傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗問題研究

　　由無線收發(fā)部件構(gòu)成的通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的通信任務(wù)。無線收發(fā)部件采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等都是影響通信子系統(tǒng)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(tǒng)即使處于空閑期，也有著與接收期幾乎相近的能量消耗。因此，在沒有通信任務(wù)時，應(yīng)盡可能地使通信子系統(tǒng)進(jìn)入休眠期，而不是讓其處于空閑期。

　　短距離無線通信和減少網(wǎng)絡(luò)通信流量是通信子系統(tǒng)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縮短通信距離，降低發(fā)射功率的方法實(shí)現(xiàn)能量節(jié)省的；數(shù)據(jù)融合則是通過減少網(wǎng)絡(luò)流量達(dá)到降低能量消耗的目的。

　　數(shù)據(jù)冗余是保證即使個別節(jié)點(diǎn)或部分通信鏈路失效時，基站仍能獲取完整數(shù)據(jù)的有效手段；然而，直接傳輸原始數(shù)據(jù)則會嚴(yán)重增加網(wǎng)絡(luò)通信量，造成大量無為的能源消耗。簇首數(shù)據(jù)融合是消除冗余數(shù)據(jù)，減少網(wǎng)絡(luò)通信量的有效手段之一。傳統(tǒng)的簇首數(shù)據(jù)融合方式中，簇首節(jié)點(diǎn)接收簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，然后通過內(nèi)容檢查并消除冗余后將結(jié)果數(shù)據(jù)上傳基站。此種方式僅是降低了數(shù)據(jù)路由過程中的能源消耗，對簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)能源消耗問題沒有影響。

　　如圖2所示，基于安全模板的數(shù)據(jù)融合機(jī)制，是通過少量數(shù)據(jù)傳輸替代大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒▉砀M(jìn)一步地降低簇內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信量[5]。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)并不直接傳輸采集數(shù)據(jù)，而是用從簇首節(jié)點(diǎn)接收到的安全模板生成采集數(shù)據(jù)的組合代碼后再上傳；簇首節(jié)點(diǎn)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的代碼數(shù)據(jù)，檢查冗余后有選擇地向部分傳感器節(jié)點(diǎn)申請傳輸實(shí)際數(shù)據(jù)，以有效降低簇內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信量。最后，簇首節(jié)點(diǎn)從選定的傳感器節(jié)點(diǎn)接收到無冗余的采集數(shù)據(jù)并直接上傳基站。

　　　　　　　　
圖2基于安全模板的數(shù)據(jù)融合

　　 基于安全模板的數(shù)據(jù)融合機(jī)制是對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)融合機(jī)制的有益補(bǔ)充，使整個網(wǎng)絡(luò)的能源消耗更加合理，安全模板還可減化數(shù)據(jù)加密算法，更進(jìn)一步地降低能源消耗。不過，模板種子的更換頻率太慢會嚴(yán)重影響到網(wǎng)絡(luò)安全，太快又可能造成不必要的模板數(shù)據(jù)傳輸，頻繁喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模板數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)致無為的能源消耗。因此，此方法的有效性取決于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)冗余的量，和冗余數(shù)據(jù)傳輸與模板數(shù)據(jù)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(jié)點(diǎn)無人值守、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(guī)的資源消耗攻擊有所不同，能源攻擊即是針對節(jié)點(diǎn)能源的有限性，不以消耗節(jié)點(diǎn)的計算和存儲資源為目的，而是著重消耗節(jié)點(diǎn)的能量。攻擊者利用侵入節(jié)點(diǎn)，向網(wǎng)絡(luò)注入大量的虛假數(shù)據(jù)，致使節(jié)點(diǎn)，尤其是路由節(jié)點(diǎn)，在大量的數(shù)據(jù)通信中耗盡能量而失效，從而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。由此而言，入侵者的首要目的是消耗路由節(jié)點(diǎn)的能量，其注入的虛假數(shù)據(jù)的傳送距離越遠(yuǎn)，影響的節(jié)點(diǎn)數(shù)就越多。由于入侵者可能獲得侵占節(jié)點(diǎn)的完全控制權(quán)，標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證機(jī)制對這類網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部攻擊的行為是沒有作用的。

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

　　　　　　　　
圖3節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)示意圖(t=3)

　　3 結(jié)論

　　涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件、硬件各個層面的能量消耗問題至關(guān)網(wǎng)絡(luò)生命周期。從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及其運(yùn)行過程而言，節(jié)點(diǎn)各個子系統(tǒng)的能量消耗又相互影響，此消彼長，針對單一子系統(tǒng)的能量消耗控制策略并不能從根本上解決問題。因此必須結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境，從器件選擇、數(shù)據(jù)處理算法的有效性和復(fù)雜性、數(shù)據(jù)通信量和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行機(jī)制等方面兼顧各個子系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和性能要求，整體上評估能量消耗問題，必要時甚至適當(dāng)降低性能標(biāo)準(zhǔn)，以設(shè)計相應(yīng)的消耗控制策略，有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。總體上而言，傳感器網(wǎng)絡(luò)能量消耗控制策略應(yīng)著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)流量這幾個方面進(jìn)行量化和設(shè)計。然而到目前為止，傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性還沒有被模型化和量化，也不具有被普遍接受的標(biāo)準(zhǔn)，需要更進(jìn)一步地深入研究。