无线传感网节能技术研究
摘要：能量问题是无线传感器网络的核心问题，随着无线传感器网络应用前景的发展
，如何最大限度的延长网络的生命周期已经成为目前研究的热点。本文通过对无线传感器
网络的能耗分析，介绍了无线传感器网络的节能技术及节能策略的发展与特点。
关键词：无线传感网 节能技术 节能策略 能量消耗
0 引言
随着无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)现已成为国际上备受关注的、
涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器、“嵌入式计
算”、现代网络、无线通信及分布式信息处理等技术。WSN 是一种全新的信息获取平台，
能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节
点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广
阔的应用前景。
1 无线传感网能耗分析
现有无线传感器网络节点体系结构由数据处理及控制单元、电源单元、传感单元和通
信单元等四部分组成。如图 1 所示，具体结构如下：
对于硬件设计，通常不仅要求传感器节点的价格低廉，还希望传感器节点的工作时间
要尽可能的延长的同时能担任中断节点和路由器节点的双重功能。在实际网络运行过程中
，处理（Processing）、传感（Sensing）和无线传输（Radio）三个操作是能耗的主要来
源。处理的能量消耗主要是来自微处理器执行指令的能耗，处理器睡眠状态与运行状态时
的能量消耗有很大的差别。传感器的能耗主要包括前端处理、变换器、A/D 转换等操作，
对于不同种类的传感器则具有不同的能耗，温度，光强、温度、加速度传感器等都属于较
低能耗的传感器。而较高能耗的传感器主要有图像、视频传感器等。
随着集成电路工艺的发展，传感器和处理器模块的功耗越来越低，无线传感器网络绝
大部分能量消耗在了无线通信模块。在网络运行过程中，无线模块一般处于四种状态：发
送、接收、空闲以及睡眠，这四种状态下的能耗是不一样的。图 2 为 Deborah Estrin 在
Mobicom 2002 会议上的特邀报告（Wireless Sensor Networks，Part IV：Sensor Network
Protocols）中所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知无线通信能耗主要是无
线模块在收发数据及空闲侦听时的能耗[1]。无线模块处于空闲状态的能耗接近于接收状态
的能耗，而其睡眠状态的能耗则显著低于其他状态。所以为了有效节省能量，应该尽可能
使无线模块处于睡眠状态。图 2 传感器节点各模块功耗对比。
2 无线传感网的节能技术
无线传感器网络面临的首要挑战就是如何高效节能，用以获得最大化的生命周期，其
中包括两种策略：一是降低能量消耗，这在延长无线传感器网络的生命周期研究中占主导
地位；二是平衡节点间的能量消耗，主要是通过均衡节点间的流量负载来实现，但这项策
略处于从属地位。根据网络节点能耗的主要来源，现有的节能技术主要包括对数据传输与
数据处理两个方面。
针对数据传输的节能技术
无线传输技术的节能技术
节点能耗主要来源于无线传输，考虑节省无线传输时的能耗通常能获得很好的节能效
果。但由于无线传输技术的研究所涉及的内容多、难度大，所以其目前的研究才刚刚起步
。比较具有代表性的研究工作有：美国斯坦福大学的 ，El Gamal 等学者以及
南加州大学的 YangY 学者从自适应调制技术的角度出发[2]，研究了节能无线传输的问题
。美国斯坦福大学的 Andrea 等学者，纽约洲立大学的 Xiaohua Li 学者提出了
根据 STBC，V-BLAST 等空时处理方案的协作式 MIMO 传输技术[3]，以在监测环境中存在
多径衰落情况下有效地节省能耗。
网络路由的节能技术
路由技术的研究主要关注于根据传感器网络分布式操作、节点数目众多以及数据冗余
等特点设计具有节省能量的路由技术。无线传感器网络的路由技术按其网络结构和工作方
式可以分为平面式的（Flat routing），例如洪泛（Flooding）算法；层状式的（
Hierarchical routing），典型的算法有 LEACH，PEGASIS，TEEN 等。
MAC 的节能技术
MAC 接入技术是无线传感器网络可靠安全通信的保证。无线传感器网络 MAC 协议设
计与传统网络 MAC 协议设计有很大不同，目前已有大量的研究关注于无线传感器网络
MAC 协议设计。典型无线传感器网络的节能 MAC 协议设计有：S-MAC 协议、DSMAC、
DMAC 协议、CSMAC 协议等。
针对数据处理的节能技术
关于此方面的研究工作主要集中于降低处理器的能量消耗，如动态电压缩放技术，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。针对数据处理的节能技术都可以有效节省数据处理
带来的能耗，但由于无线传感器网络中，能耗的主要部分来源于无线通信，所以其总的节
能效果不是很明显。
3 无线传感网的节能策略
降低计算能耗主要有以下两类方法：一是通过在操作系统中使用能量感知方式管理系
统能源的能量管理技术；二是采用低功耗控制器、处理器，降低硬件功耗。降低感知能耗
通常有两类技术可以采用：一是需要硬件技术的革新；二是在服务质量允许的条件下通过
降低数据采集质量来节省能耗，通信能耗在整个无线传感器网络能耗中占统治地位，因此
有关如何降低通信能耗的研究是最多的。目前降低无线传感器网络通信能耗的方法所使用
的策略主要有：减小单跳通信距离；降低数据通信量；减少通信冲突；降低旁听；天线相
关技术。
4 结束语
无线传感器网络的首要设计目标已经变成了延长网络系统的生命周期。优化能量消耗
对无线传感器网络十分重要。随着科学技术的发展，新能源技术的不断探索，可以预见，
在未来能源供给问题将不再是制约无线传感器网络发展的难题，无线传感器网络将进入人
类生活的方方面面，发挥其巨大的应用价值。
参考文献：
[1]孙利民，李建中，陈渝，朱红松.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社，2005
，1.
[2]GoXiaohua -time coded multi-transmission among distributed transmitters
without perfect Signal Processing Letters，2004，11(12):948~951
．
[3]Shuguang C，Madan R 中国论文联盟 ，MAC，and
Link Layer Optimization in Sensor Networks with Energy : Proceedings of
the IEEE International Conference on Communications (ICC)，Sourh Korea，
~729.
基金项目：重庆交通大学研究生教育创新基金（2010(下)-08）。
