探索无线网络通信节点传输能耗控制系统设计

探索无线网络通信节点传输能耗控制系统设计

古世高

广州市汇源通信建设监理有限公司510000

摘要：虽然无线网络通信节点传输能耗控制向来受到业界重视，但结合实际调研可发现，传统的能耗控制系统多存在成本高、汇聚节点数量少、节点生存时间较短等问题。基于此，本文将深入探讨无线网络通信节点传输能耗控制系统设计，而结合实验分析，设计具备的较高均衡能耗控制能力、较长节点生存时间优势得到了较好证明。

关键词：无线网络；通信节点传输；传输能耗

前言

节点传输的控制直接影响网络正常运行过程中的能源消耗，为有效控制节点能源消耗，节点传输规则必须得到严格遵循。结合无线网络通信特点，本文采用低耗能技术与分簇结构设计能耗控制系统，通过硬件与软件双层面的能耗控制，以此实现能耗控制与网络正常运行的权衡。

1.无线网络通信节点传输能耗控制系统设计

1.1硬件设计

考虑到无线网络通信能量较为有限，为实现硬件层面的无线网络通信节点传输能耗控制，设计主要从微处理器与电路器件等方面入手。在整个无线通信节点系统中，微处理器所占的能源消耗比重较大，为做好微处理器的设计，研究将微处理器能源消耗分为外部接口控制器能源消耗与内核能源消耗两部分，前者能源消耗直接受到电压高低影响，后者则直接受到控制器数据总线宽度影响，因此设计基于减小总线宽度、降低工作电压展开，以此实现硬件层面上的能源消耗抑制。设p1、p2分别为系统发送数据时功率消耗及数据接收时的信噪比功率，m、d、i分别为传输数据量、节点间实际距离、路径衰减指数。考虑到无线通信信道具有对称性特征，且以一定速度进行节点周围情况的不间断数据监测，如网络通信节点之间的实际距离大于双方数据传输距离，即可确定i值为2，此时d与节点发送数据消耗能源存在正比例关系；如网络通信节点之间的实际距离小于双方数据传输距离，可确定i值为4，的值的增大会导致能源消耗的急剧增加，此时d的四次方与节点发送数据消耗能源存在正比例关系。考虑到网络通信节点接收信息属于微处理器件运行过程中的能源消耗重点，因此具体设计需充分考虑节点间数据距离，以此实现对能耗的控制。在路径衰减指数i值为2，且节点传输距离一定时，多条传输途径与一条传输途径方式会直接影响能源消耗，一般情况下多条传输途径在传输能耗节约层面的优势较为明显，因此研究用通信方式采用多条传输途径[1]。

在电路器件设计中，为降低整体功耗，设计采用互补型MOS集成电路，在互补金属氧化物支持下，器件整体功耗可得到较好控制。但结合实际调研可以发现，互补型MOS集成电路仅能够保证电路静态耗能最小化，为同时实现动态耗能的有效降低，需基于系统工作电压、系统负载电容、系统正常工作时的频率进行分析，三者分别表示为V、P、n，动态功耗表示为Q，由此可得出：Q=PV2n。深入分析可发现，系统工作时的频率和电压与节点能源消耗控制存在直接联系，因此节能也需要从二者角度入手。

1.2软件设计

为实现软件层面的节能，无线网络通信节点传输过程中应用的软件编译器需通过分簇结构的设计实现，配合中断技术控制动态电压、动态能量，以此最终实现能耗的降低。图1为典型的分簇结构，结合该图可以发现，分簇结构能够直接以数据形式将节点发送给簇头，并在汇聚节点与簇头之间进行数据传输，这一过程需利用一条传输途径。图1主要由普通节点与簇头组成，具有动态属性的簇头可产生簇群，这种本地协调可较好服务于数据融合。采用基于周期轮换制度的分簇结构，需将簇的结构构建分别为建立及稳定两个阶段，第一阶段主要负责产生大量簇头，以此保证分簇管理得以快速展开，第二阶段的重点在于数据传输，数据传输时的信道冲突问题解决采用限制数据链路措施，多媒体控制层协议需在其中发挥关键性作用，同时需要以同样速率对所有节点发送数据包，通信时隙的分配需采用TDMA的共享传输介质复用方式[2]。

具体的软件设计应围绕编译器优化、动态能量控制、动态电压控制三部分展开，具体设计如下：（1）编译器优化。为节约软件部分能源，需基于正确编译顺序实现编译器优化，网络节点能量的节约可由此利用休眠机制实现，网络整体能量有效性可由此实现长足提升。节点在休眠状态时基本关闭，但可实现唤醒信息的直接接收，而在具体的编译器节点休眠状态关系设计过程中，需设定经过一定周期的节点休眠状态转换为倾听状态，受到唤醒后倾听状态变为活跃状态，经过网络覆盖度降低和节点冗余的活跃状态转换为倾听状态，一定周期没未接收到任何唤醒信息的倾听状态变为休眠状态，由此即可有效降低软件能耗。（2）动态能量控制。通过将器件转换为低功能消耗状态，并关闭未工作器件，即可实现动态能量控制。在具体设计过程中，需基于无线通信和微处理器的不同状态针对性开展动态能量控制，配合中断技术与系统的多个事件设置，即可较好实现网络能源消耗的均衡。基于事件发生时的中断信号，即可保证数据处理器长时间处于省电模式，且系统长时间保持能量消耗较低的等待模式，具体设计可采用融合中断技术。（3）动态电压控制。降低数据处理器电压可有效降低系统能耗，具体设计仍需采用中断技术，以此采用动态电压调节模式实现高效的通信节点利用，合理的休眠状态设置属于其中关键。节点数据的采集需结合任务需求，配合随机选举簇头机制定期重新选择簇头，即可有效控制簇头能耗，并延长网络使用寿命。

图1分簇结构示意图

2.实验分析

研究平台采用嵌入式系统，离散事件模拟器选择网络仿真器，多种网络协议采用OTCL与C++语言，随机布置120个无线通信网络节点，采用120m×120m的实验监测范围，节点初始功率、节点接收功率分别为0.55J、0.39J，节点坐标为（40,140），采用MAC-SENSOR多媒体控制层协议。结合实验可确定，本文研究系统相较于传统系统具备节点生存时间较长、能耗控制均衡、可有效降低网络开销、采集性能与数据传输控制能力均较强等优势。

结论

综上所述，无线网络通信节点传输能耗控制系统设计存在较高现实意义。在此基础上，本文涉及的硬件设计、软件设计等内容，则提供了可行性较高的系统设计路径。为更好满足能耗控制需要，网络的正常运行保障、节点传输规则的遵循需得到重点关注。

参考文献

[1]陈嘉峰,刘财兴,尹令,曹维.一种无线姿态传感节点的能耗优化研究[J].传感技术学报,2016,29(10):1565-1572.

[2]贺喜玲.基于无线传感网的通信网络电源控制系统设计[J].电源技术,2016,40(03):723-724.