?。?）大規(guī)模網絡

　　傳感器網絡的大規(guī)模性包括兩方面含義： 一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。

　　傳感器網絡的大規(guī)模性具有的優(yōu)點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在，使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。

　?。?）自組織網絡

　　在傳感器網絡應用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，節(jié)點之間的相互鄰居關系預先也不知道。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數據的多跳無線網絡系統(tǒng)。

　　在傳感器網絡使用過程中，部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點為了彌補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網絡中，在傳感器網絡中的節(jié)點個數就動態(tài)地增加或減少，從而使網絡的拓撲結構隨之動態(tài)地變化。傳感器網絡的自組織性要能夠適應這種網絡拓撲結構的動態(tài)變化。

　?。?）動態(tài)性網絡

　　傳感器網絡的拓撲結構可能因為下列因素而改變：①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化， 甚至時斷時通；③傳感器網絡的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網絡系統(tǒng)要能夠適應這種變化，具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。

　?。?）可靠的網絡

　　傳感器網絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，往往采用隨機部署，這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣環(huán)境條件。

　　由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數目巨大， 不可能人工?°照顧?± 每個傳感器節(jié)點， 網絡的維護十分困難甚至不可維護。 傳感器網絡的通信保密性和安全性也十分重要， 要防止監(jiān)測數據被盜取和獲取偽造的監(jiān)測信息。 因此，傳感器網絡的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。

　　（5）應用相關的網絡

　　傳感器網絡用來感知客觀物理世界， 獲取物理世界的信息量。 客觀世界的物理量多種多樣， 不可窮盡。 不同的傳感器網絡應用關心不同的物理量， 因此對傳感器的應用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。

　?。?）以數據為中心的網絡

　　由于傳感器節(jié)點隨機部署， 構成的傳感器網絡與節(jié)點編號之間的關系是完全動態(tài)的， 表現為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。 用戶使用傳感器網絡查詢事件時， 直接將所關心的事件通告給網絡， 而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。 網絡在獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數據本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習慣。 所以通常說傳感器網絡是一個以數據為中心的網絡。

　　傳感器網絡可用于人類工作、生活、娛樂的各個方面，可用于辦公室、工廠、家庭、住宅小區(qū)、機器人、汽車等多種領域。傳感器網絡的結構形式多種多樣，可以是如圖1所示全部互連形的分布式傳感器網絡系統(tǒng)。也可以是如圖2所示的多個傳感器計算機工作站和一臺服務器組成的主從結構傳感器網絡。網絡形式可以是以太網或其它網絡形式，總線連接可以是環(huán)形、星形、線形。

　　圖1主從結構傳感器網絡

　　圖2傳感器網絡組成的智能傳感器

　　傳感器網絡還可以是多個傳感器和一臺計算機或單片機組成的智能傳感器，如圖3所示。 傳感器網絡可以組成個人網、局域網、城域網，甚至可以連上遍布全球的Internet互聯(lián)網，如圖3所示。若將數量巨大的傳感器加入互聯(lián)網絡，則可以將互聯(lián)網延伸到更多的人類活動領域。目前，傳感器網絡建設工作遇到的最大問題是傳感器的供電電源問題。理想的情況是能保持幾年不更換的高效能電池，或采用耗電少的傳感器。值得關注的是，隨著移動通信技術的發(fā)展，傳感器網絡也正朝著開發(fā)無線傳感器網絡的方向發(fā)展。

　　圖3數量巨大的傳感器加入Internet互聯(lián)網絡

　?。?）能量高效

　　傳感器網絡路由協(xié)議不僅要選擇能量消耗小的消息傳輸路徑，而且要從整個網絡的角度考慮，選擇使整個網絡能量均衡消耗的路由。傳感器節(jié)點的資源有限，

　　傳感器網絡的路由機制要能夠簡單而且高效地實現信息傳輸。

　?。?）可擴展性

　　在無線傳感器網絡中，檢測區(qū)域范圍或節(jié)點密度不同，造成網絡規(guī)模大小不同；節(jié)點失敗、新節(jié)點加人以及節(jié)點移動等，都會使得網絡拓撲結構動態(tài)發(fā)生變化，這就要求路由機制具有可擴展性。能夠適應網絡結構的變化。

　?。?）魯棒性

　　能量用盡或環(huán)境因素造成傳感器節(jié)點的失敗，周圍環(huán)境影響無線鏈路的通信質量以及無線鏈路本身的缺點等，這些無線傳感器網絡的不可靠特性要求路由機制具有一定的容錯能力。

　?。?）快速收斂性

　　傳感器網絡的拓撲結構動態(tài)變化，節(jié)點能量和通信帶寬等資源有限，因此要求路由機制能夠怏速收斂，以適應網絡拓撲的動態(tài)變化，減少通信協(xié)議開銷，提高消息傳輸的效率。

　　基于電池供電的傳感器網絡通常運行在火山地帶、戰(zhàn)區(qū)等人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環(huán)境之中，網絡節(jié)點的電源更換或再充電等工作通常無法進行。廣泛分布于被測環(huán)境的傳感器節(jié)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(jié)點向網絡中注入大量的虛假數據包，致使節(jié)點在傳輸這些數據包時耗盡能量而失去效用。因此，網絡節(jié)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技術而言尤為重要；在不影響性能的前提下，設計有效的能量消耗控制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(jié)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(jié)點、接收發(fā)送器、互聯(lián)網和用戶界面等構成。其中，傳感器節(jié)點作為網絡中的獨立工作實體，其基本的功能子系統(tǒng)包括供電子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)、計算子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)等，如圖1所示。

　　1.1 供電子系統(tǒng)

　　供電子系統(tǒng)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(tǒng)供給能源。

　　電池作為節(jié)點最主要的能量來源，其性能與容量至關重要。雖然增加電池容量可以延長供電子系統(tǒng)的能量供給時間，但采用有效的再充電技術或是太陽能等再生性能源則更利于保證供電子系統(tǒng)的能量來源，為其他子系統(tǒng)實現持續(xù)性的能量供應。一種新的基于i?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(fā)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(fā)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提供了一種有效的解決途徑。

　　1.2 傳感子系統(tǒng)

　　傳感子系統(tǒng)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(tǒng)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，要控制該子系統(tǒng)的能量消耗必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，從元器件本身有效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(jié)點中往往是成組節(jié)點去監(jiān)測相同的對象或敏感數據，有選擇性地減少單個節(jié)點的采樣頻率并不會對被測數據有效性和完整性造成破壞，只要依據應用需求合理設置節(jié)點采樣任務的激活原則，就能在保證數據準確性的前提下，較好地控制該子系統(tǒng)的能量消耗。

　　圖1傳感器網絡節(jié)點結構框圖

　　1.3 計算子系統(tǒng)

　　計算子系統(tǒng)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(zhí)行通信協(xié)議和處理傳感數據等軟件算法；是節(jié)點的控制和計算核心。

　　作為節(jié)點的功能控制中心和數據計算中心，計算子系統(tǒng)功能復雜，與其他各個子系統(tǒng)聯(lián)系緊密，因此，計算子系統(tǒng)的功能強弱、性能高低、在不同工作狀態(tài)（活動、空閑和休眠等）的持續(xù)時長以及不同狀態(tài)間的相互切換等，都會嚴重影響整個節(jié)點的能量消耗。低功耗器件、適時休眠和空閑時的降頻技術，都是硬件上減少計算子系統(tǒng)能量消耗的常用技術，節(jié)點間的功能輪換則使從網絡的整體來實現網絡節(jié)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(zhí)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，算法是有效性、可靠性和復雜性的矛盾統(tǒng)一體，有效、可靠的算法往往具有較高的復雜性；簡單算法的有效性、可靠性則可能不適應于應用需求。應用環(huán)境的多樣性和不確定性，使得軟件算法的能量消耗遠比硬件的能量消耗控制困難，既要滿足應用環(huán)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(jié)點還易于遭受物理損壞攻擊，使得非對稱密鑰管理協(xié)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(huán)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非常具有挑戰(zhàn)性的研究領域，需要根據節(jié)點能源的發(fā)展水平和技術特點，大幅度改造現有的成熟算法，或重新設計新的處理算法，甚至于在必要的時候；還可通過適當降低網絡或節(jié)點的性能來控制節(jié)點能量消耗，以有效延長網絡的生命周期。

　　1.4 通信子系統(tǒng)

　　由無線收發(fā)部件構成的通信子系統(tǒng)負責節(jié)點的通信任務。無線收發(fā)部件采用的調制模式、數據率、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，在沒有通信任務時，應盡可能地使通信子系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)射功率的方法實現能量節(jié)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。

　　數據冗余是保證即使個別節(jié)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。簇首數據融合是消除冗余數據，減少網絡通信量的有效手段之一。傳統(tǒng)的簇首數據融合方式中，簇首節(jié)點接收簇內各節(jié)點傳來的數據，然后通過內容檢查并消除冗余后將結果數據上傳基站。此種方式僅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(jié)點能源消耗問題沒有影響。

　　如圖2所示，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更進一步地降低簇內的網絡通信量[5]。其中，傳感器節(jié)點并不直接傳輸采集數據，而是用從簇首節(jié)點接收到的安全模板生成采集數據的組合代碼后再上傳；簇首節(jié)點接收到傳感器節(jié)點上傳的代碼數據，檢查冗余后有選擇地向部分傳感器節(jié)點申請傳輸實際數據，以有效降低簇內的網絡通信量。最后，簇首節(jié)點從選定的傳感器節(jié)點接收到無冗余的采集數據并直接上傳基站。

　　圖2基于安全模板的數據融合

　　基于安全模板的數據融合機制是對傳統(tǒng)數據融合機制的有益補充，使整個網絡的能源消耗更加合理，安全模板還可減化數據加密算法，更進一步地降低能源消耗。不過，模板種子的更換頻率太慢會嚴重影響到網絡安全，太快又可能造成不必要的模板數據傳輸，頻繁喚醒傳感器節(jié)點進行模板數據處理，導致無為的能源消耗。因此，此方法的有效性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(jié)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，能源攻擊即是針對節(jié)點能源的有限性，不以消耗節(jié)點的計算和存儲資源為目的，而是著重消耗節(jié)點的能量。攻擊者利用侵入節(jié)點，向網絡注入大量的虛假數據，致使節(jié)點，尤其是路由節(jié)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，入侵者的首要目的是消耗路由節(jié)點的能量，其注入的虛假數據的傳送距離越遠，影響的節(jié)點數就越多。由于入侵者可能獲得侵占節(jié)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]提出的檢出虛假數據機制，是在網絡中設置匯流節(jié)點，并由匯流節(jié)點來認證傳感器節(jié)點的身份和整合數據報，基站與匯流節(jié)點進行有效的分析和交互驗證后檢出虛假的數據報。該機制的重點是由基站檢出入侵者注入的虛假數據以防止決策錯誤，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(jié)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(jié)點到基站的數據傳送鏈路上的各個節(jié)點間建立關聯(lián)關系，如圖3所示，從而所有節(jié)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(jié)點數）個節(jié)點全部通過認證，數據包才能被傳遞到基站，因此，只要被攻擊的節(jié)點數小于等于t，基站或沒有被攻擊的節(jié)點就能檢測出并丟棄由入侵者注入的虛假數據包。

　　圖3節(jié)點關聯(lián)示意圖(t=3)

　　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至關網絡生命周期。從網絡構成及其運行過程而言，節(jié)點各個子系統(tǒng)的能量消耗又相互影響，此消彼長，針對單一子系統(tǒng)的能量消耗控制策略并不能從根本上解決問題。因此必須結合網絡的應用環(huán)境，從器件選擇、數據處理算法的有效性和復雜性、數據通信量和網絡運行機制等方面兼顧各個子系統(tǒng)的功能特點和性能要求，整體上評估能量消耗問題，必要時甚至適當降低性能標準，以設計相應的消耗控制策略，有效延長網絡生命周期?？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特殊性、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，傳感器網絡的能量有效性還沒有被模型化和量化，也不具有被普遍接受的標準，需要更進一步地深入研究。