傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗問題研究

基于電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程環(huán)境之中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電源更換或再充電等工作通常無法進(jìn)行。廣泛分布于被測環(huán)境的傳感器節(jié)點既要負(fù)責(zé)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的其他關(guān)鍵技術(shù)而言尤為重要；在不影響性能的前提下，設(shè)計有效的能量消耗控制策略成為傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計中的核心問題。

　　1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成及其能量分析

　　典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)通常由分布的傳感器節(jié)點、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等構(gòu)成。其中，傳感器節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換器等模塊構(gòu)成，其主要任務(wù)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(guān)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(shù)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(yīng)。一種新的基于i?Bean無線技術(shù)和“能量獲得”技術(shù)、靠感應(yīng)振蕩能量轉(zhuǎn)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(chǎn)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(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成，主要任務(wù)是負(fù)責(zé)采樣/收集被測控對象的敏感信息，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(jìn)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)用需求合理設(shè)置節(jié)點采樣任務(wù)的激活原則，就能在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)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(fù)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(yán)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(shù)，都是硬件上減少計算子系統(tǒng)能量消耗的常用技術(shù)，節(jié)點間的功能輪換則使從網(wǎng)絡(luò)的整體來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的指令序列來完成的，算法越復(fù)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(fù)雜性的矛盾統(tǒng)一體，有效、可靠的算法往往具有較高的復(fù)雜性；簡單算法的有效性、可靠性則可能不適應(yīng)于應(yīng)用需求。應(yīng)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(yuǎn)比硬件的能量消耗控制困難，既要滿足應(yīng)用環(huán)境的需求，還要盡可能降低軟件算法的復(fù)雜性。

　　另外，資源受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。依據(jù)應(yīng)用環(huán)境的需求，傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中的非常具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，需要根據(jù)節(jié)點能源的發(fā)展水平和技術(shù)特點，大幅度改造現(xiàn)有的成熟算法，或重新設(shè)計新的處理算法，甚至于在必要的時候；還可通過適當(dāng)降低網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點的性能來控制節(jié)點能量消耗，以有效延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。