傳感器網(wǎng)絡(luò )中的能耗問(wèn)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、戰區等人無(wú)法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境之中，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的電源更換或再充電等工作通常無(wú)法進(jìn)行。廣泛分布于被測環(huán)境的傳感器節點(diǎn)既要負責收集敏感數據，又要完成數據傳輸的路由等功能；而且，攻擊者還可能會(huì )利用侵占節點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò )中注入大量的虛假數據包，致使節點(diǎn)在傳輸這些數據包時(shí)耗盡能量而失去效用。因此，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)電源的無(wú)法替換性使能量消耗問(wèn)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 )軟硬件設計中的核心問(wèn)題。

　　1 傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成及其能量分析

　　典型的傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構通常由分布的傳感器節點(diǎn)、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶(hù)界面等構成。其中，傳感器節點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò )中的獨立工作實(shí)體，其基本的功能子系統包括供電子系統、傳感子系統、計算子系統和通信子系統等，如圖1所示。

　　1.1 供電子系統

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

　　電池作為節點(diǎn)最主要的能量來(lái)源，其性能與容量至關(guān)重要。雖然增加電池容量可以延長(cháng)供電子系統的能量供給時(shí)間，但采用有效的再充電技術(shù)或是太陽(yáng)能等再生性能源則更利于保證供電子系統的能量來(lái)源，為其他子系統實(shí)現持續性的能量供應。一種新的基于i?Bean無(wú)線(xiàn)技術(shù)和“能量獲得”技術(shù)、靠感應振蕩能量轉換器工作的i?Bean無(wú)線(xiàn)發(fā)射機[3]，在沒(méi)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)送數據，為克服遠程無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )面臨的電池工作時(shí)間短等問(wèn)題提供了一種有效的解決途徑。

　　1.2 傳感子系統

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

　　理想情況下，傳感子系統自動(dòng)檢測周期性和非周期性?xún)深?lèi)事件時(shí)[4]，其能量消耗總量可簡(jiǎn)單概括為單次采樣消耗的能量與采樣次數的乘積。因此，要控制該子系統的能量消耗必須從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：一是控制單次數據采樣所消耗的能量，二是控制采樣頻率。前者可通過(guò)采用低功耗器件，從元器件本身有效控制單次數據采樣的能量消耗。對于后者而言，由于傳感器網(wǎng)絡(luò )眾多分布節點(diǎn)中往往是成組節點(diǎn)去監測相同的對象或敏感數據，有選擇性地減少單個(gè)節點(diǎn)的采樣頻率并不會(huì )對被測數據有效性和完整性造成破壞，只要依據應用需求合理設置節點(diǎn)采樣任務(wù)的激活原則，就能在保證數據準確性的前提下，較好地控制該子系統的能量消耗。

　　　　　　　　　　
　　圖1傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)結構框圖

　　1.3 計算子系統

　　計算子系統包括微處理器/微控制器、存儲器和I/O接口電路等硬件；負責控制傳感器、執行通信協(xié)議和處理傳感數據等軟件算法；是節點(diǎn)的控制和計算核心。

　　作為節點(diǎn)的功能控制中心和數據計算中心，計算子系統功能復雜，與其他各個(gè)子系統聯(lián)系緊密，因此，計算子系統的功能強弱、性能高低、在不同工作狀態(tài)（活動(dòng)、空閑和休眠等）的持續時(shí)長(cháng)以及不同狀態(tài)間的相互切換等，都會(huì )嚴重影響整個(gè)節點(diǎn)的能量消耗。低功耗器件、適時(shí)休眠和空閑時(shí)的降頻技術(shù)，都是硬件上減少計算子系統能量消耗的常用技術(shù)，節點(diǎn)間的功能輪換則使從網(wǎng)絡(luò )的整體來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的能量消耗相對均衡。

　　自組織的簇生成、傳輸數據的加密/解密以及通信鏈路的建立和維護等，都是通過(guò)執行相應的指令序列來(lái)完成的，算法越復雜，指令條數就越多，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一體，有效、可靠的算法往往具有較高的復雜性；簡(jiǎn)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(mǎn)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(luò )節點(diǎn)還易于遭受物理?yè)p壞攻擊，使得非對稱(chēng)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據處理算法并不適合于傳感器網(wǎng)絡(luò )。依據應用環(huán)境的需求，傳感器網(wǎng)絡(luò )對各控制和數據處理算法往往會(huì )有不同層次的要求。因此，每種控制或數據處理算法都是傳感器網(wǎng)絡(luò )中的非常具有挑戰性的研究領(lǐng)域，需要根據節點(diǎn)能源的發(fā)展水平和技術(shù)特點(diǎn)，大幅度改造現有的成熟算法，或重新設計新的處理算法，甚至于在必要的時(shí)候；還可通過(guò)適當降低網(wǎng)絡(luò )或節點(diǎn)的性能來(lái)控制節點(diǎn)能量消耗，以有效延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期。