摘要：在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，電源能量是各個(gè)節(jié)點(diǎn)最寶貴的資源。為了使傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間盡可能地長(zhǎng)，必須合理有效地利用能量。該文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)影響網(wǎng)絡(luò)能源消耗的因素進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；能源消耗；因素

中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)30-0742-03

Studying of the Factor that Affects the Energy Consume in the Wireless Sensor Network

TIAN Wang-lan

(Hunan City University， Yiyang 413000， China)

Abstract: In the sensor network， the power energy is the most precious resource of each node. Be as far as possible long for making a sensor network， we must make use of energy rationally effectively. The main body of this text has set off from network system structure of a wireless sensor， and has studied the factor affecting the energy consume in a network consumes.

Key words: the wireless sensor network; energy consume; factor

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)三元世界的連通。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，在軍事國(guó)防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多重要領(lǐng)域都有潛在的實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)引起了許多國(guó)家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。

本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)影響網(wǎng)絡(luò)能源消耗的因素進(jìn)行了研究。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功

能的定義和描述。對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)。通過總結(jié)大量文獻(xiàn)的研究工作，并結(jié)合自己的體會(huì)，本文采用了如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)框架[1]。該網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)3部分組成。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)；傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理；在分層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，支持了傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐技術(shù)。下面重點(diǎn)描述能量管理的功能以及其相關(guān)研究的最新進(jìn)展。

能量管理：在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，電源能量是各個(gè)節(jié)點(diǎn)最寶貴的資源。為了使傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間盡可能地長(zhǎng)，必須合理有效地利用能量。傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理部分控制節(jié)點(diǎn)對(duì)能量的使用。

節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，傳感器節(jié)點(diǎn)的基本組成模塊有傳感單元、處理單元、通信單元以及電源部分。節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)見圖2。典型的節(jié)點(diǎn)有Berkeley Motes，Intel iMote[2]，ICTCAS/HKUSTBUDS[3，4]，SmartMesh Dust mote等。

3 網(wǎng)絡(luò)能源消耗因素的研究

由于傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性，使得其能源不可能來自工業(yè)電源，而只能求助于自身傳輸或自然界的給予，目前使用的大部分都是自身存儲(chǔ)有限能源的化學(xué)電池，采用什么能源，采取什么樣的供電方式尤為重要。因此，如何高效使用電池，延長(zhǎng)電池使用壽命就成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨的首要挑戰(zhàn)，目前主要解決方法是采用休眠機(jī)制，即節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時(shí)盡快進(jìn)入休眠狀態(tài)，而在有事件發(fā)生時(shí)及時(shí)自動(dòng)醒來并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；陔姵毓╇姷膫鞲衅骶W(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(cè)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?。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(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的其他關(guān)鍵技術(shù)而言尤為重要，而找到影響能源消耗的因素則成為解決能源消耗問題的有效途徑。

3.1 傳感子系統(tǒng)的檢測(cè)事件

理想情況下，傳感子系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)周期性和非周期性兩類事件時(shí)[5]，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(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(duì)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)去檢測(cè)相同的對(duì)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(duì)被測(cè)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。

3.2 通信子系統(tǒng)的通信任務(wù)

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。[6]

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(duì)簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)能源消耗問題沒有影響。

從現(xiàn)有技術(shù)條件來看，值得考慮的是節(jié)點(diǎn)成本和能源補(bǔ)給。節(jié)點(diǎn)不可能采用太高的頻率，因?yàn)轭l率與能量的消耗是正相關(guān)的，頻率高則能量消耗大。另外無線電通信模塊能量消耗也大，傳送距離同能量消耗也是正相關(guān)的，因而須在發(fā)送距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)之間做出權(quán)衡。

傳感器無線通信模塊的頻段選擇對(duì)于整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)、中轉(zhuǎn)、傳輸都將產(chǎn)生重要影響，無線通信特有的空間獨(dú)占性決定了頻段選擇十分重要。所以，設(shè)計(jì)無線收發(fā)模塊時(shí)必須考慮這一因素。

收發(fā)芯片最好選擇工作在ISM頻段。2.4GHz是唯一全球通用的ISM頻段。其他頻段還有900MHz～928MHz（只適用于美洲大陸）和868MHz ～870MHz（歐洲大部分地區(qū)）。從這方面考慮，CC1000芯片是不錯(cuò)的選擇，它支持多個(gè)載波頻率，其中包括868MHz和915MHz兩個(gè)屬于 ISM頻段的基本調(diào)制頻率 [7]。

3.3 虛假數(shù)據(jù)包

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(duì)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)通信中耗盡能量失敗，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(duì)這類網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部攻擊的行為是沒有作用的。

在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送洪泛信息將消耗大量的能源，甚至可能造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞，使異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法完成傳感數(shù)據(jù)的傳送。因此，研究高效、動(dòng)態(tài)地匯聚、分發(fā)和更新網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)信息的協(xié)議對(duì)異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。

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)[8]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。[6]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(cè)出并丟棄由入侵者注入的虛假數(shù)據(jù)包。

3.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件、硬件的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件、硬件各個(gè)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(gè)子系統(tǒng)的能量消耗又相互影響，此消彼長(zhǎng)，針對(duì)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(gè)子系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和性能要求，整體上評(píng)估能量消耗問題，必要時(shí)甚至適當(dāng)降低性能標(biāo)準(zhǔn)，以設(shè)計(jì)相應(yīng)的消耗控制策略，有效延長(zhǎng)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(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)。

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(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、數(shù)據(jù)幀檢測(cè)，媒體接入和差錯(cuò)控制等，保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的連接。本層采用了超低功耗的802.15.4的無線數(shù)據(jù)通信協(xié)議，即ZigBee協(xié)議。ZigBee技術(shù)是一個(gè)具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，具有3個(gè)工作頻段，分別為700MHz， 866MHz、2.4GHz，劃分為16個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kbit/s，用ZigBee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、功耗低，適合作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。

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(jiǎn)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。

3.5 傳感器節(jié)點(diǎn)的集成度[7]

傳統(tǒng)的傳感平臺(tái)主要傳感的物理量局限與聲、光、熱、濕度、磁力和加速度等，而隨著無線傳感技術(shù)的興起，以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，迫切需要傳感器能夠感知更多的物理量，這就要對(duì)傳感平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以加入更多的傳感檢測(cè)電路，例如，對(duì)于煙霧濃度、范圍、甚至所觀測(cè)到的視頻的傳感等。當(dāng)然，這需要系統(tǒng)首先預(yù)留擴(kuò)展接口，另外，增加的部分必須高度集成化，更不能占用過多的系統(tǒng)能源。

隨著集成電路工藝的進(jìn)步，傳感器節(jié)點(diǎn)的集成度已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，但由于傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性，要求傳感器節(jié)點(diǎn)在某些場(chǎng)合應(yīng)用時(shí)必須小到人類不容易發(fā)現(xiàn)的程度，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的集成度必須進(jìn)一步提高，設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先要考慮處理芯片的大小，因?yàn)樘幚砥餍酒拇笮⊥蜎Q定整個(gè)節(jié)點(diǎn)的大小，所以應(yīng)該選擇體積盡量小的處理器芯片，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在不影響電路效果的前提下，盡量減少線路條數(shù)。

4 結(jié)束語

從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及其運(yùn)行過程而言，節(jié)點(diǎn)各個(gè)子系統(tǒng)的能量消耗又相互影響，此消彼長(zhǎng)，針對(duì)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(gè)子系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和性能要求，整體上評(píng)估能量消耗問題，必要時(shí)甚至適當(dāng)降低性能標(biāo)準(zhǔn)，以設(shè)計(jì)相應(yīng)的消耗控制策略，有效延長(zhǎng)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(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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔莉.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展.2005，42(1):163-175.

[2] Cullar D， Estrin D， Strvastava M. Overview of sensor network[J].Computer，2004，37(8):41-49.

[3] Cui L， Wang F， Luo H， et al. A pervasive sensor node architecture[C]//The IFIP NPC'04 Workshop on Building Intelligent Sensor Networks (BISON'04)， Wuhan，2004.Berlin/Heidelberg: Springer，2004: 565-567.

[4] Gao W， Ni L， Xu Z. Blossoms:A CAS/HKUST joint project to build lightweight optimized sensor systems on a massive scale[C]//The IFIP NPC'04 Workshop on Building Intelligent Sensor Networks(BISON'04)， Wuhan， 2004. Berlin/Heidelberg: Springer， 2004: 559-564.

[5] Dhanaraj M， Manoj B S. A New Energy Efficient Protocol for Minimizing Multi-hop Latency in Wire-less Sensor Networks.Proc of the 3rd IEEE Int'l Conf.on Pervasive Computing and Communications，2005

[6] 楊喜敏.傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗問題研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006，(01):27-29.

[7] 沙超，董挺挺.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[J].電子工程師. 2006，32(5):52-55.

[8] Cam H，Ozdemir S，Nair P，Muthuavinashiappan D.ESPDA:Energy-efficient and Secure Pattern-based Data Aggregation for wireless sensor networks[J].Sensors，2003.In:Proc.of IEEE，2003，1(22-24):732-736.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文