無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課件：能量管理

能量管理10.1局部能量管理10.2動態(tài)電源管理10.3概念架構(gòu)

10.1局部能量管理

10.1.1處理器子系統(tǒng)大多數(shù)現(xiàn)有的處理子系統(tǒng)都使用微控制器，如Intel的StrongARM處理器和Atmel的AVR處理器。通過配置，這些處理器可以工作在不同的電源模式下。例如：ATmega128L微處理器有6種不同的電源模式：空閑模式、ADC降噪模式、節(jié)能模式、掉電模式、待機(jī)模式和擴(kuò)展待機(jī)模式。盡管讓處理器子系統(tǒng)工作在不同的模式下可以有效節(jié)省能量，但是不同能量管理模式間的轉(zhuǎn)換也需要消耗能量，并會產(chǎn)生延遲代價。因此，選擇能量模式的特定操作之前必須考慮這些代價。10.1.2通信子系統(tǒng)通信子系統(tǒng)的能量消耗受到多方面的影響：如調(diào)制類型和調(diào)制系數(shù)、發(fā)射機(jī)的功率放大器和天線效率、傳輸距離和傳輸速率，以及接收機(jī)的靈敏度等，其中一些屬性可以動態(tài)配置。此外，通信子系統(tǒng)可以自主啟動或關(guān)閉發(fā)射器和接收器，或者兩個操作都執(zhí)行。通信子系統(tǒng)中存在大量活動的原件(如放大器和振蕩器)，因此，即使在設(shè)備空閑時，系統(tǒng)中也存在大量的靜態(tài)電流。多數(shù)商用發(fā)射器只在一兩個發(fā)射功率級別上可以高效地工作。若發(fā)射功率低于一定的水平，放大器的工作效率則迅速下降。一些廉價的收發(fā)器，即使工作在最大發(fā)送功率模式，也會有超過60%的直流電源功率以熱能形式浪費(fèi)掉。10.1.3總線頻率和內(nèi)存時序當(dāng)處理器子系統(tǒng)通過內(nèi)部高速總線與其他子系統(tǒng)交互時會消耗能量，具體能耗取決于通信的頻率和帶寬，這兩個參數(shù)可以根據(jù)交互的類型優(yōu)化配置，但是總線協(xié)議時序通常是為特定總線頻率優(yōu)化的，而且，為了保證最佳性能，當(dāng)總線頻率改變時，要先通知總線控制器的驅(qū)動器。10.1.4活動存儲器活動存儲器由按照行和列排列的電子元件組成，每行形成一個獨(dú)立的存儲實(shí)體。為了存儲數(shù)據(jù)，這些元件必須周期性地刷新，刷新頻率或刷新間隔是必須要刷新的行數(shù)的度量。低刷新間隔對應(yīng)一個必須在刷新操作發(fā)生之前消逝的低時鐘頻率，反過來，高刷新間隔對應(yīng)一個必須在刷新操作發(fā)生之前消逝的高時鐘頻率。考慮兩個典型的值：2K和4K。刷新間隔為2K時，可以刷新更多的電子元件并且更快地完成該操作，因此，它比4K的刷新頻率要消耗更多的能量；刷新間隔為4K時，以低的步調(diào)刷新較少的電子元件，但是能耗低。通過設(shè)置，一個內(nèi)存單元可以工作在三種能量模式中：溫度補(bǔ)償自刷新模式、局部陣列自刷新模式和掉電模式。RAM時序是影響內(nèi)存單元能量消耗的另一個參數(shù)，它是指與訪問內(nèi)存單元相關(guān)的延遲。在處理器子系統(tǒng)訪問特定內(nèi)存單元之前，首先要確定特定的行或存儲實(shí)體，然后再用一個行地址選通信號(RAS)將其激活，激活后，可以一直訪問該單元，直到處理完數(shù)據(jù)。列地址選通信號(CAS)和數(shù)據(jù)線上可用有效數(shù)據(jù)之間的時延稱為CAS時延。CAS時延越低，性能越好，但能耗越高。中斷一行訪問并開始下一行訪問所需的時間稱為tRP。結(jié)合tRCD，切換行并選擇需要讀、寫或刷新的下一個單元所需的時間可以表示為tRP+tRCD。激活存儲單元和預(yù)加電命令之間的時間差稱為tRAS，用它來衡量處理器能夠開始下一個存儲器訪問之前必須等待的時間長度。10.1.5電源子系統(tǒng)電源子系統(tǒng)用于給其他所有的子系統(tǒng)提供電源，它由電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。在某些情況下，電源系統(tǒng)可能還包括變壓器等額外器件。DC-DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將主電壓轉(zhuǎn)換為各個部件正常工作所需要的電壓，這種轉(zhuǎn)換可以是降壓過程，也可以是升壓過程，或者是升降壓之間轉(zhuǎn)換的過程，這取決于各個子系統(tǒng)的需求。不過，轉(zhuǎn)換也需要消耗能量，而且轉(zhuǎn)換效率可能也不高，下面討論能量的損耗及轉(zhuǎn)換效率低下的原因。1．電池?zé)o線傳感器節(jié)點(diǎn)是由電池供電的，但電池的電量有限。影響電池質(zhì)量的因素有多種，但最大的因素是成本。大規(guī)模部署傳感器網(wǎng)絡(luò)時，使用成百上千個電池的成本會給網(wǎng)絡(luò)部署帶來很大的限制。電池用額定電流容量C指定，以安培時(ampare-hour)為單位，一般用符號C表示。額定電流容量描述了電池在未顯著影響額定電源電壓(或勢差)前提下的放電速率。事實(shí)上，隨著放電速率的增加，額定容量不斷減小。2．DC-DC轉(zhuǎn)換器DC-DC轉(zhuǎn)換器的作用是實(shí)現(xiàn)電壓間的轉(zhuǎn)換，它與AC-AC電壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換功能類似，DC-DC轉(zhuǎn)換器的主要問題是它的轉(zhuǎn)換效率，典型的DC-DC轉(zhuǎn)換器由電源、開關(guān)電路、濾波電路和負(fù)載電阻構(gòu)成。

10.2動態(tài)電源管理

10.2.1動態(tài)操作模式根據(jù)正在進(jìn)行和將要進(jìn)行的活動，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的子系統(tǒng)可以配置在不同的電源模式下運(yùn)行，這內(nèi)容在前面章節(jié)中已經(jīng)進(jìn)行了闡述。一般情況下，小的組件可能有n種不同的電源模式。如果有x個硬件組件，每個組件都有n種不同的能量消耗級別，那么DPM策略就能定義x?×?n種不同的電源模式配置方式，記為Pn。選擇特定電源配置模式時存在兩個相關(guān)的問題：(1)不同電源配置模式間的切換會額外消耗能量；(2)切換存在相關(guān)時延以及可能錯過感興趣事件的出現(xiàn)。特定電源模式的選擇既要考慮目前狀態(tài)，也要考慮不同硬件組件隊列中預(yù)定的任務(wù)。未來任務(wù)的實(shí)際估計允許節(jié)點(diǎn)確定把需要的組件置于正確的電源模式上所需要的時間，從而可以用最小的延遲來處理這些任務(wù)。同樣，如果估計未來任務(wù)不準(zhǔn)確，會使節(jié)點(diǎn)錯過感興趣的事件，或者增加響應(yīng)延遲。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)外部事件不能當(dāng)作確定性現(xiàn)象來建模，否則就沒有必要部署監(jiān)控系統(tǒng)了。因此，對事件發(fā)生的估計應(yīng)該具有概率特征，感知任務(wù)的知識可以用來建立一個預(yù)測事件發(fā)生率和持續(xù)時間的逼真概率模型。一個精確的事件到達(dá)模型能夠保證DPM策略提供正確的配置模式，使節(jié)點(diǎn)擁有最長的生存期和最小的能量消耗。10.2.2動態(tài)調(diào)度動態(tài)電壓調(diào)度(DVS)和動態(tài)頻率調(diào)度(DFS)兩種方法旨在當(dāng)處理器內(nèi)核處于運(yùn)行狀態(tài)時實(shí)時改變其性能，這兩種方法對內(nèi)存單元和通信總線也同樣適用。在大多數(shù)情況下，調(diào)配給處理器的任務(wù)并不需要峰值性能。相反，一些任務(wù)在它們的生存期結(jié)束之前就完成了，之后，處理器就進(jìn)入低功耗的空閑模式。10.2.3節(jié)能模式動態(tài)電壓和頻率調(diào)度中，DPM策略的目標(biāo)是自動確定偏壓(Udd)的高低和處理器子系統(tǒng)的時鐘頻率。特定電壓或頻率的選取受一系列因素的影響，包括應(yīng)用程序的時延要求和任務(wù)的到達(dá)率等。理想情況下，要調(diào)整這兩個參數(shù)使得任務(wù)能夠“恰好準(zhǔn)時”完成。通過這種方式，處理器不會持續(xù)空閑，繼而浪費(fèi)能量。然而，實(shí)際上由于處理器的工作量無法預(yù)知，估計會有誤差，所以不可避免地會有空閑。

10.3概念架構(gòu)

典型的?DPM?策略監(jiān)控各個子系統(tǒng)的活動，并做出最適合的能量配置，從而優(yōu)化整體的功率消耗，而且這個決策應(yīng)該反映應(yīng)用程序的要求。雖然該過程消耗一定的能量，但如果節(jié)省的能量足夠大，就可以認(rèn)為它是合理的。一個準(zhǔn)確的DPM策略需要估計任務(wù)到達(dá)和處理速度的基準(zhǔn)。DPM策略采用集中式還是分布式取決于多方面的因素。一方面，集中式方法的優(yōu)點(diǎn)是更容易獲得某一節(jié)點(diǎn)能耗的全局視圖，從而執(zhí)行一個綜合的調(diào)整策略；另一方面，集中式方法增加了管理子系統(tǒng)的計算開銷。分布式方法允許各個子系統(tǒng)進(jìn)行局部的能量管理，有良好的可伸縮性，這種做法的問題是局部策略有時會與全局策略相矛盾。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)及其執(zhí)行的任務(wù)都相對簡單，因而大多數(shù)現(xiàn)有的能量管理策略都提倡集中式方法。在集中式方法中，主要的問題是哪個子系統(tǒng)(如處理器子系統(tǒng)或電源子系統(tǒng))為處理任務(wù)負(fù)責(zé)。直觀地說，電源子系統(tǒng)應(yīng)該執(zhí)行管理任務(wù)，因?yàn)樗型暾墓?jié)點(diǎn)能量剩余信息及每個子系統(tǒng)的功耗預(yù)算信息。然而，電源子系統(tǒng)缺乏與處理器子系統(tǒng)相關(guān)的重要信息，如任務(wù)到達(dá)速率和各個任務(wù)的優(yōu)先級。此外，它還需要有一定的計算能力，目前可用的電源子系統(tǒng)不具備這些特點(diǎn)。大多數(shù)現(xiàn)有的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)以處理器子系統(tǒng)為核心，其他子系統(tǒng)都通過它來相互通信。此外，操作系統(tǒng)在處理器子系統(tǒng)上運(yùn)行、管理、確定優(yōu)先級和調(diào)度任務(wù)等。因此，處理器子系統(tǒng)對所有其他子系統(tǒng)的活動有一個較全面的認(rèn)識，這些特性使得處理器子系統(tǒng)適合執(zhí)行DPM。DPM策略的目標(biāo)是優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的能量消耗，但不能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此外，還要滿足感知數(shù)據(jù)的質(zhì)量和時延要求。幸運(yùn)的是，在大多數(shù)真實(shí)環(huán)境中，部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是為了某個特定的任務(wù)，這項(xiàng)任務(wù)不會改變或者只會