傳感器網(wǎng)絡(luò )中的能耗問(wèn)題研究

　　由無(wú)線(xiàn)收發(fā)部件構成的通信子系統負責節點(diǎn)的通信任務(wù)。無(wú)線(xiàn)收發(fā)部件采用的調制模式、數據率、發(fā)射功率和操作周期等都是影響通信子系統能量消耗的關(guān)鍵因素。另外，由于通信元器件本身的物理特性等原因，通信子系統即使處于空閑期，也有著(zhù)與接收期幾乎相近的能量消耗。因此，在沒(méi)有通信任務(wù)時(shí)，應盡可能地使通信子系統進(jìn)入休眠期，而不是讓其處于空閑期。

　　短距離無(wú)線(xiàn)通信和減少網(wǎng)絡(luò )通信流量是通信子系統能量消耗控制的主要手段。傳感器網(wǎng)絡(luò )中普遍采用的級跳通信就是通過(guò)縮短通信距離，降低發(fā)射功率的方法實(shí)現能量節省的；數據融合則是通過(guò)減少網(wǎng)絡(luò )流量達到降低能量消耗的目的。

　　數據冗余是保證即使個(gè)別節點(diǎn)或部分通信鏈路失效時(shí)，基站仍能獲取完整數據的有效手段；然而，直接傳輸原始數據則會(huì )嚴重增加網(wǎng)絡(luò )通信量，造成大量無(wú)為的能源消耗。簇首數據融合是消除冗余數據，減少網(wǎng)絡(luò )通信量的有效手段之一。傳統的簇首數據融合方式中，簇首節點(diǎn)接收簇內各節點(diǎn)傳來(lái)的數據，然后通過(guò)內容檢查并消除冗余后將結果數據上傳基站。此種方式僅是降低了數據路由過(guò)程中的能源消耗，對簇內數據傳輸的節點(diǎn)能源消耗問(wèn)題沒(méi)有影響。

　　如圖2所示，基于安全模板的數據融合機制，是通過(guò)少量數據傳輸替代大量數據傳輸的方法來(lái)更進(jìn)一步地降低簇內的網(wǎng)絡(luò )通信量[5]。其中，傳感器節點(diǎn)并不直接傳輸采集數據，而是用從簇首節點(diǎn)接收到的安全模板生成采集數據的組合代碼后再上傳；簇首節點(diǎn)接收到傳感器節點(diǎn)上傳的代碼數據，檢查冗余后有選擇地向部分傳感器節點(diǎn)申請傳輸實(shí)際數據，以有效降低簇內的網(wǎng)絡(luò )通信量。最后，簇首節點(diǎn)從選定的傳感器節點(diǎn)接收到無(wú)冗余的采集數據并直接上傳基站。

　　　　　　　　
圖2基于安全模板的數據融合

　　 基于安全模板的數據融合機制是對傳統數據融合機制的有益補充，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能源消耗更加合理，安全模板還可減化數據加密算法，更進(jìn)一步地降低能源消耗。不過(guò)，模板種子的更換頻率太慢會(huì )嚴重影響到網(wǎng)絡(luò )安全，太快又可能造成不必要的模板數據傳輸，頻繁喚醒傳感器節點(diǎn)進(jìn)行模板數據處理，導致無(wú)為的能源消耗。因此，此方法的有效性取決于網(wǎng)絡(luò )數據冗余的量，和冗余數據傳輸與模板數據傳輸/處理的能源消耗比例。

　　2 能量攻擊防范

　　傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)無(wú)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。與常規的資源消耗攻擊有所不同，能源攻擊即是針對節點(diǎn)能源的有限性，不以消耗節點(diǎn)的計算和存儲資源為目的，而是著(zhù)重消耗節點(diǎn)的能量。攻擊者利用侵入節點(diǎn)，向網(wǎng)絡(luò )注入大量的虛假數據，致使節點(diǎn)，尤其是路由節點(diǎn)，在大量的數據通信中耗盡能量而失效，從而導致整個(gè)網(wǎng)絡(luò )癱瘓。由此而言，入侵者的首要目的是消耗路由節點(diǎn)的能量，其注入的虛假數據的傳送距離越遠，影響的節點(diǎn)數就越多。由于入侵者可能獲得侵占節點(diǎn)的完全控制權，標準的驗證機制對這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )內部攻擊的行為是沒(méi)有作用的。

　　文獻[6]提出的檢出虛假數據機制，是在網(wǎng)絡(luò )中設置匯流節點(diǎn)，并由匯流節點(diǎn)來(lái)認證傳感器節點(diǎn)的身份和整合數據報，基站與匯流節點(diǎn)進(jìn)行有效的分析和交互驗證后檢出虛假的數據報。該機制的重點(diǎn)是由基站檢出入侵者注入的虛假數據以防止決策錯誤，而由于其不能減少虛假數據報的傳送距離，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點(diǎn)注入的虛假數據包，以達到安全需要和降低由此產(chǎn)生的能源消耗，文獻[7]將交互驗證的思想進(jìn)一步擴展，在簇首節點(diǎn)到基站的數據傳送鏈路上的各個(gè)節點(diǎn)間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖3所示，從而所有節點(diǎn)以一種交錯的逐跳方式驗證其要傳遞的數據包。只有t+1（t是設定的安全上限，取簇內的節點(diǎn)數）個(gè)節點(diǎn)全部通過(guò)認證，數據包才能被傳遞到基站，因此，只要被攻擊的節點(diǎn)數小于等于t，基站或沒(méi)有被攻擊的節點(diǎn)就能檢測出并丟棄由入侵者注入的虛假數據包。

　　　　　　　　
圖3節點(diǎn)關(guān)聯(lián)示意圖(t=3)

　　3 結論

　　涉及傳感器網(wǎng)絡(luò )軟件、硬件各個(gè)層面的能量消耗問(wèn)題至關(guān)網(wǎng)絡(luò )生命周期。從網(wǎng)絡(luò )構成及其運行過(guò)程而言，節點(diǎn)各個(gè)子系統的能量消耗又相互影響，此消彼長(cháng)，針對單一子系統的能量消耗控制策略并不能從根本上解決問(wèn)題。因此必須結合網(wǎng)絡(luò )的應用環(huán)境，從器件選擇、數據處理算法的有效性和復雜性、數據通信量和網(wǎng)絡(luò )運行機制等方面兼顧各個(gè)子系統的功能特點(diǎn)和性能要求，整體上評估能量消耗問(wèn)題，必要時(shí)甚至適當降低性能標準，以設計相應的消耗控制策略，有效延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期?？傮w上而言，傳感器網(wǎng)絡(luò )能量消耗控制策略應著(zhù)重從器件本身的功耗特殊性、休眠進(jìn)入原則、縮短通信距離和減少網(wǎng)絡(luò )流量這幾個(gè)方面進(jìn)行量化和設計。然而到目前為止，傳感器網(wǎng)絡(luò )的能量有效性還沒(méi)有被模型化和量化，也不具有被普遍接受的標準，需要更進(jìn)一步地深入研究。