傳感器網(wǎng)絡中的能耗問題研究

　　基于電池供電的傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡軟硬件設計中的核心問題。

　　1 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點組成及其能量分析

　　典型的傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構通常由分布的傳感器節(jié)點、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等構成。其中，傳感器節(jié)點作為網(wǎng)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(zhuǎn)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(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)，為克服遠程無線傳感器網(wǎng)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(zhuǎn)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(wǎng)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(wǎng)絡節(jié)點結(jié)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(wǎng)絡的整體來實現(xiàn)網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡。依據(jù)應用環(huán)境的需求，傳感器網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡或節(jié)點的性能來控制節(jié)點能量消耗，以有效延長網(wǎng)絡的生命周期。