德國leuze勞易測-勞易測傳感器、安全激光掃描儀、光電開關模塊 > 最新動態 >

勞易測傳感器網絡中的能量消耗問題研究

  勞易測傳感器網絡中的能量消耗問題研究
 
  基于電池供電的傳感器網絡的節點電源無法替換,導致能量消耗問題直接影響網絡的生命周期。本文從硬件 構成及運行機制、計算復雜性、數據通信量和能量攻擊防范等方面,分析傳感器網絡的能量消耗問題;介紹 部分能量消耗控制策略;指出只有從硬件和軟件的各個層面建立統一的能源消耗量化評估模型,分析能 量消耗問題,設計整體性的控制策略,才能保使傳感器具有網絡能量。
 
  由傳感器、微處理器和無線通信接口組成的傳感器網絡日趨成為眾多監控系統的通用計算平臺,在眾多 領域都有應用價值。目前,國外對傳感器網絡涉及的各個方面進行了深入的研究,市場上也正逐漸成為研究熱 點之一[1,2]。
 
  基于電池供電的傳感器網絡通常運行在火山地帶、戰區等人無法接近的惡劣還可能使危險的遠程環境之中, 網絡節點的電源換或再充電等工作通常無法進行。較廣分布于被測環境的傳感器節點既要負責收集敏感數 據,又要完成數據傳輸的路由等功能;而且,攻擊者還可能會利用侵占節點向網絡中注入大量的虛假數據包 ,致使節點在傳輸這些數據包時耗盡能量而失去效用。因此,網絡節點電源的無法替換性使能量消耗問題相 對于傳感器網絡的其他關鍵設計而言尤為重要;在不影響性能的前T下,設計的能量消耗控制策略成為 傳感器網絡軟硬件設計中的問題。
 
  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系結構通常由分布的傳感器節點、接收發送器、互聯網和用戶界面等構成。其中, 傳感器節點作為網絡中的單獨工作實體,其基本的功能子系統包括供電子系統、傳感子系統、計算子系統和 通信子系統等。
 
  1.1 供電子系統
 
  供電子系統由電池和ACDC轉換器等模塊構成,其主要任務是為其他各個子系統供給能源。
 
  電池作為節點主要的能量來源,其性能與容量是比較重要。雖然增加電池容量可以延長供電子系統的能 量供給時間,但采用再充電設計或是太陽能等再生性能源則是供電子系統的能量來源,為其 他子系統實現持續性的能量供應。一種新的基于iBean無線和“能量獲得”、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,并允許在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面 臨的電池工作時間短等問題T供了一種合理的解決途徑。
 
  1.2 傳感子系統
 
  傳感子系統由一組傳感器和ADC控制器等構成,主要任務是負責采樣/收集被測控對象的敏感信息,并轉 換成相應的數字信息。
 
  理想情況下,傳感子系統自動檢測周期性和非周期性兩類事情時[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,要控制該子系統的能量消耗須從以下兩個方面進行:一是控 制單次數據采樣所消耗的能量,二是控制采樣頻率。前者可通過采用低功耗器件,從元器件本身控制單 次數據采樣的能量消耗。對于后者而言,由于傳感器網絡眾多分布節點中往往是成組節點去監測相同的對象 或敏感數據,有選擇性地減少單個節點的采樣頻率并不會對被測數據完整性造成破壞,只要依據應 用需求合理設置節點采樣任務的激活原則,就能在數據正確的前T下,較好地控制該子系統的能量消 耗。
 
   1.3 計算子系統
 
  計算子系統包括微處理器/微控制器、存儲器和I/O接口電路等硬件;負責控制傳感器、執行通信協議和 處理傳感數據等軟件算法;是節點的控制和計算的主要算法。
 
  作為節點的功能控制和數據計算,計算子系統功能復雜,與其他各個子系統關系緊密,因此, 計算子系統的功能強弱、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、適時休眠和空閑時的降頻設計,都是硬件上 減少計算子系統能量消耗的常用設計,節點間的功能輪換則使從網絡的整體來實現網絡節點的能量消耗相對 均衡。
 
  自組織的簇生成、傳輸數據的加密/解密以及通信鏈路的建立和維護等,都是通過執行相應的指令序列 來完成的,算法越復雜,指令條數就越多,消耗的能量也就越大。然而,算法是可靠性和復雜性的 矛盾統一體,可靠的算法往往具有較高的復雜性;簡單算法的可靠性則可能不適應于應用需 求。應用環境的多樣性和不確定性,使得軟件算法的能量消耗遠比硬件的能量消耗控制困難,既要達成應用 環境的需求,還要盡可能降低軟件算法的復雜性。
 
  另外,資源受限的傳感器網絡節點還易于遭受物理損壞攻擊,使得非對稱密鑰管理協議等其他計算機網 絡中普遍采用的控制機制和數據處理算法并不適合于傳感器網絡。依據應用環境的需求,傳感器網絡對各控 制和數據處理算法往往會有不同層次的要求。因此,每種控制或數據處理算法都是傳感器網絡中的具有 挑戰性的研究領域,需要根據節點能源的發展水平和特點,大幅度改造現有的成熟算法,或重新設計新 的處理算法,在需要的時候;還可通過適當降低網絡或節點的性能來控制節點能量消耗,以延長 網絡的生命周期。
 
  1.4 通信子系統
 
  由無線收發部件構成的通信子系統負責節點的通信任務。無線收發部件采用的調制模式、數據率、發射 功率和操作周期等都是影響通信子系統能量消耗的關鍵因素。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,在沒有通信任務時,應盡可能 地使通信子系統進入休眠期,而不是讓其處于空閑期。
 
  短距離無線通信和減少網絡通信流量是通信子系統能量消耗控制的主要手段。傳感器網絡中普遍采用的 級跳通信就是通過縮短通信距離,降低發射功率的方法實現能量節省的;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。
 
  數據冗余是使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手段;然而,直接 傳輸原始數據則會嚴重增加網絡通信量,造成大量無為的能源消耗。簇數據融合是減弱冗余數據,減少網 絡通信量的手段之一。傳統的簇數據融合方式中,簇節點接收簇內各節點傳來的數據,然后通過內 容檢查并除去冗余后將結果數據上傳基站。此種方式是降低了數據路由過程中的能源消耗,對簇內數據傳 輸的節點能源消耗問題沒有影響。
 
  基于安全模板的數據融合機制,是通過少量數據傳輸替代大量數據傳輸的方法來進一步 地降低簇內的網絡通信量[5]。其中,傳感器節點并不直接傳輸采集數據,而是用從簇節點接收到的安全 模板生成采集數據的組合代碼后再上傳;簇節點接收到傳感器節點上傳的代碼數據,檢查冗余后有選擇地 向部分傳感器節點申請傳輸實際數據,以降低簇內的網絡通信量。簇節點從選定的傳感器節點 接收到無冗余的采集數據并直接上傳基站。
 
 
  基于安全模板的數據融合機制是對傳統數據融合機制的有益補充,使整個網絡的能源消耗加合理, 安全模板還可減化數據加密算法,進一步地降低能源消耗。不過,模板種子的換頻率太慢會嚴重影響到 網絡安全,太快又可能造成的模板數據傳輸,頻繁喚醒傳感器節點進行模板數據處理,導致無為的能 源消耗。因此,此方法能否實施取決于網絡數據冗余的量,和冗余數據傳輸與模板數據傳輸/處理的能源消 耗比例。
 
  2 能量攻擊防范
 
  傳感器網絡節點無人值守、資源有限的固有特性,使其遭受的攻擊范圍和形式加多樣化。與常規的資 源消耗攻擊有所不同,能源攻擊即是針對節點能源的有限性,不以消耗節點的計算和存儲資源為目的,而是 著重消耗節點的能量。攻擊者利用侵入節點,向網絡注入大量的虛假數據,致使節點,如路由節點,在 大量的數據通信中耗盡能量而失效,從而導致整個網絡癱瘓。由此而言,入侵者的目的是消耗路由節點 的能量,其注入的虛假數據的傳送距離越遠,影響的節點數就越多。由于入侵者可能獲得侵占節點的完全控 制權,標準的驗證機制對這類網絡內部攻擊的行為是沒有作用的。
 
  文獻[6]T出的檢出虛假數據機制,是在網絡中設置匯流節點,并由匯流節點來驗證傳感器節點的身份 和整合數據報,基站與匯流節點進行分析和交互驗證后檢出虛假的數據報。該機制是由基站檢 出入侵者注入的虛假數據以避免決策錯誤,而由于其不能減少虛假數據報的傳送距離,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點注入的虛假數據包,以達成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,在簇節點到基站的數據傳送鏈路上的各個節點間建立關聯關系,如圖3 所示,從而節點以一種交錯的逐跳方式驗證其要傳遞的數據包。只有t+1(t是設定的安全上限,取簇內 的節點數)個節點通過驗證,數據包才能被傳遞到基站,因此,只要被攻擊的節點數小于等于t,基站 或沒有被攻擊的節點就能檢測出并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、硬件各個層面的能量消耗問題到關網絡生命周期。從網絡構成及其運行過程而言 ,節點各個子系統的能量消耗又相互影響,此消彼長,針對單一子系統的能量消耗控制策略并不能從根本上 解決問題。因此須結合網絡的應用環境,從器件選擇、數據處理算法的復雜性、數據通信量和網 絡運行機制等方面兼顧各個子系統的功能特點和性能要求,整體上評估能量消耗問題,需要時要適當降低 性能標準,以設計相應的消耗控制策略,延長網絡生命周期??傮w上而言,傳感器網絡能量消耗控制策 略應著重從器件本身的功耗、休眠進入原則、縮短通信距離和減少網絡流量這幾個方面進行量化和設 計。然而到目前為止,傳感器網絡的能量還沒有被模型化和量化,也不具有被普遍接受的標準,需要 進一步地深入研究。
           
      可以看看勞易測光電傳感器在玻璃機械上的應用


特別說明:文章部分內容來自“勞易測官網”及互聯網上采編信息,信息正確性有待考究。并非我司版權所有,請知悉。