传感器网络中的能量消耗问题研究

摘要：基于电池供电的传感器网络的节点电源无法替换，导致能量消耗问题直接影响网络的生命周期。本文从硬件构成及运行机制、计算复杂性、数据通信量和能量攻击防范等方面，分析传感器网络的能量消耗问题；介绍部分能量消耗控制策略；指出只有从硬件和软件的各个技术层面建立统一的能源消耗量化评估模型，分析能量消耗问题，设计整体性的控制策略，才能保证传感器网络能量的有效性。
关键词：传感器网络 能量消耗 控制策略 能量攻击
　　由传感器、微处理器和无线通信接口组成的传感器网络日趋成为众多监控系统的通用计算平台，在众多领域都有应用价值。目前，国外对传感器网络涉及的各个方面进行了深入的研究，国内也正逐渐成为研究热点之一[1,2]。

　　基于电池供电的传感器网络通常运行在火山地带、战区等人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境之中，网络节点的电源更换或再充电等工作通常无法进行。广泛分布于被测环境的传感器节点既要负责收集敏感数据，又要完成数据传输的路由等功能；而且，攻击者还可能会利用侵占节点向网络中注入大量的虚假数据包，致使节点在传输这些数据包时耗尽能量而失去效用。因此，网络节点电源的无法替换性使能量消耗问题相对于传感器网络的其他关键技术而言尤为重要；在不影响性能的前提下，设计有效的能量消耗控制策略成为传感器网络软硬件设计中的核心问题。

1 传感器网络节点组成及其能量分析

　　典型的传感器网络体系结构通常由分布的传感器节点、接收发送器、互联网和用户界面等构成。其中，传感器节点作为网络中的独立工作实体，其基本的功能子系统包括供电子系统、传感子系统、计算子系统和通信子系统等，如图1所示。

1.1 供电子系统

　　供电子系统由电池和ACDC转换器等模块构成，其主要任务是为其他各个子系统供给能源。

　　电池作为节点zui主要的能量来源，其性能与容量至关重要。虽然增加电池容量可以延长供电子系统的能量供给时间，但采用有效的再充电技术或是太阳能等再生性能源则更利于保证供电子系统的能量来源，为其他子系统实现持续性的能量供应。一种新的基于iBean无线技术和“能量获得”技术、靠感应振荡能量转换器工作的iBean无线发射机[3]，在没有电池供电的情况下，能由在50～100 mg力作用下的28～30 Hz振荡产生1.2～3.6 mV的电压，并允许在30 m距离上以115 kbps速率发送数据，为克服远程无线传感器网络面临的电池工作时间短等问题提供了一种有效的解决途径。

1.2 传感子系统

　　传感子系统由一组传感器和ADC控制器等构成，主要任务是负责采样/收集被测控对象的敏感信息，并转换成相应的数字信息。

　　理想情况下，传感子系统自动检测周期性和非周期性两类事件时[4]，其能量消耗总量可简单概括为单次采样消耗的能量与采样次数的乘积。因此，要控制该子系统的能量消耗必须从以下两个方面进行：一是控制单次数据采样所消耗的能量，二是控制采样频率。前者可通过采用低功耗器件，从元器件本身有效控制单次数据采样的能量消耗。对于后者而言，由于传感器网络众多