重要性与意义：能量管理

对于无线自组网、蜂窝等无线网络，首要考虑的是提供良好的通信服务质量和高效地利用无线网络带宽，其次才是节省能量。传感器网络存在着能量约束问题，它的一个重要设计目标就是高效使用传感器结点的能量，在完成应用要求任务的前提下，尽量延长整个网络系统的生存周期。

传感器结点采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，一次部署终生使用，所以更换电池就比较困难。如何节省电源，最大化网络生存周期？低功耗设计是传感器网络的关键技术之一。

传感器结点中消耗能量的模块有传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗都很低。无线通信模块可以处于发送、接收、空闲或睡眠状态，空闲状态是侦听无线信道上的信息，但不发送或接收；睡眠状态就是无线通信模块处于不工作状态。网络协议决定了传感器网络各结点之间的通信机制和无线通信模块的工作过程。传感器网络协议栈的核心部分是网络层协议和数据链路层协议。网络层主要是路由协议选择采集信息和控制消息的传输路径，就是决定哪些结点形成转发路径，路径上的所有结点都要消耗一定的能量来转发数据。数据链路层的关键是MAC协议，其控制相邻结点之间无线信道的使用方式，决定无线通信模块的工作模式（发送、接收、空闲或睡眠）。因此，路由协议和MAC协议是影响传感器网络能量消耗的重要因素。

通常随着通信距离的增加，能耗急剧增加。通常为了降低能耗，应尽量减小单跳通信距离。简单地说，多个短距离跳的数据传输比一个长跳的数据传输的能耗会低些。因此，在传感器网络中要减少单跳通信距离，尽量使用多跳短距离的无线通信方式。

无线传感器网络的能量管理（Energy Management，EM）主要体现在传感器结点电源管理（Power Management，PM）和有效的节能通信协议设计。在一个典型的传感器结点结构中，与电源单元发生关联的有很多模块，除了供电模块以外，其余模块都存在电源能量消耗。从传感器网络的协议体系结构来看，它的能量管理机制是一个覆盖从物理层到应用层的跨层协议设计问题。(www.xing528.com)

传感器结点通常由4个部分组成：处理器模块、无线通信模块、传感器模块和电源管理模块，如图4－23所示。其中传感器模块的能耗与应用特征相关，采样周期越短、采样精度越高，则传感器模块的能耗越大。我们可以通过在应用允许的范围内，适当地延长采样周期，采用降低采样精度的方法来降低传感器模块的能耗。事实上，由于传感器模块的能耗要比处理器模块和无线通信模块的能耗低得多，几乎可以忽略，因此通常只讨论处理器模块和无线通信模块的能耗问题。

图4－23　传感器网络结点的通常构成

（1）处理器模块能耗。处理器模块包括微处理器和存储器，用于数据存储与预处理结点的处理。能耗与结点的硬件设计、计算模式紧密相关。目前对能量管理的设计都是在应用低能耗器件的基础上，在操作系统中使用能量感知方式进一步减少能耗，延长结点的工作寿命。

（2）无线通信模块。无线通信模块用于结点间的数据通信，它是结点中能耗最大的部件。因此，无线通信模块节能是通常的设计重点。传感器网络的通信能耗与无线收发器以及各个协议层紧密相关，它的管理体现在无线收发器的设计和网络协议设计的每一个环节。