中心議題：

• 傳感器網絡中的能耗問題研究

解決方案：

• 適當降低網絡或節點的性能來控製節點能量消耗
• 基於安全模板的數據融合

基於電池供電的傳感器網絡通常運行在火山地帶
、戰zhan區qu等deng人ren無wu法fa接jie近jin的de惡e劣lie甚shen至zhi危wei險xian的de遠yuan程cheng環huan境jing之zhi中zhong，網wang絡luo節jie點dian的de電dian源yuan更geng換huan或huo再zai充chong電dian等deng工gong作zuo通tong常chang無wu法fa進jin行xing。廣guang泛fan分fen布bu於yu被bei測ce環huan境jing的de傳chuan感gan器qi節jie點dian既ji要yao負fu責ze收shou集ji敏min感gan數shu據ju，又you要yao完wan成cheng數shu據ju傳chuan輸shu的de路lu由you等deng功gong能neng；而(er)且(qie)，攻(gong)擊(ji)者(zhe)還(hai)可(ke)能(neng)會(hui)利(li)用(yong)侵(qin)占(zhan)節(jie)點(dian)向(xiang)網(wang)絡(luo)中(zhong)注(zhu)入(ru)大(da)量(liang)的(de)虛(xu)假(jia)數(shu)據(ju)包(bao)，致(zhi)使(shi)節(jie)點(dian)在(zai)傳(chuan)輸(shu)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)包(bao)時(shi)耗(hao)盡(jin)能(neng)量(liang)而(er)失(shi)去(qu)效(xiao)用(yong)。因(yin)此(ci)
，網(wang)絡(luo)節(jie)點(dian)電(dian)源(yuan)的(de)無(wu)法(fa)替(ti)換(huan)性(xing)使(shi)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)問(wen)題(ti)相(xiang)對(dui)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)的(de)其(qi)他(ta)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)而(er)言(yan)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)；在不影響性能的前提下，設計有效的能量消耗控製策略成為傳感器網絡軟硬件設計中的核心問題。

1 傳感器網絡節點組成及其能量分析

典型的傳感器網絡體係結構通常由分布的傳感器節點、接收發送器
、互聯網和用戶界麵等構成。其中，傳感器節點作為網絡中的獨立工作實體
，其基本的功能子係統包括供電子係統
、傳感子係統
、計算子係統和通信子係統等，如圖1所示。

1.1 供電子係統

供電子係統由電池和ACDC轉換器等模塊構成
，其主要任務是為其他各個子係統供給能源。

電dian池chi作zuo為wei節jie點dian最zui主zhu要yao的de能neng量liang來lai源yuan，其qi性xing能neng與yu容rong量liang至zhi關guan重zhong要yao。雖sui然ran增zeng加jia電dian池chi容rong量liang可ke以yi延yan長chang供gong電dian子zi係xi統tong的de能neng量liang供gong給gei時shi間jian
，但dan采cai用yong有you效xiao的de再zai充chong電dian技ji術shu或huo是shi太tai陽yang能neng等deng再zai生sheng性xing能neng源yuan則ze更geng利li於yu保bao證zheng供gong電dian子zi係xi統tong的de能neng量liang來lai源yuan
，為wei其qi他ta子zi係xi統tong實shi現xian持chi續xu性xing的de能neng量liang供gong應ying。一yi種zhong新xin的de基ji於yui?Bean無線技術和“能量獲得”技術
、靠感應振蕩能量轉換器工作的i?Bean無線發射機[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振蕩產生1.2～3.6 mV的電壓，並允許在30 m距離上以115 kbps速率發送數據，為克服遠程無線傳感器網絡麵臨的電池工作時間短等問題提供了一種有效的解決途徑。

1.2 傳感子係統

傳感子係統由一組傳感器和ADC控製器等構成
，主要任務是負責采樣/收集被測控對象的敏感信息

，並轉換成相應的數字信息。

理想情況下，傳感子係統自動檢測周期性和非周期性兩類事件時[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的乘積。因此，要控製該子係統的能量消耗必須從以下兩個方麵進行：一yi是shi控kong製zhi單dan次ci數shu據ju采cai樣yang所suo消xiao耗hao的de能neng量liang，二er是shi控kong製zhi采cai樣yang頻pin率lv。前qian者zhe可ke通tong過guo采cai用yong低di功gong耗hao器qi件jian
，從cong元yuan器qi件jian本ben身shen有you效xiao控kong製zhi單dan次ci數shu據ju采cai樣yang的de能neng量liang消xiao耗hao。對dui於yu後hou者zhe而er言yan
，由you於yu傳chuan感gan器qi網wang絡luo眾zhong多duo分fen布bu節jie點dian中zhong往wang往wang是shi成cheng組zu節jie點dian去qu監jian測ce相xiang同tong的de對dui象xiang或huo敏min感gan數shu據ju
，有you選xuan擇ze性xing地di減jian少shao單dan個ge節jie點dian的de采cai樣yang頻pin率lv並bing不bu會hui對dui被bei測ce數shu據ju有you效xiao性xing和he完wan整zheng性xing造zao成cheng破po壞huai
，隻zhi要yao依yi據ju應ying用yong需xu求qiu合he理li設she置zhi節jie點dian采cai樣yang任ren務wu的de激ji活huo原yuan則ze，就jiu能neng在zai保bao證zheng數shu據ju準zhun確que性xing的de前qian提ti下xia，較jiao好hao地di控kong製zhi該gai子zi係xi統tong的de能neng量liang消xiao耗hao。

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1.3 計算子係統

計算子係統包括微處理器/微控製器
、存儲器和I/O接口電路等硬件
；負責控製傳感器
、執行通信協議和處理傳感數據等軟件算法；是節點的控製和計算核心。

作為節點的功能控製中心和數據計算中心
，計算子係統功能複雜
，與其他各個子係統聯係緊密，因此
，計算子係統的功能強弱、性能高低、在不同工作狀態（活動、空閑和休眠等）的持續時長以及不同狀態間的相互切換等
，都會嚴重影響整個節點的能量消耗。低功耗器件、適shi時shi休xiu眠mian和he空kong閑xian時shi的de降jiang頻pin技ji術shu，都dou是shi硬ying件jian上shang減jian少shao計ji算suan子zi係xi統tong能neng量liang消xiao耗hao的de常chang用yong技ji術shu
，節jie點dian間jian的de功gong能neng輪lun換huan則ze使shi從cong網wang絡luo的de整zheng體ti來lai實shi現xian網wang絡luo節jie點dian的de能neng量liang消xiao耗hao相xiang對dui均jun衡heng。

自組織的簇生成、傳輸數據的加密/解(jie)密(mi)以(yi)及(ji)通(tong)信(xin)鏈(lian)路(lu)的(de)建(jian)立(li)和(he)維(wei)護(hu)等(deng)，都(dou)是(shi)通(tong)過(guo)執(zhi)行(xing)相(xiang)應(ying)的(de)指(zhi)令(ling)序(xu)列(lie)來(lai)完(wan)成(cheng)的(de)
，算(suan)法(fa)越(yue)複(fu)雜(za)
，指(zhi)令(ling)條(tiao)數(shu)就(jiu)越(yue)多(duo)，消(xiao)耗(hao)的(de)能(neng)量(liang)也(ye)就(jiu)越(yue)大(da)。然(ran)而(er)，算(suan)法(fa)是(shi)有(you)效(xiao)性(xing)
、可靠性和複雜性的矛盾統一體，有效、可靠的算法往往具有較高的複雜性
；簡單算法的有效性、可ke靠kao性xing則ze可ke能neng不bu適shi應ying於yu應ying用yong需xu求qiu。應ying用yong環huan境jing的de多duo樣yang性xing和he不bu確que定ding性xing，使shi得de軟ruan件jian算suan法fa的de能neng量liang消xiao耗hao遠yuan比bi硬ying件jian的de能neng量liang消xiao耗hao控kong製zhi困kun難nan，既ji要yao滿man足zu應ying用yong環huan境jing的de需xu求qiu
，還hai要yao盡jin可ke能neng降jiang低di軟ruan件jian算suan法fa的de複fu雜za性xing。

另(ling)外(wai)，資(zi)源(yuan)受(shou)限(xian)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)節(jie)點(dian)還(hai)易(yi)於(yu)遭(zao)受(shou)物(wu)理(li)損(sun)壞(huai)攻(gong)擊(ji)
，使(shi)得(de)非(fei)對(dui)稱(cheng)密(mi)鑰(yao)管(guan)理(li)協(xie)議(yi)等(deng)其(qi)他(ta)計(ji)算(suan)機(ji)網(wang)絡(luo)中(zhong)普(pu)遍(bian)采(cai)用(yong)的(de)控(kong)製(zhi)機(ji)製(zhi)和(he)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)算(suan)法(fa)並(bing)不(bu)適(shi)合(he)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)。依(yi)據(ju)應(ying)用(yong)環(huan)境(jing)的(de)需(xu)求(qiu)，傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)對(dui)各(ge)控(kong)製(zhi)和(he)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)算(suan)法(fa)往(wang)往(wang)會(hui)有(you)不(bu)同(tong)層(ceng)次(ci)的(de)要(yao)求(qiu)。因(yin)此(ci)，每(mei)種(zhong)控(kong)製(zhi)或(huo)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)算(suan)法(fa)都(dou)是(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)中(zhong)的(de)非(fei)常(chang)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)研(yan)究(jiu)領(ling)域(yu)
，需(xu)要(yao)根(gen)據(ju)節(jie)點(dian)能(neng)源(yuan)的(de)發(fa)展(zhan)水(shui)平(ping)和(he)技(ji)術(shu)特(te)點(dian)，大(da)幅(fu)度(du)改(gai)造(zao)現(xian)有(you)的(de)成(cheng)熟(shu)算(suan)法(fa)，或(huo)重(zhong)新(xin)設(she)計(ji)新(xin)的(de)處(chu)理(li)算(suan)法(fa)，甚(shen)至(zhi)於(yu)在(zai)必(bi)要(yao)的(de)時(shi)候(hou)；還可通過適當降低網絡或節點的性能來控製節點能量消耗，以有效延長網絡的生命周期。

1.4 通信子係統

由無線收發部件構成的通信子係統負責節點的通信任務。無線收發部件采用的調製模式
、數據率、fashegonglvhecaozuozhouqidengdoushiyingxiangtongxinzixitongnengliangxiaohaodeguanjianyinsu。lingwai，youyutongxinyuanqijianbenshendewulitexingdengyuanyin，tongxinzixitongjishichuyukongxianqi，yeyouzheyujieshouqijihuxiangjindenengliangxiaohao。yinci
，zaimeiyoutongxinrenwushi

，yingjinkenengdishitongxinzixitongjinruxiumianqi，erbushirangqichuyukongxianqi。

duanjuliwuxiantongxinhejianshaowangluotongxinliuliangshitongxinzixitongnengliangxiaohaokongzhidezhuyaoshouduan。chuanganqiwangluozhongpubiancaiyongdejitiaotongxinjiushitongguosuoduantongxinjuli，jiangdifashegonglvdefangfashixiannengliangjieshengde；數據融合則是通過減少網絡流量達到降低能量消耗的目的。

數據冗餘是保證即使個別節點或部分通信鏈路失效時，基站仍能獲取完整數據的有效手段；然ran而er，直zhi接jie傳chuan輸shu原yuan始shi數shu據ju則ze會hui嚴yan重zhong增zeng加jia網wang絡luo通tong信xin量liang
，造zao成cheng大da量liang無wu為wei的de能neng源yuan消xiao耗hao。簇cu首shou數shu據ju融rong合he是shi消xiao除chu冗rong餘yu數shu據ju，減jian少shao網wang絡luo通tong信xin量liang的de有you效xiao手shou段duan之zhi一yi。傳chuan統tong的de簇cu首shou數shu據ju融rong合he方fang式shi中zhong
，簇cu首shou節jie點dian接jie收shou簇cu內nei各ge節jie點dian傳chuan來lai的de數shu據ju，然ran後hou通tong過guo內nei容rong檢jian查zha並bing消xiao除chu冗rong餘yu後hou將jiang結jie果guo數shu據ju上shang傳chuan基ji站zhan。此ci種zhong方fang式shi僅jin是shi降jiang低di了le數shu據ju路lu由you過guo程cheng中zhong的de能neng源yuan消xiao耗hao，對dui簇cu內nei數shu據ju傳chuan輸shu的de節jie點dian能neng源yuan消xiao耗hao問wen題ti沒mei有you影ying響xiang。

如圖2所示，基於安全模板的數據融合機製
，是通過少量數據傳輸替代大量數據傳輸的方法來更進一步地降低簇內的網絡通信量[5]。其中，傳感器節點並不直接傳輸采集數據
，而是用從簇首節點接收到的安全模板生成采集數據的組合代碼後再上傳；cushoujiedianjieshoudaochuanganqijiedianshangchuandedaimashuju，jianzharongyuhouyouxuanzedixiangbufenchuanganqijiedianshenqingchuanshushijishuju，yiyouxiaojiangdicuneidewangluotongxinliang。zuihou，cushoujiediancongxuandingdechuanganqijiedianjieshoudaowurongyudecaijishujubingzhijieshangchuanjizhan。
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 基(ji)於(yu)安(an)全(quan)模(mo)板(ban)的(de)數(shu)據(ju)融(rong)合(he)機(ji)製(zhi)是(shi)對(dui)傳(chuan)統(tong)數(shu)據(ju)融(rong)合(he)機(ji)製(zhi)的(de)有(you)益(yi)補(bu)充(chong)，使(shi)整(zheng)個(ge)網(wang)絡(luo)的(de)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)更(geng)加(jia)合(he)理(li)，安(an)全(quan)模(mo)板(ban)還(hai)可(ke)減(jian)化(hua)數(shu)據(ju)加(jia)密(mi)算(suan)法(fa)，更(geng)進(jin)一(yi)步(bu)地(di)降(jiang)低(di)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)。不(bu)過(guo)
，模(mo)板(ban)種(zhong)子(zi)的(de)更(geng)換(huan)頻(pin)率(lv)太(tai)慢(man)會(hui)嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)到(dao)網(wang)絡(luo)安(an)全(quan)
，太(tai)快(kuai)又(you)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)模(mo)板(ban)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)
，頻(pin)繁(fan)喚(huan)醒(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)進(jin)行(xing)模(mo)板(ban)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)
，導(dao)致(zhi)無(wu)為(wei)的(de)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)。因(yin)此(ci)，此(ci)方(fang)法(fa)的(de)有(you)效(xiao)性(xing)取(qu)決(jue)於(yu)網(wang)絡(luo)數(shu)據(ju)冗(rong)餘(yu)的(de)量(liang)
，和(he)冗(rong)餘(yu)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)與(yu)模(mo)板(ban)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)/處理的能源消耗比例。

2 能量攻擊防範

傳感器網絡節點無人值守
、資zi源yuan有you限xian的de固gu有you特te性xing，使shi其qi遭zao受shou的de攻gong擊ji範fan圍wei和he形xing式shi更geng加jia多duo樣yang化hua。與yu常chang規gui的de資zi源yuan消xiao耗hao攻gong擊ji有you所suo不bu同tong，能neng源yuan攻gong擊ji即ji是shi針zhen對dui節jie點dian能neng源yuan的de有you限xian性xing，不bu以yi消xiao耗hao節jie點dian的de計ji算suan和he存cun儲chu資zi源yuan為wei目mu的de，而er是shi著zhe重zhong消xiao耗hao節jie點dian的de能neng量liang。攻gong擊ji者zhe利li用yong侵qin入ru節jie點dian，向xiang網wang絡luo注zhu入ru大da量liang的de虛xu假jia數shu據ju，致zhi使shi節jie點dian，尤you其qi是shi路lu由you節jie點dian，在zai大da量liang的de數shu據ju通tong信xin中zhong耗hao盡jin能neng量liang而er失shi效xiao
，從cong而er導dao致zhi整zheng個ge網wang絡luo癱tan瘓huan。由you此ci而er言yan，入ru侵qin者zhe的de首shou要yao目mu的de是shi消xiao耗hao路lu由you節jie點dian的de能neng量liang，其qi注zhu入ru的de虛xu假jia數shu據ju的de傳chuan送song距ju離li越yue遠yuan，影ying響xiang的de節jie點dian數shu就jiu越yue多duo。由you於yu入ru侵qin者zhe可ke能neng獲huo得de侵qin占zhan節jie點dian的de完wan全quan控kong製zhi權quan，標biao準zhun的de驗yan證zheng機ji製zhi對dui這zhe類lei網wang絡luo內nei部bu攻gong擊ji的de行xing為wei是shi沒mei有you作zuo用yong的de。

文獻[6]tichudejianchuxujiashujujizhi，shizaiwangluozhongshezhihuiliujiedian，bingyouhuiliujiedianlairenzhengchuanganqijiediandeshenfenhezhengheshujubao，jizhanyuhuiliujiedianjinxingyouxiaodefenxihejiaohuyanzhenghoujianchuxujiadeshujubao。gaijizhidezhongdianshiyoujizhanjianchuruqinzhezhurudexujiashujuyifangzhijuececuowu
，eryouyuqibunengjianshaoxujiashujubaodechuansongjuli

，gubunengbeiyongyunenglianggongjidefangfancuoshi。

為盡早檢出和丟棄由被攻擊節點注入的虛假數據包，以達到安全需要和降低由此產生的能源消耗，文獻[7]將交互驗證的思想進一步擴展，在簇首節點到基站的數據傳送鏈路上的各個節點間建立關聯關係
，如圖3所示
，從而所有節點以一種交錯的逐跳方式驗證其要傳遞的數據包。隻有t+1（t是設定的安全上限

，取簇內的節點數）個節點全部通過認證，數據包才能被傳遞到基站
，因此，隻要被攻擊的節點數小於等於t
，基站或沒有被攻擊的節點就能檢測出並丟棄由入侵者注入的虛假數據包。

3 結論

涉及傳感器網絡軟件、硬(ying)件(jian)各(ge)個(ge)層(ceng)麵(mian)的(de)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)問(wen)題(ti)至(zhi)關(guan)網(wang)絡(luo)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)。從(cong)網(wang)絡(luo)構(gou)成(cheng)及(ji)其(qi)運(yun)行(xing)過(guo)程(cheng)而(er)言(yan)
，節(jie)點(dian)各(ge)個(ge)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)又(you)相(xiang)互(hu)影(ying)響(xiang)，此(ci)消(xiao)彼(bi)長(chang)
，針(zhen)對(dui)單(dan)一(yi)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)並(bing)不(bu)能(neng)從(cong)根(gen)本(ben)上(shang)解(jie)決(jue)問(wen)題(ti)。因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)結(jie)合(he)網(wang)絡(luo)的(de)應(ying)用(yong)環(huan)境(jing)，從(cong)器(qi)件(jian)選(xuan)擇(ze)

、數據處理算法的有效性和複雜性
、數shu據ju通tong信xin量liang和he網wang絡luo運yun行xing機ji製zhi等deng方fang麵mian兼jian顧gu各ge個ge子zi係xi統tong的de功gong能neng特te點dian和he性xing能neng要yao求qiu
，整zheng體ti上shang評ping估gu能neng量liang消xiao耗hao問wen題ti，必bi要yao時shi甚shen至zhi適shi當dang降jiang低di性xing能neng標biao準zhun，以yi設she計ji相xiang應ying的de消xiao耗hao控kong製zhi策ce略lve，有you效xiao延yan長chang網wang絡luo生sheng命ming周zhou期qi。總zong體ti上shang而er言yan
，傳chuan感gan器qi網wang絡luo能neng量liang消xiao耗hao控kong製zhi策ce略lve應ying著zhe重zhong從cong器qi件jian本ben身shen的de功gong耗hao特te殊shu性xing、休眠進入原則
、suoduantongxinjulihejianshaowangluoliuliangzhejigefangmianjinxinglianghuahesheji。ranerdaomuqianweizhi，chuanganqiwangluodenengliangyouxiaoxinghaimeiyoubeimoxinghuahelianghua，yebujuyoubeipubianjieshoudebiaozhun
，xuyaogengjinyibudishenruyanjiu。