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2017無線傳感網(wǎng)技術(shù)論文

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  無線傳感器網(wǎng)由播撒在監(jiān)測(cè)區(qū)域大量密集分布的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)之間具有相互協(xié)作性。下面是學(xué)習(xí)啦小編整理的2017無線傳感網(wǎng)技術(shù)論文,希望你能從中得到感悟!

  2017無線傳感網(wǎng)技術(shù)論文篇一

  無線傳感網(wǎng)節(jié)能技術(shù)研究

  摘要:能量問題是無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的核心問題,隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用前景的 發(fā)展,如何最大限度的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期已經(jīng)成為目前研究的 熱點(diǎn)。本文通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗分析,介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)及節(jié)能策略的發(fā)展與特點(diǎn)。

  關(guān)鍵詞:無線傳感網(wǎng) 節(jié)能技術(shù) 節(jié)能策略 能量消耗

  0 引言

  隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSN)現(xiàn)已成為國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域,它綜合了傳感器、“嵌入式計(jì)算”、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、無線通信及分布式信息處理等技術(shù)。WSN是一種全新的信息獲取平臺(tái),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息,并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤,具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn),有著廣闊的應(yīng)用前景。

  1 無線傳感網(wǎng)能耗分析

  現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)處理及控制單元、電源單元、傳感單元和通信單元等四部分組成。如圖1所示,具體結(jié)構(gòu)如下:

  對(duì)于硬件設(shè)計(jì),通常不僅要求傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格低廉,還希望傳感器節(jié)點(diǎn)的 工作時(shí)間要盡可能的延長(zhǎng)的同時(shí)能擔(dān)任中斷節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)的雙重功能。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中,處理(Processing)、傳感(Sensing)和無線傳輸(Radio)三個(gè)操作是能耗的主要來源。處理的能量消耗主要是來自微處理器執(zhí)行指令的能耗,處理器睡眠狀態(tài)與運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的能量消耗有很大的差別。傳感器的能耗主要包括前端處理、變換器、A/D 轉(zhuǎn)換等操作,對(duì)于不同種類的傳感器則具有不同的能耗,溫度,光強(qiáng)、溫度、加速度傳感器等都屬于較低能耗的傳感器。而較高能耗的傳感器主要有圖像、視頻傳感器等。

  隨著集成電路工藝的發(fā)展,傳感器和處理器模塊的功耗越來越低,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)絕大部分能量消耗在了無線通信模塊。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中,無線模塊一般處于四種狀態(tài):發(fā)送、接收、空閑以及睡眠,這四種狀態(tài)下的能耗是不一樣的。圖2為Deborah Estrin在Mobicom 2002會(huì)議上的特邀 報(bào)告(Wireless Sensor Networks,Part IV:Sensor Network Protocols)中所述傳感器節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗的情況,從圖中可知無線通信能耗主要是無線模塊在收發(fā)數(shù)據(jù)及空閑偵聽時(shí)的能耗[1]。無線模塊處于空閑狀態(tài)的能耗接近于接收狀態(tài)的能耗,而其睡眠狀態(tài)的能耗則顯著低于其他狀態(tài)。所以為了有效節(jié)省能量,應(yīng)該盡可能使無線模塊處于睡眠狀態(tài)。圖2傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊功耗對(duì)比。

  2 無線傳感網(wǎng)的節(jié)能技術(shù)

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的首要挑戰(zhàn)就是如何高效節(jié)能,用以獲得最大化的生命周期,其中包括兩種策略:一是降低能量消耗,這在延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期研究中占主導(dǎo)地位;二是平衡節(jié)點(diǎn)間的能量消耗,主要是通過均衡節(jié)點(diǎn)間的流量負(fù)載來實(shí)現(xiàn),但這項(xiàng)策略處于從屬地位。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗的主要來源,現(xiàn)有的節(jié)能技術(shù)主要包括對(duì)數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面。

  2.1 針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能技術(shù)

  2.1.1 無線傳輸技術(shù)的節(jié)能技術(shù)

  節(jié)點(diǎn)能耗主要來源于無線傳輸,考慮節(jié)省無線傳輸時(shí)的能耗通常能獲得很好的節(jié)能效果。但由于無線傳輸技術(shù)的研究所涉及的內(nèi)容多、難度大,所以其目前的研究才剛剛起步。比較具有代表性的研究工作有:美國斯坦福大學(xué)的B.Prabhakar,El Gamal等學(xué)者以及南加州大學(xué)的YangY學(xué)者從自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的角度出發(fā)[2],研究了節(jié)能無線傳輸?shù)膯栴}。美國斯坦福大學(xué)的Andrea J.Goldsmith 等學(xué)者,紐約洲立大學(xué)的Xiaohua Li學(xué)者提出了根據(jù)STBC,V-BLAST 等空時(shí)處理方案的協(xié)作式MIMO傳輸技術(shù)[3],以在監(jiān)測(cè) 環(huán)境中存在多徑衰落情況下有效地節(jié)省能耗。

  2.1.2 網(wǎng)絡(luò)路由的節(jié)能技術(shù)

  路由技術(shù)的研究主要關(guān)注于根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式操作、節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多以及數(shù)據(jù)冗余等特點(diǎn)設(shè)計(jì)具有節(jié)省能量的路由技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)按其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和工作方式可以分為平面式的(Flat routing),例如洪泛(Flooding)算法;層狀式的(Hierarchical routing),典型的算法有LEACH,PEGASIS,TEEN等。

  2.1.3 MAC的節(jié)能技術(shù)

  MAC接入技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠安全通信的保證。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)有很大不同,目前已有大量的研究關(guān)注于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)。典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能MAC協(xié)議設(shè)計(jì)有:S-MAC協(xié)議、DSMAC、DMAC協(xié)議、CSMAC協(xié)議等。

  2.2 針對(duì)數(shù)據(jù)處理的節(jié)能技術(shù)

  關(guān)于此方面的研究工作主要集中于降低處理器的能量消耗,如動(dòng)態(tài)電壓縮放技術(shù),這項(xiàng)技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是在大多數(shù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)上,計(jì)算負(fù)載是隨時(shí)間變化的,因此并不需要微處理器在任何時(shí)刻都保持峰值性能。針對(duì)數(shù)據(jù)處理的節(jié)能技術(shù)都可以有效節(jié)省數(shù)據(jù)處理帶來的能耗,但由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,能耗的主要部分來源于無線通信,所以其總的節(jié)能效果不是很明顯。

  3 無線傳感網(wǎng)的節(jié)能策略

  降低計(jì)算能耗主要有以下兩類方法:一是通過在操作系統(tǒng)中使用能量感知方式 管理系統(tǒng)能源的能量管理技術(shù);二是采用低功耗控制器、處理器,降低硬件功耗。降低感知能耗通常有兩類技術(shù)可以采用:一是需要硬件技術(shù)的革新;二是在服務(wù)質(zhì)量允許的條件下通過降低數(shù)據(jù)采集質(zhì)量來節(jié)省能耗,通信能耗在整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗中占統(tǒng)治地位,因此有關(guān)如何降低通信能耗的研究是最多的。目前降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信能耗的方法所使用的策略主要有:減小單跳通信距離;降低數(shù)據(jù)通信量;減少通信沖突;降低旁聽;天線相關(guān)技術(shù)。

  4 結(jié)束語

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)已經(jīng)變成了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生命周期。優(yōu)化能量消耗對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)十分重要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,新能源技術(shù)的不斷探索,可以預(yù)見,在未來能源供給問題將不再是制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的難題,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)入人類生活的方方面面,發(fā)揮其巨大的應(yīng)用價(jià)值。

  參考文獻(xiàn):

  [1]孫利民,李建中,陳渝,朱紅松.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005,1.

  [2]GoXiaohua L.Space-time coded multi-transmission among distributed transmitters without perfect synchronization.IEEE Signal Processing Letters,2004,11(12):948~951.

  [3]Shuguang C,Madan R.Joint R

  outing,MAC,and Link Layer Optimization in Sensor Networks with Energy Constraints.In: Proceedings of the IEEE International Conference on Communications (ICC),Sourh Korea,2005.IEEE Press.725~729.

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