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、zhanqudengrenwufajiejindeelieshenzhiweixiandeyuanchenghuanjingzhizhong，wangluojiediandedianyuangenghuanhuozaichongdiandenggongzuotongchangwufajinxing。guangfanfenbuyubeicehuanjingdechuanganqijiedianjiyaofuzeshoujiminganshuju
，youyaowanchengshujuchuanshudeluyoudenggongneng
；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：yishikongzhidancishujucaiyangsuoxiaohaodenengliang，ershikongzhicaiyangpinlv。qianzheketongguocaiyongdigonghaoqijian
，congyuanqijianbenshenyouxiaokongzhidancishujucaiyangdenengliangxiaohao。duiyuhouzheeryan
，youyuchuanganqiwangluozhongduofenbujiedianzhongwangwangshichengzujiedianqujiancexiangtongdeduixianghuominganshuju，youxuanzexingdijianshaodangejiediandecaiyangpinlvbingbuhuiduibeiceshujuyouxiaoxinghewanzhengxingzaochengpohuai，zhiyaoyijuyingyongxuqiuhelishezhijiediancaiyangrenwudejihuoyuanze，jiunengzaibaozhengshujuzhunquexingdeqiantixia

，jiaohaodikongzhigaizixitongdenengliangxiaohao。

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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、shishixiumianhekongxianshidejiangpinjishu
，doushiyingjianshangjianshaojisuanzixitongnengliangxiaohaodechangyongjishu
，jiedianjiandegongnenglunhuanzeshicongwangluodezhengtilaishixianwangluojiediandenengliangxiaohaoxiangduijunheng。

自組織的簇生成、傳輸數據的加密/jiemiyijitongxinlianludejianliheweihudeng，doushitongguozhixingxiangyingdezhilingxulielaiwanchengde
，suanfayuefuza
，zhilingtiaoshujiuyueduo，xiaohaodenengliangyejiuyueda。raner，suanfashiyouxiaoxing、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、發(fa)射(she)功(gong)率(lv)和(he)操(cao)作(zuo)周(zhou)期(qi)等(deng)都(dou)是(shi)影(ying)響(xiang)通(tong)信(xin)子(zi)係(xi)統(tong)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)的(de)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。另(ling)外(wai)，由(you)於(yu)通(tong)信(xin)元(yuan)器(qi)件(jian)本(ben)身(shen)的(de)物(wu)理(li)特(te)性(xing)等(deng)原(yuan)因(yin)

，通(tong)信(xin)子(zi)係(xi)統(tong)即(ji)使(shi)處(chu)於(yu)空(kong)閑(xian)期(qi)

，也(ye)有(you)著(zhe)與(yu)接(jie)收(shou)期(qi)幾(ji)乎(hu)相(xiang)近(jin)的(de)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)。因(yin)此(ci)
，在(zai)沒(mei)有(you)通(tong)信(xin)任(ren)務(wu)時(shi)，應(ying)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)使(shi)通(tong)信(xin)子(zi)係(xi)統(tong)進(jin)入(ru)休(xiu)眠(mian)期(qi)，而(er)不(bu)是(shi)讓(rang)其(qi)處(chu)於(yu)空(kong)閑(xian)期(qi)。

短(duan)距(ju)離(li)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)和(he)減(jian)少(shao)網(wang)絡(luo)通(tong)信(xin)流(liu)量(liang)是(shi)通(tong)信(xin)子(zi)係(xi)統(tong)能(neng)量(liang)消(xiao)耗(hao)控(kong)製(zhi)的(de)主(zhu)要(yao)手(shou)段(duan)。傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)中(zhong)普(pu)遍(bian)采(cai)用(yong)的(de)級(ji)跳(tiao)通(tong)信(xin)就(jiu)是(shi)通(tong)過(guo)縮(suo)短(duan)通(tong)信(xin)距(ju)離(li)，降(jiang)低(di)發(fa)射(she)功(gong)率(lv)的(de)方(fang)法(fa)實(shi)現(xian)能(neng)量(liang)節(jie)省(sheng)的(de)；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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 jiyuanquanmobandeshujuronghejizhishiduichuantongshujuronghejizhideyouyibuchong，shizhenggewangluodenengyuanxiaohaogengjiaheli
，anquanmobanhaikejianhuashujujiamisuanfa，gengjinyibudijiangdinengyuanxiaohao。buguo
，mobanzhongzidegenghuanpinlvtaimanhuiyanzhongyingxiangdaowangluoanquan，taikuaiyoukenengzaochengbubiyaodemobanshujuchuanshu，pinfanhuanxingchuanganqijiedianjinxingmobanshujuchuli，daozhiwuweidenengyuanxiaohao。yinci
，cifangfadeyouxiaoxingqujueyuwangluoshujurongyudeliang，herongyushujuchuanshuyumobanshujuchuanshu/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、縮(suo)短(duan)通(tong)信(xin)距(ju)離(li)和(he)減(jian)少(shao)網(wang)絡(luo)流(liu)量(liang)這(zhe)幾(ji)個(ge)方(fang)麵(mian)進(jin)行(xing)量(liang)化(hua)和(he)設(she)計(ji)。然(ran)而(er)到(dao)目(mu)前(qian)為(wei)止(zhi)
，傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)的(de)能(neng)量(liang)有(you)效(xiao)性(xing)還(hai)沒(mei)有(you)被(bei)模(mo)型(xing)化(hua)和(he)量(liang)化(hua)，也(ye)不(bu)具(ju)有(you)被(bei)普(pu)遍(bian)接(jie)受(shou)的(de)標(biao)準(zhun)
，需(xu)要(yao)更(geng)進(jin)一(yi)步(bu)地(di)深(shen)入(ru)研(yan)究(jiu)。