用WSN数据采集的冗余性特征，在选定节点将一定区域内的数据进行融合，可以提高事件/数据监测的可靠性，并有效降低通信流量，节约能耗。
但是一方面，上述这些方法一般只是局限在WSN单一层面上进行节能优化的设计与实现，对节点各组成部分之间的能耗关联和相互影响考虑不足，未能从节点整体角度考虑能耗优化。
另一方面，WSN与应用紧密相关，现有方法或技术不能很好的根据应用的实际需求和特性来设计与部署有效的节能策略。由于应用的特殊性，WSN通常部署于人类难以接近的区域执行长期连续的监测和控制任务，网络的生存时间要求长达数月或数年。而WSN节点一般采用容量有限的电池供电，对数量巨大的节点更换电池非常困难甚至是不可能的。因此在不影响功能的前提下，如何降低节点能耗，延长电池使用寿命成为WSN软硬件设计的核心问题。
发明者汪文勇, 渝 向, 骏 张, 定 李 申请人:电子科技大学