無線傳感器網絡的節能路由策略

楊錦峰

（廣東原創科技有限公司，廣東 惠州 516003）

0 引 言

隨著無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）在各種應用中的廣泛部署，如環境監測、智慧農業和健康監測等。其能耗問題成為一個重要研究課題。WSN 中的節點通常受限于電池容量，因此開發有效的節能路由策略對于提高網絡的能效和可持續性至關重要。文章旨在探討WSN 的能耗問題及其對網絡性能的影響，并提出多項優化策略，以提高WSN的整體效能和應用價值。

1 能耗問題在WSN 中的表現及其影響

WSN 的能耗問題表現為節點電池壽命的限制，直接影響網絡的壽命和性能。以IEEE 802.15.4 標準為例，該標準規定節點在空閑模式下的耗電量為0.001 2 mW， 而在傳輸模式下可達到0.02 ～0.035 mW。這意味著在高密度數據傳輸的應用場景下，節點的能量消耗迅速增加[1]。以一個具有2 500 mAh電池容量的節點為例，在連續傳輸模式下，其理論最長壽命僅為約71 ～125 h。而在實際應用中，由于信號干擾、節點移動等因素，實際壽命往往低于理論值。此外，能耗問題對網絡的維護成本產生顯著影響。以一個中等規模的WSN 為例，假設網絡由500 個節點組成，每個節點的平均維護成本為100 元。若每個節點的平均壽命為1 年，則年維護成本高達5 萬元。在某些要求高可靠性的應用中，如橋梁結構監測，這一成本可能因為需要更頻繁的維護和更高的技術要求而進一步增加。

能耗問題還影響了WSN 的可擴展性和可靠性。在設計大規模WSN時，需考慮整個網絡的能量需求。例如，若每個節點在一次監測周期內平均消耗0.5 mJ 的能量，對于1 000 個節點的網絡，整個監測周期內的總能耗將達到500 mJ。這要求網絡設計者在部署初期就必須考慮能量的有效分配和管理，以保證網絡的長期穩定運行。因此，能耗問題不僅限制節點的運行時間和網絡的覆蓋范圍，還增加網絡運行的復雜性和成本，對WSN 的應用范圍和效率產生重要影響。

2 WSN 的節能路由策略應用

2.1 基于層次的節能路由策略

基于層次的節能路由策略在WSN 中通過建立分層結構，有效管理數據傳輸，從而節約能量。在一個典型的3 層網絡結構中，底層傳感器節點的主要任務是數據采集，中間層節點作為數據聚合點，負責處理和轉發數據，頂層節點則將數據傳輸到基站[2]。根據IEEE 802.15.4 標準，如果傳輸距離縮短50%，節點的能耗可減少到原先的50%。例如，一個節點在傳輸1 kB 數據至100 m 遠的基站時耗能0.03 mJ，通過層次化結構，若傳輸距離減少至50 m，能耗可降至0.015 mJ。基于層次的節能路由策略性能參數如表1 所示。

表1 基于層次的節能路由策略性能參數

此外，分層結構可以根據網絡狀態動態調整，如在網絡流量較低時，部分中間層節點可進入睡眠模式，進一步節約能量，此策略在大規模WSN 應用中尤為有效。例如，在1 000 個節點的網絡中，如果采用平坦結構，每個節點平均每天傳輸數據量為1 MB，每傳輸1 kB 耗能0.03 mJ，則每天總能耗約為30 J。而在層次化結構中，通過減少每個節點的傳輸距離和頻率，假設每個節點的日均數據傳輸量降至0.5 MB，且通過中間層節點的數據聚合，每個節點的日均能耗可降至約15 J。在1 年的時間里，這種策略能夠為整個網絡節約約5.5 萬J 的能量，顯著提高網絡的能效。

2.2 基于數據融合的節能路由策略

數據融合是另一種有效的節能路由策略，通過合并和壓縮數據來減少WSN 中的通信量。例如，一個部署有500 個節點的WSN，每個節點每小時采集1 kB 數據。假設不采用數據融合，每個節點每天需傳輸24 kB 數據，若每傳輸1 kB 數據耗能0.02 mJ，則每個節點的日均能耗為0.48 mJ。通過實施數據融合，假設數據量可減少至原來的40%，則每個節點每天只需傳輸9.6 kB，相應的日均能耗降至0.192 mJ。數據融合效率與網絡性能如表2 所示。

表2 數據融合效率與網絡性能

此外，數據融合能提高數據傳輸的效率和質量。在實際應用中，數據融合不僅減少傳輸的數據量，還通過去除冗余和無關數據提高數據的相關性與準確性[3]。例如，在環境監測應用中，通過融合來自不同傳感器的溫度、濕度以及氣壓數據，可以更準確地預測天氣變化。這種策略不僅節約能源，還提高數據的應用價值。

2.3 基于睡眠調度的節能路由策略

基于睡眠調度的節能路由策略在WSN 中通過控制節點的活動和休眠周期來優化能耗。這種策略的關鍵在于合理安排節點的工作時間，使節點在非關鍵時刻進入低功耗狀態。以IEEE 802.15.4 協議為例，一個節點在活動狀態下的功耗約為50 mW，而在休眠狀態下可降至0.001 mW。以一個典型的WSN 節點為例，其平均活動時間占比約為10%。通過實施睡眠調度，如果將節點的休眠時間從50%增加至90%，理論上可以將總能耗降低近40%。例如，對于一個初始能量為2 J 的節點，通過有效的睡眠調度，其壽命可以從原本的100 h 延長至約140 h[4]。此策略在需要長期監測但數據更新頻率不高的場景中尤為有效。例如，在環境監測網絡中，某節點每10 min 采集一次數據，每次活動1 min 足以完成數據采集和傳輸。若不采用睡眠調度，該節點的日均能耗為12 J；采用睡眠調度后，節點大部分時間處于低功耗狀態，日均能耗可降至約7.2 J。

2.4 基于動態路由的節能路由策略

基于動態路由的節能路由策略通過實時調整數據傳輸路徑來均衡網絡中的能耗。在這種策略下，路由決策考慮節點的剩余能量和通信負載，從而避免過度消耗某些節點的能量。例如，在一個由500 個節點組成的WSN 中，如果每個節點的初始能量為2 J，采用靜態路由策略，節點平均壽命可能為200 h。而采用動態路由策略，通過均衡能量消耗，可以將整個網絡的平均節點壽命提高至250 h。實際應用中，如在智能農業監測系統中，動態路由策略可以根據季節和作物生長階段的不同，調整數據收集頻率和傳輸路徑。例如，生長旺盛期每天收集數據，而休眠期則減少至每周一次。這種調整不僅優化了數據收集的效率，還顯著降低了整個網絡的能耗。進一步的模擬表明，在一年的生長周期內，動態路由策略可以節約約30%的能耗，同時保持數據收集的時效性和準確性。動態路由策略在網絡負載較重或節點分布不均勻的情況下尤為重要[5]。通過實時監測網絡狀態和節點能量，可以有效避免因某些節點能量耗盡而導致的網絡連接中斷。例如，在一個節點分布不均勻的監測網絡中，通過動態路由，可以減少對能量較低節點的數據傳輸依賴，從而均衡整個網絡的能耗，并提高網絡的整體穩定性和可靠性。

3 WSN 中節能路由策略的優化

3.1 增強路由協議的自適應性

在WSN 中，增強路由協議的自適應性是關鍵，這要求路由協議能夠根據網絡的動態變化實時調整。例如，當網絡中某個節點的能量下降至預設閾值（如剩余能量低于20%）時，路由協議應能夠自動調整，減少通過該節點的數據流量。具體來說，如果節點的初始能量為2 J，當其剩余能量降至0.4 J 時，路由協議應將大部分數據流量重定向至其他能量較高的節點。路由協議還應能夠根據實時通信負載自動調整。例如，在網絡流量高峰期（如每個節點每小時處理數據量增加至1.5 MB），路由協議應優先選擇能耗較低的路徑，以減少整個網絡的能耗。依據實驗數據，這種自適應路由策略可以提高網絡整體能效約15%～25%。此外，自適應路由協議還應能根據環境條件（如溫度、濕度）進行調整。在環境條件變化導致節點能耗增加的情況下（如溫度升高導致節點能耗提升10%），路由協議應能自動降低數據傳輸頻率或調整數據傳輸路徑，以適應該變化。這種基于環境感知的自適應路由協議可以進一步提高網絡的能效和可靠性。

3.2 提升數據處理和融合效率

提升數據處理和融合效率是WSN 節能策略的另一個重要方向。高效的數據融合可以顯著減少需要傳輸的數據量。例如，通過在節點上實施高級的數據預處理和融合算法，可以將原始數據量減少50%以上。具體而言，如果每個節點每小時產生1 MB 原始數據，經過有效的數據融合后，可將每小時的數據傳輸量減少至500 kB。根據能耗模型計算，這樣的數據量減少可以使節點的能耗降低25%～30%。同時，應用先進的數據壓縮技術可以將融合后的數據進一步壓縮20%～30%。例如，在上述場景中，經過壓縮，每小時的數據傳輸量可以降至350 ～400 kB。這種數據處理和融合技術不僅減少傳輸數據量，還提高網絡的總體數據處理效率。除了減少數據量，數據融合策略還應關注數據的時效性和準確性，確保關鍵信息不會在融合過程中丟失[6]。例如，在環境監測應用中，通過智能數據融合技術，可以確保及時傳輸關鍵環境變化的數據，同時減少常規數據的傳輸頻率。這種平衡策略既保證監測數據的準確性和完整性，又顯著降低網絡的總體能耗。此外，數據融合過程中還應考慮節點間的協作。通過在相鄰節點間共享和融合數據，可以進一步降低冗余數據的傳輸。例如，若相鄰節點監測到的環境參數相似，這些節點可以共同決定只由其中一個節點發送融合數據，從而減少總體傳輸量。根據實際測試，這種節點間協作的數據融合策略可以額外減少10%～15%的數據傳輸量。

3.3 實現網絡拓撲的動態調整

在WSN 中，實現網絡拓撲的動態調整對于提高能效至關重要。動態拓撲調整是指根據網絡中的節點狀態和環境條件，實時重新配置網絡的結構。例如，當某個節點的能量低于閾值（如0.2 J）時，網絡應自動調整，減少或避免通過該節點的數據傳輸。在一個由1 000 個節點組成的網絡中，假設每個節點的平均能量消耗率為0.01 J/h，通過動態拓撲調整，可以將網絡中低能量節點的負擔減輕50%，從而延長這些節點的壽命，并提高整個網絡的穩定性。動態拓撲調整還包括根據節點的地理位置和任務分配來優化路徑。例如，若某一區域的節點由于環境因素（如高溫）導致能耗增加，網絡應自動調整，減少該區域節點的負載，并將數據傳輸任務轉移至能耗相對較低的區域。通過模擬分析，這種基于地理和環境的動態拓撲調整可降低特定區域節點的能耗高達30%。此外，動態拓撲調整應考慮網絡的覆蓋范圍和數據傳輸的完整性。網絡調整策略應確保在任何時候，所有關鍵區域均能被有效覆蓋，同時保持數據的完整性和準確性。這要求網絡不僅在能耗上進行優化，還需要在保證監測數據質量的前提下進行拓撲調整。

4 結 論

文章通過深入分析無線傳感器網絡的節能路由策略，提供了一系列切實可行的優化建議。從增強路由協議的自適應性到應用先進的機器學習技術，這些策略的實施有助于顯著提升網絡的能效和運行穩定性。尤其在面對資源限制和環境挑戰時，這些優化措施顯示出極強的重要性。未來的研究可在此基礎上進一步探索，以實現更高效、可靠的無線傳感器網絡系統。