傳感器網(wǎng)絡(luò)中能耗問題的研究

基于電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)通常運(yùn)行在火山地帶、戰(zhàn)區(qū)等人無法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境之中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電源更換或再充電等工作通常無法進(jìn)行。廣泛分布于被測環(huán)境的傳感器節(jié)點(diǎn)既要負(fù)責(zé)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(huì)利用侵占節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中注入大量的虛假數(shù)據(jù)包，致使節(jié)點(diǎn)在傳輸這些數(shù)據(jù)包時(shí)耗盡能量而失去效用。因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源的無法替換性使能量消耗問題相對于傳感器網(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(shè)計(jì)有效的能量消耗控制策略成為傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中的核心問題。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成及其能量分析

典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)通常由分布的傳感器節(jié)點(diǎn)、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等構(gòu)成。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立工作實(shí)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(jì)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(gòu)成，其主要任務(wù)是為其他各個(gè)子系統(tǒng)供給能源。

電池作為節(jié)點(diǎn)最主要的能量來源，其性能與容量至關(guān)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(shí)間，但采用有效的再充電技術(shù)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(shí)現(xiàn)持續(xù)性的能量供應(yīng)。一種新的基于i?Bean無線技術(shù)和“能量獲得”技術(shù)、靠感應(yīng)振蕩能量轉(zhuǎn)換器工作的i?Bean無線發(fā)射機(jī)[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(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的電池工作時(shí)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(gòu)成，主要任務(wù)是負(fù)責(zé)采樣/收集被測控對象的敏感信息，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信息。

理想情況下，傳感子系統(tǒng)自動(dòng)檢測周期性和非周期性兩類事件時(shí)[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(gè)方面進(jìn)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(luò)眾多分布節(jié)點(diǎn)中往往是成組節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣頻率并不會(huì)對被測數(shù)據(jù)有效性和完整性造成破壞，只要依據(jù)應(yīng)用需求合理設(shè)置節(jié)點(diǎn)采樣任務(wù)的激活原則，就能在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 計(jì)算子系統(tǒng)

計(jì)算子系統(tǒng)包括微處理器/微控制器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等硬件;負(fù)責(zé)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(diǎn)的控制和計(jì)算核心。

作為節(jié)點(diǎn)的功能控制中心和數(shù)據(jù)計(jì)算中心，計(jì)算子系統(tǒng)功能復(fù)雜，與其他各個(gè)子系統(tǒng)聯(lián)系緊密，因此，計(jì)算子系統(tǒng)的功能強(qiáng)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(xù)時(shí)長以及不同狀態(tài)間的相互切換等，都會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)節(jié)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(jì)算子系統(tǒng)能量消耗的常用技術(shù)，節(jié)點(diǎn)間的功能輪換則使從網(wǎng)絡(luò)的整體來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(hù)等，都是通過執(zhí)行相應(yīng)的指令序列來完成的，算法越復(fù)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(fù)雜性的矛盾統(tǒng)一體，有效、可靠的算法往往具有較高的復(fù)雜性;簡單算法的有效性、可靠性則可能不適應(yīng)于應(yīng)用需求。應(yīng)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(yuǎn)比硬件的能量消耗控制困難，既要滿足應(yīng)用環(huán)境的需求，還要盡可能降低軟件算法的復(fù)雜性。

另外，資源受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的控制機(jī)制和數(shù)據(jù)處理算法并不適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)應(yīng)用環(huán)境的需求，傳感器網(wǎng)絡(luò)對各控制和數(shù)據(jù)處理算法往往會(huì)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(luò)中的非常具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)能源的發(fā)展水平和技術(shù)特點(diǎn)，大幅度改造現(xiàn)有的成熟算法，或重新設(shè)計(jì)新的處理算法，甚至于在必要的時(shí)候;還可通過適當(dāng)降低網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點(diǎn)的性能來控制節(jié)點(diǎn)能量消耗，以有效延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

1.4 通信子系統(tǒng)

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(shí)，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(jí)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(gè)別節(jié)點(diǎn)或部分通信鏈路失效時(shí)，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(huì)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(gè)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(huì)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(jì)算和存儲(chǔ)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(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(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(bào)，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(bào)。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(cuò)誤，而由于其不能減少虛假數(shù)據(jù)報(bào)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(gè)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(cuò)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(gè)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)語

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(gè)方面進(jìn)行量化和設(shè)計(jì)。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