Анализ энергозатрат при эксплуатации указанных систем

При анализе энергозатрат проектируемой системы следует учитывать тот фактор, что протокол аутентификации построен на базе криптографии эллиптических кривых, представляющей из себя мощный инструмент ассиметричной криптографии, обладающей достаточно немалой трудоёмкостью.

Инструменты ассиметричной криптографии или криптографии с открытым ключом основываются на достаточно трудоёмких математических операциях. Однако криптография на эллиптических кривых гораздо устойчивее в плане выполнения операции раскрытия закрытого ключа, чем другие криптографические системы, такие, как RSA, схема Эль-Гамаля или Дифии-Хелмана.

Свойство трудоёмкости вычисления закрытого ключа в криптографии на эллиптических кривых позволяет использовать ключи меньших размеров, чем в других схемах. Для обеспечения необходимой безопасности достаточно ключей порядка 256 бит, тогда, как в схеме RSA для обеспечения безопасности такого же уровня необходимо использовать ключи размера порядка в 2048 бит. Однако всё же вычисление трудоёмких операций в поле эллиптической кривой является узким местом системы и приводит как к достаточно ощутимому времени выполнения протокола аутентификации, так и к значительному энергопотреблению во время выполнения трудоёмких операций.

Рассчитаем энергопотребление микроконтроллера Atmega8 при токе потребления I_b в 9 мА и стандартном напряжении тока питания U в 5 вольт, как указанно в документации на устройство [1]:

кВт/ч. (5.1)

Так же, второе устройство, потребляющее значительный ток – это приёмопередатчик. В данной работе используется NRF24L01, ток потребления которого составляет 12 мА. Время работы приёмопередатчика t_trans можно рассчитать, зная объём передаваемых данных, который ограничен четырьмя сообщениями длиной l_m порядка 64 байт, что равно 512 битам, а так же скорость передачи данных g_trans, составляющую 2000 кбит/с:

мс. (5.2)

Энергопотребление W_t данного устройства во время работы одного сеанса аутентификации можно рассчитать следующим образом:

мВт. (5.3)

При отсутствии нагрузки на микроконтроллер ток потребления I_i падает до 5, 2 мА, соответственно энергопотребление микроконтроллера в режиме отсутствия нагрузки составляет:

кВт/ч. (5.4)

В разделе разработка программной части было проведено тестирование времени выполнения алгоритмов. Результаты тестирования показали, что микроконтроллер, работающий на частоте 8 МГц выполняет вычисления, необходимые для совершения протокола аутентификации не более, чем за 2 секунды, соответственно количество энергии, необходимое микроконтроллеру на выполнение протокола аутентификации составляет:

Вт. (5.5)

При использовании системы порядка двух раз в час время работы системы в режиме нагрузки составит 4 секунды, остальное время система будет работать в режиме простоя, итоговое среднее потребление тока системы составит:

мА. (5.6)

При описанной интенсивности использования системы с периодичностью 2 раза в час и при использовании в качестве источника питания две плоских литиевых батарейки, обладающих зарядом E в 250 мАч, получаем время работы системы составляющее:

ч. (5.7)

Как видно из расчёта, время работы устройства составляет 28 часов. Такой параметр работы системы может вызвать некоторый дискомфорт у пользователя [5]. Следовательно необходимо поставить задачу оптимизации данного параметра. Задачей анализа стоит нахождение возможных подходов к увеличению срока жизни батареи, обеспечивающей питание системы.