基于程序分析的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于程序分析的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，包括步驟：步驟一，搭建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)群集；步驟二，進(jìn)行程序分析；步驟三，函數(shù)調(diào)度優(yōu)化；步驟四，基本塊級優(yōu)化。本發(fā)明利用程序分析的結(jié)果進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化，通過對調(diào)用頻率最高的內(nèi)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行有效調(diào)度，實現(xiàn)了降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。
【專利說明】基于程序分析的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，具體是一種基于程序分析的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱WSN)生存時間要求長達(dá)數(shù)月或數(shù)年，節(jié)點一般采用容量有限的電池供電，而且不方便更換電池，在維護(hù)性能的前提下，如何節(jié)省能耗并延長運行時間是其應(yīng)用的重要挑戰(zhàn)。
[0003]嵌入式系統(tǒng)功耗優(yōu)化最先集中在硬件級，包括電路級、RTL級，級別越高就需要更大的能耗空間以及更高的設(shè)計成本。由于硬件級功耗優(yōu)化已經(jīng)遇到瓶頸，軟件級功耗建模與優(yōu)化為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了節(jié)能的新途徑。有學(xué)者首先提出了對嵌入式軟件進(jìn)行功耗分析的一些基本概念，建立了基本的指令級功耗模型。隨后，許多研究者紛紛開展了各種傳統(tǒng)編譯優(yōu)化技術(shù)在低功耗方面的改良研究，主要工作集中在分支預(yù)測、循環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、存儲器和cache分配優(yōu)化等方面，在保持程序語義和遵守目標(biāo)機器資源限制的條件下，以形成各種功耗優(yōu)化的程序分析技術(shù)。
[0004]目前基于程序分析的軟件功耗優(yōu)化工作主要集中在源程序結(jié)構(gòu)級，技術(shù)也相對成熟，如循環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，已經(jīng)在編譯器中得到了部分實現(xiàn)，并取得了良好的功耗優(yōu)化效果；算法級的功耗優(yōu)化措施，借鑒現(xiàn)有的一些算法優(yōu)化設(shè)計措施，如改善數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、壓縮數(shù)據(jù)存儲空間、減少重復(fù)計算與算法冗余度、貪心法等，降低算法的空間復(fù)雜度和時間復(fù)雜度，從而改善軟件功耗。
[0005]程序分析功耗優(yōu)化方法主要偏重于靜態(tài)分析方法，尤其偏重于編譯階段。通過針對源代碼的程序分析，變換某種結(jié)構(gòu)，達(dá)到降耗的效果。程序分析這幾年已經(jīng)有了長足的進(jìn)展，從傳統(tǒng)的靜態(tài)程序分析、動態(tài)程序分析發(fā)展到基于符號執(zhí)行的混合程序分析。這些程序分析新進(jìn)展為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能提供了新思路。
[0006]無線通信領(lǐng)域作為嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用環(huán)境，目前的節(jié)能方法主要是單純的靜態(tài)分析，要么針對每條指令進(jìn)行建模，要么針對整個任務(wù)進(jìn)行建模。缺少對系統(tǒng)的動態(tài)行為能耗分析，以及基本塊、函數(shù)級別的節(jié)能分析。傳統(tǒng)的動態(tài)分析工具有Panorama, Dytan, Pin等，通過動態(tài)監(jiān)控目標(biāo)系統(tǒng)，基于數(shù)據(jù)流、控制流和信息流等進(jìn)行分析。而動靜態(tài)結(jié)合的混合程序分析可以提供基本塊、函數(shù)級別的分析，同時通過動態(tài)注入的方式，獲取程序的功耗和性能參數(shù)。混合程序分析通過細(xì)粒度的功耗調(diào)整方法，打開和關(guān)閉不同的部件、不同的更新和廣播策略來節(jié)能，提供了一個更有效的能耗管理策略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于程序分析的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，先對無線網(wǎng)絡(luò)通信過程中運行的程序進(jìn)行基本塊級的分析，鑒于基本塊是一個程序執(zhí)行的基本單元，能夠?qū)⒂布墑e的細(xì)節(jié)掩蓋起來，綜合考慮每條指令的耦合效果，模型參數(shù)少，精度高。然后通過函數(shù)調(diào)度優(yōu)化可以有效地降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗，因為一個程序中，每一條指令都將激活微處理器中的某些硬件部件，因此正確調(diào)度指令可降低處理器的功耗。此發(fā)明可用于現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。
[0008]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，包括以下步驟:
[0009]一種基于程序分析的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:
[0010]步驟一，搭建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)群集，包括是目標(biāo)、觀測節(jié)點、傳感節(jié)點和感知視場四類基本實體對象，其中每個傳感器節(jié)點都會周期性地對周圍環(huán)境進(jìn)行感知取樣，且末端節(jié)點見收集到的數(shù)據(jù)傳輸給基站，數(shù)據(jù)將在基站進(jìn)行匯聚分析；
[0011]步驟二，進(jìn)行程序分析:
[0012]利用程序profile信息分析工具劃分出傳感器節(jié)點運行程序的函數(shù)級，基于數(shù)據(jù)流、控制流和信息流分析方法檢測出整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)群集運行中最耗能的函數(shù)集，記為集合F。
[0013]集合F中的函數(shù)可用基本塊的集合來標(biāo)識，利用基本塊劃分算法劃分出這些函數(shù)中的基本塊，通過程序動態(tài)分析工具監(jiān)控基本塊模型，檢測出每個基本塊的運行時間。其中基本塊劃分方法如下:
[0014](I)確定基本塊的入口語句，
[0015](2)構(gòu)造每一入口語句的基本塊:由該入口語句到下一入口語句之間的語句序列組成。
[0016]步驟三，函數(shù)調(diào)度優(yōu)化:針對集合F的函數(shù)為內(nèi)聯(lián)函數(shù)這一情況，將大部分間接調(diào)用轉(zhuǎn)換為直接調(diào)用，使得函數(shù)調(diào)用的開銷大大減少。
[0017]步驟四，基本塊級優(yōu)化:分析集合F中基本塊的運行狀態(tài):
[0018]對于基本塊運行平均時間較長的函數(shù)，即基本塊運行平均時間排在F所有函數(shù)最前30%的，則加大這部分函數(shù)正常態(tài)和休眠態(tài)的切換頻率。
[0019]對于基本塊運行平均時間較短的函數(shù)，即基本塊運行平均時間排在F所有函數(shù)最后30%的，則縮短這部分函數(shù)正常態(tài)的時間。
[0020]所述的最耗能的函數(shù)集，集合F為整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運行中被調(diào)用最多的函數(shù)，將運行程序中的所有函數(shù)按被調(diào)用次數(shù)從高到低排序，取第一梯隊的函數(shù)作為之后優(yōu)化的對象(第一梯隊的函數(shù)指的是被調(diào)用次數(shù)不低于最大次數(shù)90%的函數(shù))，由于這些被調(diào)用最多的函數(shù)必定會造成較高的能耗，故在能耗優(yōu)化上先對這些函數(shù)進(jìn)行處理。
[0021]所述的小規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)群集包括:四類基本實體對象，分別是目標(biāo)，觀測節(jié)點，傳感節(jié)點和感知視場。大量傳感節(jié)點隨機部署在目標(biāo)的鄰近區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對目標(biāo)監(jiān)測的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標(biāo)信號經(jīng)本地的簡單處理后通過鄰近傳感節(jié)點多跳傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶可以通過外部網(wǎng)絡(luò)與觀測節(jié)點進(jìn)行交互，觀測節(jié)點可向傳感節(jié)點發(fā)布查詢請求和控制指令，接受傳感節(jié)點返回的目標(biāo)信息。傳感器節(jié)點一般都由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和供電模塊組成。
[0022]采用額外的硬件電路對整個網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點的功率消耗進(jìn)行測量分析?；谲浖结槍φ麄€無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時監(jiān)測，即通過插入能耗測量代碼，再配合外部硬件電路來計算節(jié)點能耗。[0023]所述的程序分析包括:通過動靜態(tài)結(jié)合的混合程序分析方法，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于動態(tài)程序注入的基本塊級能耗模型，通過函數(shù)Summary的方法，得到函數(shù)級的高層功耗模型。由于單純的動態(tài)程序分析方法是在目標(biāo)程序運行時進(jìn)行某些關(guān)鍵特征的提取以及監(jiān)控，一次運行只能達(dá)到一條路徑。針對動態(tài)分析路徑覆蓋率低的問題，可以通過輔助靜態(tài)分析的方法進(jìn)行優(yōu)化。
[0024]所述的程序分析，是指利用一些信息分析工具，分析程序的流程邏輯與控制結(jié)構(gòu)，尋找程序變量與值間的依賴關(guān)系，為程序優(yōu)化提供索引，提供了詳細(xì)的靜態(tài)分析用于檢查代碼的冗余。
[0025]所述的基本塊，是指程序一個順序執(zhí)行的語句序列，其中只有一個入口和一個出口，入口就是其中的第一個語句，出口就是其中的最后一個語句。對一個基本塊來說，執(zhí)行時只從其入口進(jìn)入，從其出口退出。
[0026]所述的函數(shù)調(diào)度優(yōu)化包括:通過基本塊能耗模型，在函數(shù)級進(jìn)行不同運行狀態(tài)的調(diào)節(jié)，開關(guān)不同的外部設(shè)備，并根據(jù)路由協(xié)議和傳輸路徑，設(shè)定不同的運行狀態(tài)，盡量保持基本塊級調(diào)度的能耗最小化。根據(jù)基本塊運行時間的長短，調(diào)節(jié)正常態(tài)和休眠態(tài)在整個工作狀態(tài)中的比例。在函數(shù)級上，開銷最大的函數(shù)均為內(nèi)聯(lián)函數(shù)，在編譯時，對于一個可以inline的函數(shù)，在每一個調(diào)用這個函數(shù)的地方，直接以函數(shù)的內(nèi)容代替，因此默認(rèn)不會生成這個函數(shù)的函數(shù)體。對函數(shù)進(jìn)行inline優(yōu)化時，由于可以減少調(diào)用函數(shù)的開銷，這種方法適用于大量頻繁調(diào)用的小函數(shù)，由于會將函數(shù)的內(nèi)容復(fù)制到每一處調(diào)用的地方，會增加編譯二進(jìn)制文件的體積。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用程序分析的結(jié)果進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗優(yōu)化，是既軟件架構(gòu)級、算法級之后更細(xì)分的基本塊級優(yōu)化，通過對調(diào)用頻率最高的內(nèi)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行有效調(diào)度，實現(xiàn)了降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明基于程序分析的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的流程圖。
[0029]圖2是本發(fā)明的實施案例流程圖。
【具體實施方式】
[0030]下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
[0031]一種基于程序分析的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，包括第一步，搭建一個小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)群集；第二步，對于整個網(wǎng)絡(luò)運行程序進(jìn)行分析，劃分出函數(shù)級，再在函數(shù)級基礎(chǔ)上劃分出基本塊級；第三步，函數(shù)調(diào)度優(yōu)化；第四步，基本塊級優(yōu)化。
[0032]其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)群集中的每個傳感器節(jié)點都會周期性地對周圍環(huán)境進(jìn)行感知取樣，如對環(huán)境溫度的記錄，所有末端節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)會不斷傳給基站，數(shù)據(jù)將在基站進(jìn)行匯聚分析；在群集工作期間，對其加入能耗測量模塊，利用基于外部電流測量的方法計算出每個節(jié)點的實際能耗；測量完功耗優(yōu)化前的整個網(wǎng)絡(luò)的能耗后，進(jìn)入程序分析這一步驟，利用傳統(tǒng)的動態(tài)分析工具，如Panorama, Dytan, Pin等,通過動態(tài)監(jiān)控目標(biāo)系統(tǒng),基于數(shù)據(jù)流、控制流和信息流分析等方法便可檢測出整個網(wǎng)絡(luò)運行過程最耗能的基本塊；針對前三個最耗能的基本塊，進(jìn)行代碼分析后發(fā)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)函數(shù)是最耗能的，修改內(nèi)聯(lián)函數(shù)將大部分間接調(diào)用轉(zhuǎn)換為直接調(diào)用，函數(shù)調(diào)用的開銷大大減少；對優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)再實施能耗測量，能發(fā)現(xiàn)能耗相較于優(yōu)化前有了大幅度的下降。
[0033]本實施例具體操作過程如下:
[0034]搭建一個小規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)群集，其中傳感器節(jié)點采用CrossBow公司生產(chǎn)的TelosB節(jié)點，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中至少有一個節(jié)點作為基站，其他若干節(jié)點作為普通節(jié)點。在TinyOS下編寫基站程序和節(jié)點程序，然后將程序燒錄到每個節(jié)點上，每個普通節(jié)點的程序相同，但在燒錄過程中需指定ID號以區(qū)分。網(wǎng)絡(luò)中各相鄰的節(jié)點可以完成相互間的通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過無線通信方式形成了一個多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
[0035]在節(jié)點正常工作或休眠期間，由一路供電電源(供電電壓為V)對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電，供電線路中串聯(lián)一個小阻值電流采樣電阻R。電流采樣電阻R兩端的電壓Vl送入差分放大器進(jìn)行放大，放大倍數(shù)固定為K。放大后的電壓信號V2經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并進(jìn)行后端的數(shù)據(jù)處理、存儲和顯示。由于引入了差分放大器，可以測量到電流采樣電阻微弱的兩端電壓差，因此電流采樣電阻可以很小，典型的傳感器節(jié)點最大供電電壓為3V，最大電流為40mA，電流采樣電阻為0.5 Ω，若放大倍數(shù)K為100，則滿量程輸出為2V，足以滿足需求。即使對于最大工作電流，電流采樣電阻上帶來的壓降也僅為20mV，對傳感器節(jié)點的工作幾乎沒有影響。人工觀察數(shù)字示波器，得出多次電壓的測量值，再根據(jù)公式P=V*I=(V電源-V電阻)*V電阻/R電阻，得出多次節(jié)點的能耗值取其平均。測量小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)群集上的所有節(jié)點能耗得出整個網(wǎng)絡(luò)的總能耗。
[0036]程序分析過程涉及到修改makefile文件這個步驟。操作系統(tǒng)TinyOS中的makefile文件保存了編譯器和連接器的參數(shù)選項，還表述了所有源文件之間的關(guān)系，創(chuàng)建程序(make)首先讀取makefile文件，然后再激活編譯器，匯編器，資源編譯器和連接器以便產(chǎn)生最后的輸出?，F(xiàn)在每個節(jié)點的makefile文件中手動添加pg參數(shù)，gprof工具可以顯示flat profile，包括每個函數(shù)的調(diào)用次數(shù)，每個函數(shù)消耗的處理器時間，可以顯示callgraph，包括函數(shù)的調(diào)用關(guān)系，每個函數(shù)調(diào)用花費了多少時間，可以顯示注釋的源代碼，這是程序源代碼的復(fù)本，標(biāo)記有程序中每行代碼的執(zhí)行次數(shù)。修改完makefile文件后makeclean,重新make,在終端下使用gprof命令得出所有函數(shù)被調(diào)用的統(tǒng)計值,編寫bash腳本文件使得這些函數(shù)按照被調(diào)用頻率從高到低依次排序，針對排名靠前的函數(shù)進(jìn)行代碼優(yōu)化。統(tǒng)計信息顯示開銷最大的函數(shù)均為內(nèi)聯(lián)函數(shù)，這為之后的函數(shù)調(diào)度模塊提供了實施的可能性。
[0037]函數(shù)調(diào)度模塊主要針對內(nèi)聯(lián)函數(shù)的優(yōu)化。內(nèi)聯(lián)函數(shù)只有當(dāng)函數(shù)比較短小的時候它才能得到很好的效果，如果函數(shù)并不是很短而且在很多地方都被調(diào)用，會使得可執(zhí)行體的體積增大，而且當(dāng)編譯器拒絕inline的時候，會造成性能的下降，這些開銷最大的內(nèi)聯(lián)函數(shù)大多都是出于這樣的原因。于是，修改inline函數(shù)，將間接調(diào)用改成直接調(diào)用。實施功耗優(yōu)化的函數(shù)調(diào)度模塊之后，再次利用能耗測量模塊，測出此時網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總能耗，與優(yōu)化前的網(wǎng)絡(luò)相比，有了明顯的下降。
[0038]綜上所述，我們提出了上述的基于程序分析的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其優(yōu)化方法，利用程序分析工具動態(tài)分析出各個基本塊的能耗情況，建立了基本塊能耗模型，著重對功耗高的基本塊進(jìn)行基本塊級的運行狀態(tài)更改，以及對這些基本塊包含的函數(shù)進(jìn)行代碼優(yōu)化，這一軟件上的改進(jìn)可應(yīng)用在現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，實驗測試出這樣的方法是可以明顯下降無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功耗的。
【權(quán)利要求】
1.一種基于程序分析的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 步驟一，搭建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)群集，包括是目標(biāo)、觀測節(jié)點、傳感節(jié)點和感知視場四類基本實體對象，其中每個傳感器節(jié)點都會周期性地對周圍環(huán)境進(jìn)行感知取樣，且末端節(jié)點見收集到的數(shù)據(jù)傳輸給基站，數(shù)據(jù)將在基站進(jìn)行匯聚分析； 步驟二，進(jìn)行程序分析: 利用程序profile信息分析工具劃分出傳感器節(jié)點運行程序的函數(shù)級，基于數(shù)據(jù)流、控制流和信息流分析方法檢測出整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)群集運行中最耗能的函數(shù)集，記為集合F。 集合F中的函數(shù)用基本塊的集合來標(biāo)識，利用基本塊劃分方法劃分出這些函數(shù)中的基本塊，通過程序動態(tài)分析工具監(jiān)控基本塊模型，檢測出每個基本塊的運行時間； 步驟三，函數(shù)調(diào)度優(yōu)化:針對集合F的函數(shù)為內(nèi)聯(lián)函數(shù)這一情況，將間接調(diào)用轉(zhuǎn)換為直接調(diào)用，使函數(shù)調(diào)用的開銷減少； 步驟四，基本塊級優(yōu)化:分析集合F中基本塊的運行狀態(tài): 對于基本塊運行平均時間長的函數(shù)，即基本塊運行平均時間排在F所有函數(shù)最前的30%，則加大這部分函數(shù)正常態(tài)和休眠態(tài)的切換頻率。 對于基本塊運行平均時間短的函數(shù)，即基本塊運行平均時間排在F所有函數(shù)最后的30%,則縮短這部分函數(shù)正常態(tài)的時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于程序分析的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，其特征在于，所述的最耗能的函數(shù)集是將運行程序中的所有函數(shù)按被調(diào)用次數(shù)從高到低排序，被調(diào)用次數(shù)不低于最大次數(shù)90%的函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于程序分析的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法，其特征在于， 所述的步驟二中，基本塊劃分方法，包括如下步驟: (1)確定基本塊的入口語句， (2)構(gòu)造每一入口語句的基本塊:由該入口語句到下一入口語句之間的語句序列組成。
【文檔編號】H04W24/02GK103648116SQ201310563735
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】陳潤, 戚正偉, 管海兵, 辛銳 申請人:上海交通大學(xué)