移动计算大作业

计算机科学与技术学院移动计算技术课程设计学号：S314专业：计算机科学与技术学生姓名：任课教师：2014年12月物联网低功耗技术研究1. 低功耗技术研究背景1.1.研究意义自1999年美国移动计算和网络国际会议提出物联网的概念以来，物联网的研究已经经过了十几个年头。

物联网近年来在国内外取得了长足的发展，业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本，另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

对比欧美各国，我国人口、行业众多，物联网将迎来巨大的发展和应用，因此，为了避免以往技术“先发展，后治理”的误区，适应通信绿色化的发展趋势，减小通信行业发展对生态环境造成的压力，未雨绸缪，提前从产业政策、关键技术等方面开展“绿色物联网”即“低功耗物联网研究”，是十分必要的。

1.2.国内外物联网低功耗技术发展动态分析进入21世纪以来，世界各国普遍认识到全球范围内日益增长的能源消耗及减少温室效应以保护生态环境的迫切需求已经将能源问题变成全人类所面临的不可回避的重大挑战和共同使命之一。

根据2011年11月国务院常委会议知：作为世界上最大的发展中国家及第二大能源消费国，中国政府已经作出郑重承诺“到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%”。

为了实现这个目标，通信行业必然要走“绿色”之路，而且从目前情况来看，通信行业已经成为了耗电大户，排在全国各行业的第12位，巨额的用电成本不仅阻碍了行业的发展，也意味着碳排放量的大幅度升高。

目前国际上标准化组织对绿色物联网高度关注，并于2010年成立了专门的技术组织ISO/IECJTCISC39《信息技术与可持续发展》。

部分标准化组织已经展开了对物联网能耗方面的跟踪和研究。

1.第三代合作伙伴计划（3GPP）。

在3GPP中，与物联网线管的主要是“机器到机器（Machine-to-Machine）”的标准化工作，目标是实现无线传感网络与蜂窝网络的融合，主要是根据M2M通信的特点对现有GSM网络及未来的第三代移动通信系统（3G）和第四代（4G）网络进行优化。

2.Internet工程任务组。

Internet工程任务组（IETF）重点关注无线传感网络的路由问题，共成立了三个工作组来进行低功耗IPV6网络方面的研究。

3.其他标准化组织。

目前各大主流标准化组织对物联网的关注还是偏重应用与网络建设，对能效部分关注并不多，但是由于物联网的底层传感器的底层传感器节点能耗有限，所以标准化组织也均在要求上做定义，但是目前还没有具体的标准化工具。

1.3部分参考文献[1]2010年11月，国务院常务会议[2]国家统计局.中国统计年鉴.北京：中国统计出版社，20122.物联网中能耗来源为解决物联网整体耗能问题，需要从物联网的架构出发，找到物联网中无效功耗的来源，从而有针对性地展开物联网的相关研究，推进物联网健康发展。

所以，本文按照功能将物联网分为三层：感知传感层、网络接入与承载层、计算管理与服务应用层。

下面分别对这三层的能耗进行具体分析。

2.1感知传感层的能耗感知传感层是物联网的基础，包含大量的信息生成设备，因此也是物联网中耗能最大的部分。

根据信息生成的流动方向，可以分为信息生成和信息汇聚两个过程。

1）传感信息生成过程中的能耗。

传感信息生成指传感器网络节点、RFID识读器等搜集周围环境信息及特定物品信息的过程。

在信息生成过程中能量损失主要来自三个模块：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变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。

传感器和处理器的无效功耗是器件本身所致，若要提升这部分的能量效率，关键是提高器件的制作工艺，包括新型复合材料、新型低功耗放大器设计等。

2) 传感信息汇聚的能耗。

传感信息汇聚的过程是将感知信息由信息生成节点汇聚到网关的过程。

无效功耗主要来自不合理的网络拓扑结构和低效的路由算法。

拓扑结构和路由算法对于通信网络来说具有非常重要的作用，它们从逻辑上构建整体网络的框架以便数据包在源节点与目的节点之间的多跳传输。

无线传感网络的独有特点使它有别于传统的有线和无线网络：无线链路的随机特性严重影响了通信的可靠性；另外，单一节点有限的计算能力和有限能源支持使用合理的拓扑结构和低能耗、高效能的路由算法显得尤为重要。

2.2．网络接入与承载层的能耗本层连接感知传感层和计算管理与服务应用层，负责传递上下层数据。

按照信息的流向，本层可以分为泛在接入和核心承载两部分。

其中泛在接入网主要包括无线广域网、无线个域网、无线局域网和无线城域网及有线接入网等，是连接传感器网关节点与核心传输网的通道；核心承载包括IP核心传输网部分，负责传感信息的远距离传输。

1) 泛在接入的能耗。

泛在接入涉及的技术众多，能耗分布也相对分散。

泛在接入从整体上可以分为两类：无线接入网和有线接入网。

①无线接入网．从目前的研究来看，无线接入网的能耗主要来自种类繁多的各种基站，包括宏小区基站、微小区基站、皮小区基站和家庭基站等，在整体网络站耗能占到了80%。

②有线接入网．在有线接入网中，能耗主要来自数量众多的接入设备，主机和集线器等。

虽然单个接入设备的能耗较低，大约只有传输设备的1/4，但是由于接入设备数目众多，因此在整个有线网络的耗能中，接入设备的能耗占了70%。

2)传输承载的能耗。

传输承载指IP核心网部分的数据传输过程，即利用互联网进行感知信息的远距离传输。

其能耗主要来自数量众多的硬件设备，具体来说，能耗主要来自数据、控制及辅助这三个平面。

其中数据平面涉及数据包的处理及经过网络接口的转发；控制平面指数据管理、网络配置等；而辅助平面则指空调、电力供应等配套设备。

2.3 计算管理与服务应用层的能耗本层是物联网智慧的源泉，位于网络接入与承载层之上。

总体来说可以分为计算，平面和管理平面。

计算平面包括数据的存储、检索和处理，管理平面包括网络管理（互联网、接入网、无线传感网）和应用管理。

与计算平面相比，管理平面能耗相对较低，多为软件应用，而计算平面由于服务器等硬件设备众多，产生大量电力支出，所以本文重点分析计算平面的能耗来源。

就计算管理与服务应用层来说能耗主要来源于计算平面。

这主要是因为计算平面包含大量的服务器等硬件设备，海量的数据信息需要大量数据中心、计算中心进行存储和处理。

以国电信为例，截至2011年12月，中国电信在国内拥有近300个数据中心、55大海外数据中心及4个全国核心云数据中心。

除了数量众多之外，单一数据中心的能耗也相当惊人，有数据显示，一个典型的数据中心的能耗等于3万个家庭基站能耗的总和。

以上各类能耗成为物联网当前亟待解决的能耗问题。

3. 绿色感知传感层技术鉴于物联网中“物”的广泛性，感知传感层为获得物理世界的信息就需要分布大量的点来采集各种各样的信息，每个节点正常工作都需要耗费一定的能量，并且对于所有的节点所采集到的信息如果不加筛选和处理的话，会对网络的负载造成一定的负担，而且也会增加节点和基站的能耗，影响感知传感层网络的稳定性，因此提高感知传感层的能效势在必行。

目前，国际上具有代表性的传感器网络的体系结构大概分为两类：第一类是UCBerkeley提出的关于分簇的层次结构模型；第二类是水平结构。

分簇层次结构可以有效地使各传感器网络负载均衡，避免路由建立时出现泛洪问题，具有一定的发展潜力。

3.1高能效的信息采集作为物联网的基础，信息采集主要负责各种环境信息的搜集，并将得到的信息有效地发送到传感信息汇聚节点。

高能效的信息采集技术将为实现“绿色物联网”提供有力的保障。

高能效的信息采集技术需要以低能耗的信息采集设备为依托。

信息采集设备总体上可以分为两大类：无线传感网络的传感器节点及RFID等移动信息生成设备。

其中无线传感网络由于传感器节点众多，所以与RFID比起来网络规模更大，耗能节点更多，本节重点介绍传感器节点的低功耗技术。

传感器节点大致可分为三个模块：①传感器模块，负责环境信息的搜集；②处理器模块，负责信息的初步处理；③通信模块，负责信息的发送与接收。

在这三个模块中，能量消耗最大的当属通信模块，这主要因为传感器节点的通信过程中涉及复杂的物理层和MAC算法，并且为了保证通信的有效性，还需要高能耗的功率放大器的支持。

所以提高传感器节点的能量效率的重点在于降低通信模块的能量消耗。

3.1.1通信模块低功耗设计从节点各功能模块能耗分布中可以发现，无线通信模块的能耗占了节点总能耗的绝大部分，因此要想减少无线传感器网络节点的总能耗，最直接的方式就是从降低通信模块的能耗着手，即需要尽可能地减少通信模块的工作时间及每次的发射功率，这可以从减少通信流量和延长睡眠时间两个方面实现，设计高能效的MAC协议，在保证网络工作效率的前提下最大限度地实现感知传感层的节能。

1)减少通信流量。

通过减少通信模块发送和接收的比特数，能降低通信模块的能耗。

无线传感器网络中节点间通信的内容主要分为两类：数据信息和控制信息。

减少数据信息的方法有以下几种：①本地计算和数据融合。

传感器节点采集到的原始数据冗余度较大，因此经过节点CPU的初步处理能够提取出有用信息，有效减少通信量。

②减少碰撞。

当网络中一个节点处在两个或更多节点的覆盖范围内时，如果邻近节点同时给该节点发送数据，在该节点处就会发生碰撞，导致接收节点接收不到任何帧。

碰撞造成很大程度的能量浪费，因此在能效优先的原则下减少碰撞的概率是十分必要的。

③减少串扰。

无线信道具有广播特性，每个节点都能接收到邻居节点在信道中发送的信息，假如该节点对于某些传输过程来说并非目的节点，则节点需要耗费多余的能量来接收这些无效的信息，造成能量的浪费④增加冗余校验和纠错机制。

数据重发会使网络中的数据成倍地增加，因此要减少重发的次数，除尽可能地减少碰撞之外，还可以通过增加冗余校验和纠错机制实现。

冗余校验可以尽早发现错误，纠错机制可以校正少量比特错误的数据包。

(5)减少额外开销。

当节点要发送和接收一些控制包时就会造成系统的额外开销和资源的浪费。

例如，一些协议中采用的RTS和CTS控制包尽管没有携带任何有用的数据，但在网络中传输时仍然要耗费一定的能量，并且RTS和CTS的交互占用了信道容量的40%～75%，因此在无线传感器网络中真正有效的数据帧占用的系统资源是很少的。

通过上述五种方法能够有效减少网络中的数据流量，提高传输效率，最重要的是减少节点间的通信能耗。

2)延长睡眠时间无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态。

无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，而在空闲和接收状态的能量消耗相互接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。

之所以空闲状态与睡眠状态的能耗差距较大，主要原因在于当无线通信模块处在空闲状态时仍然一直监听无线信道的使用情况，以便在自己发送数据时能够优先占用信道，并检查是否有数据发送给自己。