傳感器網絡中能耗問題的研究

基于電池供電的傳感器網絡通常運行在火山地帶、戰(zhàn)區(qū)等人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境之中，網絡節(jié)點的電源更換或再充電等工作通常無法進行。廣泛分布于被測環(huán)境的傳感器節(jié)點既要負責收集敏感數(shù)據(jù)，又要完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚傻裙δ?而且，攻擊者還可能會利用侵占節(jié)點向網絡中注入大量的虛假數(shù)據(jù)包，致使節(jié)點在傳輸這些數(shù)據(jù)包時耗盡能量而失去效用。因此，網絡節(jié)點電源的無法替換性使能量消耗問題相對于傳感器網絡的其他關鍵技術而言尤為重要;在不影響性能的前提下，設計有效的能量消耗控制策略成為傳感器網絡軟硬件設計中的核心問題。

1 傳感器網絡節(jié)點組成及其能量分析

典型的傳感器網絡體系結構通常由分布的傳感器節(jié)點、接收發(fā)送器、互聯(lián)網和用戶界面等構成。其中，傳感器節(jié)點作為網絡中的獨立工作實體，其基本的功能子系統(tǒng)包括供電子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)、計算子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)等，如圖1所示。

1.1 供電子系統(tǒng)

供電子系統(tǒng)由電池和ACDC轉換器等模塊構成，其主要任務是為其他各個子系統(tǒng)供給能源。

電池作為節(jié)點最主要的能量來源，其性能與容量至關重要。雖然增加電池容量可以延長供電子系統(tǒng)的能量供給時間，但采用有效的再充電技術或是太陽能等再生性能源則更利于保證供電子系統(tǒng)的能量來源，為其他子系統(tǒng)實現(xiàn)持續(xù)性的能量供應。一種新的基于i?Bean無線技術和“能量獲得”技術、靠感應振蕩能量轉換器工作的i?Bean無線發(fā)射機[3],在沒有電池供電的情況下，能由在50~100 mg力作用下的28~30 Hz振蕩產生1.2~3.6 mV的電壓，并允許在30 m距離上以115 kbps速率發(fā)送數(shù)據(jù)，為克服遠程無線傳感器網絡面臨的電池工作時間短等問題提供了一種有效的解決途徑。

1.2 傳感子系統(tǒng)

傳感子系統(tǒng)由一組傳感器和ADC控制器等構成，主要任務是負責采樣/收集被測控對象的敏感信息，并轉換成相應的數(shù)字信息。

理想情況下，傳感子系統(tǒng)自動檢測周期性和非周期性兩類事件時[4],其能量消耗總量可簡單概括為單次采樣消耗的能量與采樣次數(shù)的乘積。因此，要控制該子系統(tǒng)的能量消耗必須從以下兩個方面進行：一是控制單次數(shù)據(jù)采樣所消耗的能量，二是控制采樣頻率。前者可通過采用低功耗器件，從元器件本身有效控制單次數(shù)據(jù)采樣的能量消耗。對于后者而言，由于傳感器網絡眾多分布節(jié)點中往往是成組節(jié)點去監(jiān)測相同的對象或敏感數(shù)據(jù)，有選擇性地減少單個節(jié)點的采樣頻率并不會對被測數(shù)據(jù)有效性和完整性造成破壞，只要依據(jù)應用需求合理設置節(jié)點采樣任務的激活原則，就能在保證數(shù)據(jù)準確性的前提下，較好地控制該子系統(tǒng)的能量消耗。

圖1傳感器網絡節(jié)點結構框圖

1.3 計算子系統(tǒng)

計算子系統(tǒng)包括微處理器/微控制器、存儲器和I/O接口電路等硬件;負責控制傳感器、執(zhí)行通信協(xié)議和處理傳感數(shù)據(jù)等軟件算法;是節(jié)點的控制和計算核心。

作為節(jié)點的功能控制中心和數(shù)據(jù)計算中心，計算子系統(tǒng)功能復雜，與其他各個子系統(tǒng)聯(lián)系緊密，因此，計算子系統(tǒng)的功能強弱、性能高低、在不同工作狀態(tài)(活動、空閑和休眠等)的持續(xù)時長以及不同狀態(tài)間的相互切換等，都會嚴重影響整個節(jié)點的能量消耗。低功耗器件、適時休眠和空閑時的降頻技術，都是硬件上減少計算子系統(tǒng)能量消耗的常用技術，節(jié)點間的功能輪換則使從網絡的整體來實現(xiàn)網絡節(jié)點的能量消耗相對均衡。

自組織的簇生成、傳輸數(shù)據(jù)的加密/解密以及通信鏈路的建立和維護等，都是通過執(zhí)行相應的指令序列來完成的，算法越復雜，指令條數(shù)就越多，消耗的能量也就越大。然而，算法是有效性、可靠性和復雜性的矛盾統(tǒng)一體，有效、可靠的算法往往具有較高的復雜性;簡單算法的有效性、可靠性則可能不適應于應用需求。應用環(huán)境的多樣性和不確定性，使得軟件算法的能量消耗遠比硬件的能量消耗控制困難，既要滿足應用環(huán)境的需求，還要盡可能降低軟件算法的復雜性。

另外，資源受限的傳感器網絡節(jié)點還易于遭受物理損壞攻擊，使得非對稱密鑰管理協(xié)議等其他計算機網絡中普遍采用的控制機制和數(shù)據(jù)處理算法并不適合于傳感器網絡。依據(jù)應用環(huán)境的需求，傳感器網絡對各控制和數(shù)據(jù)處理算法往往會有不同層次的要求。因此，每種控制或數(shù)據(jù)處理算法都是傳感器網絡中的非常具有挑戰(zhàn)性的研究領域，需要根據(jù)節(jié)點能源的發(fā)展水平和技術特點，大幅度改造現(xiàn)有的成熟算法，或重新設計新的處理算法，甚至于在必要的時候;還可通過適當降低網絡或節(jié)點的性能來控制節(jié)點能量消耗，以有效延長網絡的生命周期。

1.4 通信子系統(tǒng)

由無線收發(fā)部件構成的通信子系統(tǒng)負責節(jié)點的通信任務。無線收發(fā)部件采用的調制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等都是影響通信子系統(tǒng)能量消耗的關鍵因素。另外，由于通信元器件本身的物理特性等原因，通信子系統(tǒng)即使處于空閑期，也有著與接收期幾乎相近的能量消耗。因此，在沒有通信任務時，應盡可能地使通信子系統(tǒng)進入休眠期，而不是讓其處于空閑期。

短距離無線通信和減少網絡通信流量是通信子系統(tǒng)能量消耗控制的主要手段。傳感器網絡中普遍采用的級跳通信就是通過縮短通信距離，降低發(fā)射功率的方法實現(xiàn)能量節(jié)省的;數(shù)據(jù)融合則是通過減少網絡流量達到降低能量消耗的目的。

數(shù)據(jù)冗余是保證即使個別節(jié)點或部分通信鏈路失效時，基站仍能獲取完整數(shù)據(jù)的有效手段;然而，直接傳輸原始數(shù)據(jù)則會嚴重增加網絡通信量，造成大量無為的能源消耗。簇首數(shù)據(jù)融合是消除冗余數(shù)據(jù)，減少網絡通信量的有效手段之一。傳統(tǒng)的簇首數(shù)據(jù)融合方式中，簇首節(jié)點接收簇內各節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，然后通過內容檢查并消除冗余后將結果數(shù)據(jù)上傳基站。此種方式僅是降低了數(shù)據(jù)路由過程中的能源消耗，對簇內數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點能源消耗問題沒有影響。

如圖2所示，基于安全模板的數(shù)據(jù)融合機制，是通過少量數(shù)據(jù)傳輸替代大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒▉砀M一步地降低簇內的網絡通信量[5].其中，傳感器節(jié)點并不直接傳輸采集數(shù)據(jù)，而是用從簇首節(jié)點接收到的安全模板生成采集數(shù)據(jù)的組合代碼后再上傳;簇首節(jié)點接收到傳感器節(jié)點上傳的代碼數(shù)據(jù)，檢查冗余后有選擇地向部分傳感器節(jié)點申請傳輸實際數(shù)據(jù)，以有效降低簇內的網絡通信量。最后，簇首節(jié)點從選定的傳感器節(jié)點接收到無冗余的采集數(shù)據(jù)并直接上傳基站。

圖2基于安全模板的數(shù)據(jù)融合

基于安全模板的數(shù)據(jù)融合機制是對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)融合機制的有益補充，使整個網絡的能源消耗更加合理，安全模板還可減化數(shù)據(jù)加密算法，更進一步地降低能源消耗。不過，模板種子的更換頻率太慢會嚴重影響到網絡安全，太快又可能造成不必要的模板數(shù)據(jù)傳輸，頻繁喚醒傳感器節(jié)點進行模板數(shù)據(jù)處理，導致無為的能源消耗。因此，此方法的有效性取決于網絡數(shù)據(jù)冗余的量，和冗余數(shù)據(jù)傳輸與模板數(shù)據(jù)傳輸/處理的能源消耗比例。

2 能量攻擊防范

傳感器網絡節(jié)點無人值守、資源有限的固有特性，使其遭受的攻擊范圍和形式更加多樣化。與常規(guī)的資源消耗攻擊有所不同，能源攻擊即是針對節(jié)點能源的有限性，不以消耗節(jié)點的計算和存儲資源為目的，而是著重消耗節(jié)點的能量。攻擊者利用侵入節(jié)點，向網絡注入大量的虛假數(shù)據(jù)，致使節(jié)點，尤其是路由節(jié)點，在大量的數(shù)據(jù)通信中耗盡能量而失效，從而導致整個網絡癱瘓。由此而言，入侵者的首要目的是消耗路由節(jié)點的能量，其注入的虛假數(shù)據(jù)的傳送距離越遠，影響的節(jié)點數(shù)就越多。由于入侵者可能獲得侵占節(jié)點的完全控制權，標準的驗證機制對這類網絡內部攻擊的行為是沒有作用的。

文獻[6]提出的檢出虛假數(shù)據(jù)機制，是在網絡中設置匯流節(jié)點，并由匯流節(jié)點來認證傳感器節(jié)點的身份和整合數(shù)據(jù)報，基站與匯流節(jié)點進行有效的分析和交互驗證后檢出虛假的數(shù)據(jù)報。該機制的重點是由基站檢出入侵者注入的虛假數(shù)據(jù)以防止決策錯誤，而由于其不能減少虛假數(shù)據(jù)報的傳送距離，故不能被用于能量攻擊的防范措施。

為盡早檢出和丟棄由被攻擊節(jié)點注入的虛假數(shù)據(jù)包，以達到安全需要和降低由此產生的能源消耗，文獻[7]將交互驗證的思想進一步擴展，在簇首節(jié)點到基站的數(shù)據(jù)傳送鏈路上的各個節(jié)點間建立關聯(lián)關系，如圖3所示，從而所有節(jié)點以一種交錯的逐跳方式驗證其要傳遞的數(shù)據(jù)包。只有t+1(t是設定的安全上限，取簇內的節(jié)點數(shù))個節(jié)點全部通過認證，數(shù)據(jù)包才能被傳遞到基站，因此，只要被攻擊的節(jié)點數(shù)小于等于t,基站或沒有被攻擊的節(jié)點就能檢測出并丟棄由入侵者注入的虛假數(shù)據(jù)包。

圖3節(jié)點關聯(lián)示意圖(t=3)

3 結語

傳感器網絡能量消耗控制策略應著重從器件本身的功耗特殊性、休眠進入原則、縮短通信距離和減少網絡流量這幾個方面進行量化和設計。然而到目前為止，傳感器網絡的能量有效性還沒有被模型化和量