數能一體化能量自治無線傳感器網絡:機遇與挑戰*

郭新明，林德鈺，陳 偉

(1.咸陽師范學院計算機學院，陜西 咸陽 712000；2.南昌大學軟件學院，江西 南昌 330047)

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSNs)是一種由數量巨大、價格低廉、體積微小的無線傳感器節點密切配合完成復雜任務的無線自組織網絡[1]。 WSNs 具有部署簡單、成本低廉等諸多優勢，因而被廣泛應用于環境檢測、軍事監測、醫療護理、瀕危物種監護以及災后安全救援等領域[1-2]。無線傳感器網絡技術是物聯網感知層的關鍵技術之一，對物聯網技術發展及其應用普及意義至關重要。同時，物聯網技術的廣泛應用離不開無線傳感器網絡的大規模部署。 2020 年全球新冠肺炎爆發，物聯網因其免接觸式智慧診斷功能在世界范圍內獲得了更多的關注[3]。 隨著數字化時代的來臨，物聯網規模正進一步擴大。 據愛立信公司預測，到2023 年全球物聯網設備數量將有望超過200 億臺[4]。 因此，無線傳感器網絡的部署規模將隨之進一步擴大。

無線傳感器網絡大規模部署在一定程度上導致了全球能量消耗的上升，由此引發了嚴重的二氧化碳排放問題。 據統計，由信息通信技術(Information Communication Technology，ICT)產生的二氧化碳排放目前已占到全球排放總量的5%，其中50%是由無線傳感器網絡產生的[5-6]。 為緩解能源日益枯竭問題與保護生態環境，低碳經濟已成為世界各國的普遍共識，也是我國新時代發展的基本戰略抉擇[7]。 2021 年全國兩會，“碳中和”首次被寫進國務院政府工作報告[8]。 因此，對WSNs 數據感知與傳輸的低能耗要求不但與我國新時代經濟發展模式高度契合，更迎合了當前學術界綠色網絡技術的發展目標[9]。 此外，無線傳感器節點自身存在能量受限的缺陷。 例如，采用一節AA 電池供能的傳感器節點只能連續工作4 天[5，10]。 同時，無線傳感器節點通常以密集鋪設的方式大規模部署于惡劣甚至人跡罕至的環境中，進一步增加了其能量補給的難度。當能量耗盡的傳感器節點數量達到一定比例時，將出現網絡分區。 網絡分區嚴重影響數據感知與傳輸，導致其上層應用無法獲得足夠的有效數據。 因此，如何實現WSNs 能量自治是物聯網應用廣泛普及亟待解決的重大難題之一。 近年來，出現了大量的致力于提高無線傳感器網絡能量效率的相關研究，并取得了較為顯著的研究成果。 科學地對這些研究與成果進行綜述對于物聯網理論發展及其技術進步意義重大。

目前，國內外專家學者對現有無線傳感器網絡能量自治的相關研究成果進行了較為詳細的綜述。例如，Aziz 等[11]對基于拓撲控制(Topology Control，TC)的網絡生命周期最大化技術進行了詳細綜述。給出了拓撲控制的全新定義，在此基礎上對現存的拓撲控制技術進行了歸類，并對其未來發展趨勢和潛在的研究方向進行了預測。 然而，該綜述的局限性在于其關于拓撲控制的分類界限不夠明晰。 例如，其中有些拓撲控制技術實際上隸屬于分簇機制[12]。 Han 等[13]對于媒體接入控制技術(Media Access Control，MAC)進行了跟蹤與詳細論述。 具體地說，作者把2002 年到2011 年之間出現的所有MAC 協議分成同步MAC 協議、異步MAC 協議、基于幀的MAC 協議以及多信道MAC 協議。 然而，作者主要關注于通用MAC 協議，而非致力于能量自治的節能MAC 協議。 此外，也沒有關于提高能量效率技術的系統分析與闡述。 Gu 等[14]對基于移動Sink節點的節能機制進行了總結。 作者將相關研究分為不受控的移動模型、路徑受限移動機制、位置受限移動機制以及空間不受限的移動機制四類技術，隨后對這四類技術進行了詳細的分析。 然而，作者的關注點只在于基于移動Sink 節點的節能技術。 事實上，除了基于移動Sink 節點的節能技術，還包括基于移動Relay 的節能機制。 Younis 等[15]分析了現存的分簇技術并對他們面臨的挑戰進行了詳盡分析。 然而，他們只追蹤了2006 年以前提出的分簇策略。 Pantazis 等[16]對現存的節能路由技術進行了綜述，將2013 年之前出現的節能路由技術分成基于網絡結構的技術、基于通信模型的技術、基于網絡拓撲的技術以及可靠節能路由技術四類。 然而，作者只關注網絡層的相關節能技術，事實上還存在跨層節能路由技術。 Yetgin 等[17]對現存的關于如何延長WSNs 生命期的節能技術設計原則及其存在的缺陷進行了詳盡的分析。 相關的節能技術被劃分為基于跨層設計的資源分配方案、機會傳輸方案/休眠-喚醒調度、路由/分簇算法、移動Sink/Relay 技術、覆蓋率與連通性/優化部署、數據采集/網絡編碼、數據相關分析、能量采集技術以及波束成形技術。 盡管該綜述對于WSNs 能量自治技術具有較廣的涵蓋面，卻忽視了近年來出現的基于壓縮感知的節能技術，且沒有考慮具備能量采集功能的WSNs。 此外，本文作者對2002 年至2019 年出現的WSNs 能量自治技術做了一個較為詳盡的綜述，并將相關技術從網絡協議棧、節能層次以及節能視角分別進行了詳細介紹[18]。 然而，該綜述只關注了傳統靜態WSNs 的節能技術。 除了上述所列舉的綜述之外，還包括其他一些對現存WSNs 能量自治技術的相關綜述，這些綜述對傳統的靜態WSNs 能效問題進行了分析[19-21]。 然而，他們都未能對具備能量采集技術的WSNs 以及結合數能一體化傳輸技術的WSNs 進行介紹，也未能就WSNs 能量自治技術的未來發展趨勢作出預測。

針對無線傳感器網絡能量自治問題，本文對2002—2022 年以來出現的與其相關的主要技術進行了詳細綜述。 按照是否其具備自供能功能及其能量來源，分為被動式節能技術、可再生能源收割技術以及數能一體化傳輸供能技術三類。 隨后，基于數能一體化傳輸技術提出了數能一體化能量自治無線傳感器網絡的概念模型。 結合網絡協議體系對該概念模型進行了詳盡的分析與論述，并指出了其存在的機遇與面臨的挑戰。 最后，對本文進行了總結，并結合其面臨的挑戰指明了未來可行的研究方向。

1 現存能量自治技術綜述

為實現無線傳感器網絡能量自治，近年來國內外各科研院所及專家學者進行了不懈的探索與努力，并取得了重要的科研成果。 本節按照傳感器節點能否進行后續供能及其能量來源，將現存的能量自治技術分為被動式節能技術、可再生能量收割技術以及數能一體化傳輸供能技術三大類。

1.1 被動式節能技術

被動式節能技術基于如下事實:所有無線傳感器節點一經鋪設便無法更換電池，亦無法以傳統充電的方式獲得能量補給。 根據本文作者及其他學者關于最大化WSNs 網絡生命期的相關研究，被動式節能技術主要通過提高網絡能量效率的方式來延長網絡生命期。 考慮到通信開銷是無線傳感器節點的主要能耗以及無線傳感器網絡中存在固有的“熱點問題”，被動式節能技術主要通過降低節點通信能耗與均衡網絡全局能耗的方式提高網絡能量效率，以延長網絡生命期[10]。

根據節能所聚焦的網絡協議棧層次、節能級別以及節能視角，被動式節能技術可分為不同的類別[10]。 具體地說，近年來出現的相關研究成果主要可分為節能媒介接入控制(Energy-Efficient Media Access Control，EEMAC)、移動節點輔助節能機制(Mobile Node Assistance Scheme，MNAS)、節能分簇機制(Energy-Efficient Clustering Scheme，EECS)、節能路由機制( Energy-Efficient Routing Scheme，EERS)以及基于壓縮感知的節能機制(Compress Sensing based Scheme，CSS)[10]。 其中，EEMAC 聚焦于控制媒體接入以降低碰撞、過聽、空閑偵聽以及控制開銷所導致的能量消耗[22]。 一般來說，按照媒體接入方式可分為隨機接入MAC 協議、時隙接入MAC 協議，幀接入MAC 協議以及混合方式接入MAC 協議，典型代表包括S-MAC[23]、WiseMAC[24]、BEST-MAC[25]、E-BMA[26]等。 MNAS 則主要通過移動Sink 節點或者移動Relay 的方式，在降低節點通信能耗的同時，均衡網絡能耗，主要包括CSPLI[27]、DT-MSM[28]、MRSC[29]等。 EECS 以邏輯方式將網絡劃分成不同的分簇，從而形成具有層次結構的網絡拓撲。 每個分簇包括簇頭節點和成員節點兩種不同角色，成員節點負責簇內數據采集，簇頭節點則負責將成員節點采集的數據簡單處理并轉發至Sink 節點。 一般而言，簇頭節點采用“多跳轉發”的路由模式以進一步降低通信能耗，同時通過周期性的簇頭輪換機制均衡網絡能耗。 其最早的研究成果為LEACH[30]，通過控制不同網絡區域的能耗分布來提高能量效率，進而延長網絡生命期。 類似的成果還包括TEEN[31]、DHAC[32]、DISD[33]等。 同時，可避免最優路徑的相關節點能量率先耗盡，相關研究主要包括GEEC[34]、SELAR[35]、EIRNG[36]等。 CSS 則主要針對無線傳感器網絡存在的數據相關性，通過降低數據采集頻率從數據源處減少網絡的采集能耗與通信能耗[37]。 此外，基于壓縮感知的節能技術也可和分簇機制相結合，從而進一步提高能量效率。 一般來說，CSS 機制主要包括平面型壓縮感知機制、混合型壓縮感知機制以及與分簇技術相結合的壓縮感知機制，如CDG[38]、EECSR[39]、SWECE[40]等。

盡管這類研究可在一定程度上延長WSNs 網絡生命期，然而傳感器節點無法主動獲得能量補充。因此，無法避免網絡生命期的終結。 顯然這種技術無法實現無線傳感器網絡真正意義上的能量自治。

1.2 可再生能量收割技術

近年來， 可再生能量收割技術( Energy Harvesting，EH)的出現為無線傳感器網絡能量自治提供了一種行之有效的解決方案[41]。 具體地說，EH 技術主要采集廣泛存在于自然界中的可再生能量，如太陽能、熱能、電磁能、機械能等[42]。

EH 技術有效地緩解了無線傳感器網絡因能量受限問題所帶來的壓力，使WSNs 可在優先考慮能量補給的同時兼顧一定的網絡性能要求。 因此，現存的相關研究主要聚焦于如何在保證能量中立操作(Energy-Neutral Operation，ENO)的前提下實現網絡性能最優，如提高網絡吞吐量、降低網絡延時等[43-44]。 能量中立操作如圖1 所示。 所謂能量中立操作，是指通過控制傳感器節點行為保持能量收支平衡，從而實現節點能量自治[45]。 具體來說，相關研究主要包括動態能量管理[46]、自適應占空比調度以及能量預測機制等[47]。

圖1 能量中立操作(ENO)

動態能量管理通過感知節點自身剩余能量與可再生能量的動態變化趨勢，有效地進行節點工作模式與傳輸功率控制，保證各節點能量中立，并盡可能提高網絡吞吐量以及降低網絡延時，相關研究主要包括Fuzzyman[48]、WC-EWMA[49]、MTPP[50]、P＆O MPPT[51]、WVR-PM[52]、ECAS[53]以及EWMA[54]等。自適應占空比調度機制則依據節點剩余能量或者能量采集速率自適應調節節點占空比，在保證能量中立的前提下盡可能優化網絡性能。 相關研究主要包括ODMAC[55]、DSP[56]、DeepSleep[57]及SHR-TDMA[58]等。 能量預測機制首先預判未來能量采集速率或者可采集能量密度，在此基礎上有效控制節點的相關行為，從而保證節點能量中立。 相關研究主要包括QLSEP[59]、Pro-Energy-VLT[60]以及PCOR[61]等。

可再生能量收割技術可有效地緩解傳感器節點能量不足的壓力，實現無線傳感器網絡一定程度的能量自治。 然而，可再生能量也存在供能不穩定、容易受時空影響等缺陷，因此，可再生能量收割技術無法為無線傳感器網絡的能量自治問題提供終極解決方案。

1.3 數能一體化傳輸供能技術

與不穩定、易受時空影響的可再生能量相比，近年來出現的無線能量傳輸技術(Wireless Power Transmission，WPT)是一種更加可行的供能手段。2008 年，Varshney 首度提出了可實現信息與能量同步傳輸的數能一體化傳輸技術(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)[62]。SWIPT 技術為無線傳感器網絡的能量自治問題提供了一種潛在的終極解決方案。 與可再生能量收割技術相比，SWIPT 技術可提供更穩定、更可控以及可預測的能量來源。

數能一體化傳輸技術利用能量采集和信息解碼過程對功率敏感度不同的特點，實現同步能量采集與信息解碼[63]。 圖2 所示為具備數能一體化傳輸功能的傳感器接收單元結構以及四種不同的數能收集模式示意圖。 為方便起見，以下將具備數能一體化傳輸功能的傳感器節點稱為數能一體化傳感器節點。 顯然，由圖2(a)所示可知，與傳統無線傳感器節點相比，數能一體化傳感器節點須配備一個數能分割單元以及能量收割單元。 通過合理地分配數能比，可保證節點在獲取有效信息的同時收獲多余的能量。 圖2(b)所示為四種不同的數能收集模式。由圖可知，現存的數能收集模式包括功率分割、時間切換、空間切換以及天線切換[64]。

圖2 數能一體化傳感器節點接收器結構及數能收集模式示意圖

目前，大多數研究主要聚焦于如何實現最佳功率分割比決策、最佳時間切換分配比以及接收器體系結構設計等[65]。 一般來說，通過將功率分割比或時間切換調度問題建模為以數據傳輸速率為目標函數的最優化問題，最終將問題轉化為凸優化問題來獲得最優分割比[66]。 另外，也包括針對具體網絡拓撲下的最優無線能量傳輸決策，如多個中繼節點的兩段鏈路傳輸場景、基于樹形拓撲的高能效數據傳輸模型等，相關研究主要包括MOEA/D-NCS[67]、CSS[68]、EU-OCA[69]、MPSS[70]以及CoMP[71]等。 當然也存在針對具體應用場景下的相關研究，例如綠色農業物聯網[72]、應用于移動無線傳感器網絡場景下的ResAll 算法等[73]。 一般來說，這些研究主要針對具體應用需求，在同步考慮能量自治的前提下盡可能兼顧相關的QoS 需求，類似研究還包括合作網絡[74]以及中繼轉發等[75]。

綜上可知，現存的數能一體化傳輸供能技術的相關研究大多數致力于底層功率分割單元及時間切換單元設計、最優功率分割比及最優時間切換比決策；或著眼于底層通信技術，如結合MIMO 技術、OFDM 技術；或針對具體應用場景等[72]。 然而，將數能一體化傳輸供能技術與大規模部署的無線傳感器網絡相結合的相關研究相對較少。 現存研究只是簡單地與傳統無線傳感器網絡分簇策略相結合，因而缺乏普適性[76]。 相對來說，基于數能一體化傳輸技術的傳感器節點設計目前已經相對成熟[77]。 因此，將數能一體化傳輸技術與無線傳感器網絡相結合，不僅可以解決WSNs 能量不足問題，也可進一步提高網絡性能。

現存能量自治技術的分類統計情況如表1 所示。

表1 現有能量自治技術分類匯總表

2 數能一體化能量自治無線傳感器網絡

2.1 概述

基于上述分析，本文提出如圖3 所示的數能一體化能量自治無線傳感器網絡概念圖。 由圖可知，數能一體化能量自治無線傳感器網絡主要從MAC層、網絡層以及能量管理層面三個不同維度實現網絡全局能量自治。 具體地說，在MAC 層，動態感知實時數能狀態，控制媒體接入模式，實現節點級能量自治。 顯然，通過有效的媒體接入控制機制，降低節點接入控制能耗，并將節點因過聽、碰撞等產生的能耗轉化成一部分能量來源。 通過這種方式，可有效地提高節點的數能效率。 在網絡層，則主要依據數能效率進行自適應路由決策，有效地規范網絡中的信息流和能量流，從而實現路由級能量自治。 同時，為實現網絡全局范圍內能量自治，需要周期性的外界能量補給。 為此，在能量管理層面采用數能分布自適應無線移動能量補給機制。

圖3 數能一體化能量自治無線傳感器網絡概念圖

如圖3 所示，對于每個傳感器節點而言，在數能狀態自感知MAC 機制的控制下，可在短期內保持能量自治。

假設當前傳感器節點為sni，其數能狀態為Cond(γsni，ηsni)，基于無線能量傳輸的能量采集功率為Psnih，能量消耗功率記為Psnic。 則在本文提出的MAC 機制中，需滿足如下條件:

式中:Mode(sni)表示節點sni選定的工作模式，t表示有限的一小段時間。 限制條件(1).C 表明:通過感知當前節點數能狀態，控制節點的媒體接入方式，最終可以保證節點在短期內實現能量自治。 現考慮傳感器節點進行路由決策時，如何確保沿路由節點能量自治。 設當前節點為sni的可行下一跳節點集為Setsnifn，其數能效率為E(γsni，ηsni)。 在數能一體化能量自治無線傳感器網絡中，其路由決策過程可表示如下:

式中，snj是節點sni經過路由決策Drou(E(γsni，ηsni)，E(γsnj，ηsnj))選定的下一跳節點，trou表示路由有效持續時間，即從路由構建完畢到路由更新這段時間。 式(2)表明:節點在路由決策時，根據節點及其可行下一跳節點當前時刻的數能狀態，選擇出可在路由時間內滿足能量自治的節點作為其下一跳。假設數據源節點記為S，則由節點S到Sink 節點的路由RouS→Sink可表示如下:

式中:link(sni)為從節點sni到其下一跳節點構成的鏈路，SN 表示傳感器節點構成的集合。 由式(3)可知，在當前路由決策下，從節點S到Sink 節點之間的路由上各節點可在時間trou內保持能量自治。 由于傳感器節點能量須用于數據采集和傳輸，在沒有外界補充能量的情況下終究消耗殆盡。 為此，網絡中存在無線移動能量補給站，無線移動能量補給站在網絡拓撲中周期性移動給網絡拓撲中的能量低洼區域補充能量，實現網絡全局能量自治。 設網絡拓撲中的能量補給點固定，且構成集合Setnp，能量補給點記為np，無線移動能量補給站在能量補給點的逗留時間記為τnp，則無線移動能量補給站的能量補給決策問題可表示如下:

式中，l表示網絡拓撲中的能量補給點數量，xnpi是二值變量，表示無線移動能量補給站是否在對應的能量補給點npi停留進行能量補充。 由式(4)可知，在當前的供能策略下，可保證網絡全局能量自治。

2.2 詳細討論

數能一體化能量自治無線傳感器網絡中，媒體接入控制機制將對節點的數能狀態產生一定影響。 為此，在設計數能狀態自感知MAC 協議時，應動態感知節點的實時數能狀態。 圖4 所示為數能狀態自感知MAC 協議概念圖。 由圖可知，它屬于混合型MAC 協議，主要根據相關參與節點的實時數能狀態選擇媒體接入模式。 具體地說，在數能狀態Cond(γ1，η1)下，采取TDMA 方式接入媒體；而在數能狀態Cond(γ2，η2)下，則采取CSMA/CA 方式接入媒體。 一般地說，數能狀態臨界值Cond(γ1，η1)與Cond(γ2，η2)的確定取決于具體網絡應用場景。

圖4 數能狀態自感知MAC 協議概念圖

在數能狀態自感知MAC 協議中，媒體接入控制問題在本質上是一個動態決策問題。 為動態感知傳感器節點的實時數能狀態，須根據節點數據產生率、當前剩余能量以及當前潛在內外的能量來源等因素來進行實時數能狀態預估。 可采用模糊數學邏輯原理構建數能狀態自感知媒體接入控制規則庫，以降低數能狀態預估及媒體接入控制開銷。 模糊邏輯常被用于表達界限不清晰的定性知識與經驗，模擬人腦實施規則型推理過程，解決因“排中律”的邏輯破缺而導致的種種不確定問題。 因此，其適用于數能狀態自感知MAC 機制設計。

為適應大規模網絡拓撲需求，ESWIPSN 往往采取“多跳轉發”的數據傳輸模式。 路由協議則是實現“多跳轉發”的關鍵。 路由協議決定數據傳輸路徑，因而將影響沿路由各節點的能量消耗。 同時，數能一體化能量自治無線傳感器網絡中各傳感器節點的數能一體化傳輸模式也將對數據轉發效率產生重要影響。 因此，在數能一體化能量自治無線傳感器網絡中，沿路由節點的能量效率與其數據轉發效率是相互影響的。 為滿足路由轉發過程中參與節點的數據傳輸效率要求同時保證各節點能量自治，須實現數能效率自適應路由決策。

圖5 所示為數能一體化能量自治無線傳感器網絡中數能效率自適應路由決策概念圖。 由圖可知，每個傳感器節點以數據傳輸效率與能量效率的函數值為路由度量值進行路由決策，未被選為下一跳的鄰居節點則可同時進行能量收割。 路由構建完畢之后，數據轉發過程中同時伴隨著部分能量傳輸，最終可促使周圍節點能量趨向于均衡。 具體地說，經過一定時間的數據轉發后，可提高選定路由上各節點的數據傳輸效率，同時亦能使剩余能量較低的節點及時獲得一定程度的能量補充。

圖5 數能效率自適應路由決策概念圖

在數能效率自適應路由決策過程中，關鍵在于如何協調各相鄰傳感器節點的路由決策與轉發決策行為之間的關系。 然而，出于保護自身資源或其他因素的考量，節點難免因自私性而影響其決策行為。有效地規范各相關節點的決策行為，可避免節點自私性對網絡數能效率帶來的負面影響。 事實上，傳感器節點的路由決策行為在本質上是一個非合作博弈問題。 博弈論是研究博弈參與各方爭斗行為集合中是否存在最合理的行為方案以及如何找到這個合理行為方案的數學理論和方法[78]。 能效自適應路由決策問題正是通過構造合適的效益函數來規范各傳感器節點的決策行為，從而實現節點間的合作。 因此，基于博弈理論可有效實現能效自適應路由決策。

盡管數能一體化傳輸技術的引入可以有效提高節點數能效率，在沒有外界能量補充的前提下網絡能量終將耗盡。 為實現網絡全局能量自治，須采用無線移動能量補給站為各傳感器節點提供能量補充。 此外，為提高能量補給效率，應使無線移動補給站根據網絡數能實時分布狀態進行自適應能量補給。 為此，本文提出數能分布自感知無線能量補給機制概念模型，以實現網絡全局能量自治。 圖6 所示為該機制概念圖，無線移動能量補給站實時感知能量密度與數據產生率，并提供周期性移動式能量補給。 同時，無線移動能量補給站可在空閑時間通過獲取太陽能進行自身的能量補給。

圖6 數能自感知無線能量補給機制概念圖

上述數能分布自感知無線能量補給決策過程，其本質是一個旅行商問題。 具體地說，根據網絡全局拓撲的數據產生率、節點剩余能量分布、節點能量耗散速率確定無線移動能量補給站的能量補給策略。 最終，通過求解特定網絡數能分布狀態下的能量補給站路徑規劃，可實現網絡全局能量自治。 一般而言，旅行商問題通常在交通運輸、電路板線路設計以及物流配送等領域內有著廣泛應用[79]。 數能一體化能量自治無線傳感器網絡中無線移動能量補給站供能策略調度問題，在本質上等同于一個物流配送問題。 因此，通過旅行商建模可實現網絡全局下數能分布自感知無線能量補給。

3 機遇與挑戰

3.1 機遇

數能一體化傳輸技術的提出在一定程度上為無線傳感器網絡能量自治問題的實現提供機遇。 圖7所示為數能一體化能量自治無線傳感器網絡與網絡體系關系示意圖。 由圖可知，數能一體化傳輸技術與無線傳感器網絡的結合點主要體現在網絡協議棧中的物理層、數據鏈路層、網絡層以及能量管理層面。 在物理層，通過設計具備數能一體化傳輸功能的接收器單元，使傳感器節點可以充分利用RF 信號中的剩余能量，并采集周圍環境存在的其他射頻信號中的能量。 在鏈路層，可通過控制節點工作模式，從過聽和干擾信號中獲得能量補充，從而有效地提高節點級和網絡級的能量效率。 在網絡層，可以通過設計適用于數能一體化能量自治無線傳感器網絡的路由協議，合理地控制網絡全局范圍內的信息流和能量流，使網絡中的能量從高密度向低密度區域轉移，均衡化網絡能量分布，從而有效地提高沿路由節點能量效率。 此外，在無線移動能量補給站的支持下，對網絡全局中的節點因通信而消耗的能量進行補充。 綜上所述，數能一體化傳輸可給無線傳感器網絡的能量自治問題帶來一種全新解決方案。

圖7 數能一體化能量自治無線傳感器網絡與網絡體系的關系

由圖7 可知，現有的物理層相關技術可為本文提出的數能一體化能量自治無線傳感器網絡提供一定的技術支撐。 因此，SWIPT 技術、DPS 技術以及分離式接收器結構等技術使數能一體化能量自治無線傳感器節點進行數能一體化傳輸成為可能。 與傳統無線傳感器節點相比，數能一體化傳感器節點的工作模式除數據感知、接收、發送以及休眠模式之外，還應包括能量收割與數能同傳模式。 目前，國內外科研人員關于接收器最優化功率分割比例、最優化時隙切換比分配以及天線設計、編解碼理論等方面的相關研究已經相對很成熟，均以論文形式發表在國際著名會議及期刊雜志上，如INFOCOM[80]、GLOBECOM[81]、ICC[82]、TOC[83]、TOMC[84]及JSAC[85]等。

3.2 挑戰

3.2.1 新工作模式增加了媒體接入控制復雜性

與傳統無線傳感器節點相比，數能一體化無線傳感器節點新增了能量采集與數能同傳兩種工作模式。 新增工作模式將對其媒體接入控制機制帶來一定影響。 例如，如何根據節點當前數能狀態確定其工作模式及怎樣依據節點的能量狀態與當前工作環境估算媒體接入時隙大小等。 因此，如何動態感知節點實時數能狀態是數能一體化能量自治無線傳感器網絡數據鏈路層所面臨的一個重要挑戰，對于實現網絡節點級能量自治至關重要。

3.2.2 路由決策與數能效率關系錯綜復雜

數能一體化無線傳感器節點進行路由決策時，數據傳輸效率與能量效率之間存在不一致甚至相互矛盾之處。 具體地說，選取剩余能量最高的鄰居節點作為其下一跳有利于提高當前節點的數據轉發效率；然而，選取距離自身最近的鄰居節點作為下一跳則無疑更有利于提高能量效率。 但是，能量最高的鄰居節點往往并不一定是距離其自身最近的節點。因此，數能一體化能量自治無線傳感器網絡路由決策須兼顧網絡的數能效率。 另一方面，路由和數據轉發行為本身也導致了網絡數據流與能量流的動態變化，這在一定程度上反過來導致了路由決策的復雜性。 因此，如何在兼顧數能效率的前提下進行路由決策是數能一體化能量自治無線傳感器網絡的重大挑戰之一。

3.2.3 無線移動能量補給策略調度復雜

為確保網絡全局能量自治，須部署無線移動能量補給站周期性地在網絡拓撲中移動。 然而，無線移動能量補給站的供能策略與節點自身狀態；網絡環境(如補給軌跡、補給周期等)，及網絡全局數能分布等因素之間存在復雜的相互作用。 一方面，網絡全局范圍內的數能分布是無線移動能量補給站供能決策的重要依據；另一方面，無線移動能量補給站的供能策略是致使網絡數能分布動態變化的重要原因之一。 因此，如何制定無線移動能量補給站供能策略對于數能一體化能量自治無線傳感器網絡能量自治而言是一個重大挑戰。

3.3 應用案例

現以智慧農業為例，簡單分析數能一體化能量自治無線傳感器網絡面臨的挑戰。 圖8 所示為基于數能一體化能量自治無線傳感器網絡的智慧農業示例[72]。 由圖可知，基于數能一體化能量自治無線傳感器網絡的智慧農業包括管理層面、本地信息中心以及數能一體化能量自治無線傳感器網絡。 其中，數能一體化能量自治無線傳感器網絡主要負責信息采集，將搜集的信息上傳至本地信息中心。 本地信息中心可基于所采集的信息應用于智慧農場、智慧育種以及智慧溫室等。 同時，本地信息中心也會將相關信息進一步上傳至管理層面。 管理層面根據來自下層的信息進行跨層管理、智慧農業監控以及資源優化調度等。

圖8 數能一體化能量自治無線傳感器網絡在智慧農業中的應用

為實現對農田的智能化監測，傳感器節點一般以密集方式鋪設。 由于傳感器節點都具有數能一體化傳輸功能，所有節點在鋪設之后可以實現能量自治，大大降低了網絡的運營和維護成本，市場前景良好。 一般而言，動態感知節點處于數能狀態時，傳感器節點須實時感知周圍環境狀況。 由于其感知能耗較大，導致其數能狀態隨時間變化較快。 因此，如何動態感知節點的實時數能狀態具有一定復雜性，這使得節點工作模式控制更為復雜。 同時，節點的工作模式反過來又將影響節點的能量狀態，繼而影響節點級能量自治的實現。 因此，數能一體化能量自治無線傳感器網絡的MAC 機制設計有其復雜性。另外，傳感器節點在進行路由選擇時，同樣面臨自身及其可行下一跳節點數能效率難以判斷的情形。 一般地說，這種復雜性會隨著傳感器節點密度的增加而增大。 而對于智慧農業領域來說，傳感器節點鋪設密度普遍較大。 因此，對于智慧農業領域而言，數能一體化能量自治無線傳感器網絡在路由決策時面臨亟待解決的難題。 最后，為實現對農場的持續監測，確保網絡全局能量自治，給節點提供周期性能量補給至關重要。 然而，傳感器節點所處環境在不斷變化中，因為網絡數能分布將隨著環境的動態變化而變化。 數能變化的動態性在一定程度上導致了無線能量補給策略的復雜性。 因此，在數能一體化能量自治無線傳感器網絡中，基于網絡數能分布的能量補給面臨一定的挑戰。

4 總結與展望

4.1 總結

本文對現存的無線傳感器網絡節能策略進行了詳細綜述，按照節點能否進行能量采集以及能量來源的不同劃分為被動式節能技術、可再生能量收割技術以及數能一體化傳輸供能技術三類能量自治技術。 此外，對三類能量自治技術相關研究成果進行了詳細的總結與分類，并在此基礎上提出了數能一體化能量自治無線傳感器網絡概念模型。 最后，科學地分析了數能一體化能量自治無線傳感器網絡存在的機遇與面臨的挑戰。

數能一體化傳輸技術的出現在一定程度上給無線傳感器網絡的能量自治問題帶來了一種行之有效的解決方案。 具體地說，數能一體化傳輸技術應用于無線傳感器網絡，可解決傳統無線傳感器節點鋪設之后無法繼續供能的難題，同時也克服了可再生能源供能技術存在的能量來源不穩定、受限于時空因素等缺陷。 盡管如此，應用數能一體化傳輸技術實現無線傳感器網絡能量自治依然存在一定的挑戰。 例如，數能一體化傳輸模式的引入將給無線傳感節點媒體接入控制帶來一定程度的沖擊。 具體地說，由于無線能量采集模式的引入，傳統傳感器節點因空閑偵聽消耗能量的問題將不復存在，且可用于補充能量。 同時，數能一體化傳輸技術的引入也將改變原有的無線傳感器節點的路由決策機制。 在數能一體化能量自治無線傳感器網絡中，信息流與能量流共存的特征使路由選擇變得更趨復雜。 最后，在采用無線移動能量補給站給傳感器節點進行能量補給時，如何在確保網絡全局能量自治的同時降低能量補給成本也是一個亟待解決的復雜問題。

4.2 展望

當下，數能一體化能量自治無線傳感器網絡技術還不夠成熟，本文在分析了其發展機遇和面臨諸多挑戰的基礎上指出數能一體化能量自治無線傳感器網絡未來可行的研究方向。 簡單地說，為實現數能一體化無線傳感器網絡全局能量自治，可分別通過研究媒體接入控制、路由決策以及無線能量補給決策來實現數能一體化無線傳感器網絡能量自治，構建“點”、“線”以及“面”多級維度的能量自治理論體系。 未來數能一體化能量自治無線傳感器網絡的研究中以下三個方面值得關注。 ①針對數能一體化能量自治無線傳感器網絡中，數能一體化傳輸技術對節點接入模式的影響，設計數能實時狀態感知模塊，將數能實時狀態作為接入決策的控制輸入變量，通過數能狀態自感知媒介接入控制實現“點”級能量自治。 ②數能一體化能量自治無線傳感器網絡中，傳感器節點不同的工作模式將對數據“多跳轉發”過程中的數能效率產生影響。 設計關于能量效率與轉發效率的動態路由更新因子，以控制路由動態更新。 最終，通過多跳傳輸過程的數能效率自適應路由，實現網絡“線”級能量自治。 ③數能狀態自感知MAC 協議以及路由協議可在短期內保證網絡局部能量自治。 因而，可引入無線移動能量補站對無線傳感器節點進行能量補充。 為此，可基于社會福利理論，動態規劃無線移動能量供給站的供能軌跡，實現網絡“面”級能量自治。