无线传感器网络节点能耗分析(基于zigbee)
处理器和传感器模块的功耗很低，绝大部分的能量都消耗在无线通信模块上。而无线通信模块在不同状态及不同状态问转换时,其所耗费的能量大小截然不同。无线通信模块的状态可归结为4种：发射、接收、空闲和睡眠状态。其中，发射和接收状态意味着节点正在发送或者接收数据包；空闲状态下．节点既不发射也不接收数据，只是不断地侦听无线信道．这是为了保证在要接收的数据包到达时，节点能够及时完成接收状态的转换。所以空闲状态下的节点也是要消耗能量的，其值约等于发射状态下的能耗；节点在处于睡眠模式时能耗最低。此时收发机都处在低能耗甚至关闭状态。传输1bit信息100m需要的能量大约相当于执行3000条计算机指令消耗的能量。
定义收发器处于睡眠状态下的时间即睡眠时间为TS，处于空闲状态下的时间为T1，收发器从睡眠状态转换到空闲状态所需的时间为Tw，接收状态和发送状态之间相互转换所需的时间为TT，由空闲状态转换为发射或接收状态时．转换时间很快，可忽略。
在ZigBee网络中．协调器在有信息要接收或发送时会发出信标信号。其他节点在绝大多数时间内则处于睡眠模式，定期醒来接收信标信号。当节点发现信标信号所指向的地址是自己时。发送响应信号给协调器以接收数据。信息交换过程如图所示。
图中，传输的信息包可分为数据包和控制包，两者都有固定的长度和传输时间。数据包和控制包的传输时间分别为TD和TC。假设协凋器以速率λ将数据传输给所属的N个分节点，则每个分节点与协调器之间的传输速率为λ／N．即每个节点平均每L秒收到一个数据包(L=λ/N)。因此，协调器可
以承受的最大传输速率为
式(1)未考虑信息包之间的碰撞。实际上，为了避免包的碰撞，IEEE802.15.4提出了CSMA／CA协议(载波监听多路访问／冲突避免方法)，具有相当高的可靠性。
每个节点接收一个信号包的平均损耗功率为：
其中，等式右边的第1项Ps为节点在睡眠状态下损耗的功率；第2项为睡眠状态和空闲状态下，节点通电和听取长度为TC的信标信号所损耗的功率；第3项为平均每接收一个信息包即每L秒发送响应信号和接收数据包所损耗的功率。PRX为接受状态下消耗的平均功率，PTX为发射状态下消耗的平均功率。
传输时延是指信息包在协调器和终端节点之间传输的时问间隔，主要取决于通信信道的质量，因此可作为通信信道质量的一个标志翻。ZigBee网络的传输时延为
式(3)中，TS+T1+2TC+2TT+TD为协调器向传感器节点发送信息包的传输时延，2TC+2TT+TD为传感器节点向协调器发送信息包的传输时延。
由式(2)、式(3)可知，睡眠时间TS越小，传输时延越小，通信质量越高，但能耗越大。因此需要在在能耗与通信质量之间找到一个平衡．既得到满意的信道质量又尽可能低地降低能耗。
仿真情况：
结果表明，节点的睡眠时间死大于0.5ms后，虽然节点能耗仍随睡眠时间的增大而减少,但变化曲率已趋于平缓;若睡眠时间大于20ms，传输时延的倒数会越来越小且变化曲率趋于平缓．即传输时延会剧烈增大。通信质量急剧下降。因此．节点合适的睡眠时间应保持在20ms以内．即最多每隔20ms,节点应醒来接收信标信号，检查是否有通信要求．这样才能保证网络具有一定的通信质量，同时节点的能耗也可以尽可能地降低。——个人认为应视具体应用来分析。
2010.8.26 ～XF
