传感器结点限制条件分析

无线传感器网络可以看成是由数据获取子网、数据分布子网和控制管理中心三部分组成的。它的主要组成部分是集成了传感器、数据处理单元和通信模块的结点，各结点通过协议自组织成一个分布式网络，将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。传感器结点在实现各种网络协议和应用系统时，也存在一些限制和约束［4］。

1）电源能量有限

传感器结点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器结点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器结点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战。

传感器结点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器模块和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。图1－12所示是Deborah Estrin在Mobicom 2002会议上的特邀报告（《Wireless Sensor Networks，PartⅣ：Sensor Network Protocols》）中所述传感器结点各部分能量消耗的情况，从图中可知传感器结点的绝大部分能量消耗在无线通信模块。传感器结点传输信息时要比执行计算时更消耗能量，传输1比特信息100m距离需要的能量大约相当于执行3 000条计算指令消耗的能量。

图1－12　传感器结点能量消耗情况

无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。从图1－12中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，不需要通信时无线通信模块尽快进入睡眠状态，是传感器网络协议设计时需要重点考虑的问题。

2）通信能力有限(www.xing528.com)

无线通信的能量消耗与通信距离的关系为：

其中，参数n满足关系2＜n＜4。n的取值与很多因素有关，例如，传感器结点部署得贴近地面时，障碍物多干扰大，n的取值就大，而天线质量对信号发射质量的影响也很大。考虑到诸多因素，通常取n为3，即通信能耗与距离的三次方成正比。随着通信距离的增加，能耗将急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下应尽量减少单跳通信距离。一般而言，传感器结点的无线通信半径在100m以内比较合适。

考虑到传感器结点受到能量限制且网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。传感器结点的无线通信带宽有限，通常仅有每秒几百千比特的速率。由于结点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。在这样的通信环境和结点通信能力有限的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络设计面临的挑战之一。

3）计算和存储能力有限

传感器结点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器结点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚结点的任务请求和结点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。

随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前已经开发出很多超低功耗微处理器。除了降低处理器的绝对功耗以外，现代处理器还支持模块化供电和动态频率调节功能。利用这些处理器的特性，传感器结点的操作系统设计了动态能量管理（Dynamic Power Management，DPM）和动态电压调节（Dynamic Voltage Scaling，DVS）模块，可以更有效地利用结点的各种资源。动态能量管理是当结点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的睡眠状态。动态电压调节是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能力，从而节约微处理器的能耗，很多处理器如StrongARM、CC2530等都支持电压和频率调节。