中心議題：

• 傳感器網(wǎng)絡(luò )中的能耗問(wèn)題研究

解決方案：

• 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
• 基于安全模板的數據融合

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。

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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。

1.4 通信子系統

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。
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 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。

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。