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(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)是一種由數(shù)量巨大、價格低廉、體積微小的無線傳感器節(jié)點密切配合完成復雜任務(wù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)[1]。 WSNs 具有部署簡單、成本低廉等諸多優(yōu)勢，因而被廣泛應用于環(huán)境檢測、軍事監(jiān)測、醫(yī)療護理、瀕危物種監(jiān)護以及災后安全救援等領(lǐng)域[1-2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層的關(guān)鍵技術(shù)之一，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展及其應用普及意義至關(guān)重要。同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用離不開無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署。 2020 年全球新冠肺炎爆發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)因其免接觸式智慧診斷功能在世界范圍內(nèi)獲得了更多的關(guān)注[3]。 隨著數(shù)字化時代的來臨，物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模正進一步擴大。 據(jù)愛立信公司預測，到2023 年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將有望超過200 億臺[4]。 因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署規(guī)模將隨之進一步擴大。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)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(fā)了嚴重的二氧化碳排放問題。 據(jù)統(tǒng)計，由信息通信技術(shù)(Information Communication Technology，ICT)產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的[5-6]。 為緩解能源日益枯竭問題與保護生態(tài)環(huán)境，低碳經(jīng)濟已成為世界各國的普遍共識，也是我國新時代發(fā)展的基本戰(zhàn)略抉擇[7]。 2021 年全國兩會，“碳中和”首次被寫進國務(wù)院政府工作報告[8]。 因此，對WSNs 數(shù)據(jù)感知與傳輸?shù)牡湍芎囊蟛坏c我國新時代經(jīng)濟發(fā)展模式高度契合，更迎合了當前學術(shù)界綠色網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展目標[9]。 此外，無線傳感器節(jié)點自身存在能量受限的缺陷。 例如，采用一節(jié)AA 電池供能的傳感器節(jié)點只能連續(xù)工作4 天[5，10]。 同時，無線傳感器節(jié)點通常以密集鋪設(shè)的方式大規(guī)模部署于惡劣甚至人跡罕至的環(huán)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(jié)點數(shù)量達到一定比例時，將出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分區(qū)。 網(wǎng)絡(luò)分區(qū)嚴重影響數(shù)據(jù)感知與傳輸，導致其上層應用無法獲得足夠的有效數(shù)據(jù)。 因此，如何實現(xiàn)WSNs 能量自治是物聯(lián)網(wǎng)應用廣泛普及亟待解決的重大難題之一。 近年來，出現(xiàn)了大量的致力于提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量效率的相關(guān)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(lián)網(wǎng)理論發(fā)展及其技術(shù)進步意義重大。

目前，國內(nèi)外專家學者對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治的相關(guān)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(wǎng)絡(luò)生命周期最大化技術(shù)進行了詳細綜述。給出了拓撲控制的全新定義，在此基礎(chǔ)上對現(xiàn)存的拓撲控制技術(shù)進行了歸類，并對其未來發(fā)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(guān)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(shù)實際上隸屬于分簇機制[12]。 Han 等[13]對于媒體接入控制技術(shù)(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(xiàn)的所有MAC 協(xié)議分成同步MAC 協(xié)議、異步MAC 協(xié)議、基于幀的MAC 協(xié)議以及多信道MAC 協(xié)議。 然而，作者主要關(guān)注于通用MAC 協(xié)議，而非致力于能量自治的節(jié)能MAC 協(xié)議。 此外，也沒有關(guān)于提高能量效率技術(shù)的系統(tǒng)分析與闡述。 Gu 等[14]對基于移動Sink節(jié)點的節(jié)能機制進行了總結(jié)。 作者將相關(guān)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(shù)，隨后對這四類技術(shù)進行了詳細的分析。 然而，作者的關(guān)注點只在于基于移動Sink 節(jié)點的節(jié)能技術(shù)。 事實上，除了基于移動Sink 節(jié)點的節(jié)能技術(shù)，還包括基于移動Relay 的節(jié)能機制。 Younis 等[15]分析了現(xiàn)存的分簇技術(shù)并對他們面臨的挑戰(zhàn)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(xiàn)存的節(jié)能路由技術(shù)進行了綜述，將2013 年之前出現(xiàn)的節(jié)能路由技術(shù)分成基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的技術(shù)、基于通信模型的技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)拓撲的技術(shù)以及可靠節(jié)能路由技術(shù)四類。 然而，作者只關(guān)注網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)節(jié)能技術(shù)，事實上還存在跨層節(jié)能路由技術(shù)。 Yetgin 等[17]對現(xiàn)存的關(guān)于如何延長WSNs 生命期的節(jié)能技術(shù)設(shè)計原則及其存在的缺陷進行了詳盡的分析。 相關(guān)的節(jié)能技術(shù)被劃分為基于跨層設(shè)計的資源分配方案、機會傳輸方案/休眠-喚醒調(diào)度、路由/分簇算法、移動Sink/Relay 技術(shù)、覆蓋率與連通性/優(yōu)化部署、數(shù)據(jù)采集/網(wǎng)絡(luò)編碼、數(shù)據(jù)相關(guān)分析、能量采集技術(shù)以及波束成形技術(shù)。 盡管該綜述對于WSNs 能量自治技術(shù)具有較廣的涵蓋面，卻忽視了近年來出現(xiàn)的基于壓縮感知的節(jié)能技術(shù)，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(xiàn)的WSNs 能量自治技術(shù)做了一個較為詳盡的綜述，并將相關(guān)技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、節(jié)能層次以及節(jié)能視角分別進行了詳細介紹[18]。 然而，該綜述只關(guān)注了傳統(tǒng)靜態(tài)WSNs 的節(jié)能技術(shù)。 除了上述所列舉的綜述之外，還包括其他一些對現(xiàn)存WSNs 能量自治技術(shù)的相關(guān)綜述，這些綜述對傳統(tǒng)的靜態(tài)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(shù)的WSNs 以及結(jié)合數(shù)能一體化傳輸技術(shù)的WSNs 進行介紹，也未能就WSNs 能量自治技術(shù)的未來發(fā)展趨勢作出預測。

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治問題，本文對2002—2022 年以來出現(xiàn)的與其相關(guān)的主要技術(shù)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(jié)能技術(shù)、可再生能源收割技術(shù)以及數(shù)能一體化傳輸供能技術(shù)三類。 隨后，基于數(shù)能一體化傳輸技術(shù)提出了數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念模型。 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(zhàn)。 最后，對本文進行了總結(jié)，并結(jié)合其面臨的挑戰(zhàn)指明了未來可行的研究方向。

1 現(xiàn)存能量自治技術(shù)綜述

為實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治，近年來國內(nèi)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(jié)按照傳感器節(jié)點能否進行后續(xù)供能及其能量來源，將現(xiàn)存的能量自治技術(shù)分為被動式節(jié)能技術(shù)、可再生能量收割技術(shù)以及數(shù)能一體化傳輸供能技術(shù)三大類。

1.1 被動式節(jié)能技術(shù)

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

根據(jù)節(jié)能所聚焦的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧層次、節(jié)能級別以及節(jié)能視角，被動式節(jié)能技術(shù)可分為不同的類別[10]。 具體地說，近年來出現(xiàn)的相關(guān)研究成果主要可分為節(jié)能媒介接入控制(Energy-Efficient Media Access Control，EEMAC)、移動節(jié)點輔助節(jié)能機制(Mobile Node Assistance Scheme，MNAS)、節(jié)能分簇機制(Energy-Efficient Clustering Scheme，EECS)、節(jié)能路由機制( Energy-Efficient Routing Scheme，EERS)以及基于壓縮感知的節(jié)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(xié)議、時隙接入MAC 協(xié)議，幀接入MAC 協(xié)議以及混合方式接入MAC 協(xié)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(jié)點或者移動Relay 的方式，在降低節(jié)點通信能耗的同時，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，主要包括CSPLI[27]、DT-MSM[28]、MRSC[29]等。 EECS 以邏輯方式將網(wǎng)絡(luò)劃分成不同的分簇，從而形成具有層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓撲。 每個分簇包括簇頭節(jié)點和成員節(jié)點兩種不同角色，成員節(jié)點負責簇內(nèi)數(shù)據(jù)采集，簇頭節(jié)點則負責將成員節(jié)點采集的數(shù)據(jù)簡單處理并轉(zhuǎn)發(fā)至Sink 節(jié)點。 一般而言，簇頭節(jié)點采用“多跳轉(zhuǎn)發(fā)”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(wǎng)絡(luò)能耗。 其最早的研究成果為LEACH[30]，通過控制不同網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的能耗分布來提高能量效率，進而延長網(wǎng)絡(luò)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(yōu)路徑的相關(guān)節(jié)點能量率先耗盡，相關(guān)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(wǎng)絡(luò)存在的數(shù)據(jù)相關(guān)性，通過降低數(shù)據(jù)采集頻率從數(shù)據(jù)源處減少網(wǎng)絡(luò)的采集能耗與通信能耗[37]。 此外，基于壓縮感知的節(jié)能技術(shù)也可和分簇機制相結(jié)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(shù)相結(jié)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(wǎng)絡(luò)生命期，然而傳感器節(jié)點無法主動獲得能量補充。因此，無法避免網(wǎng)絡(luò)生命期的終結(jié)。 顯然這種技術(shù)無法實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)真正意義上的能量自治。

1.2 可再生能量收割技術(shù)

近年來， 可再生能量收割技術(shù)( Energy Harvesting，EH)的出現(xiàn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shù)有效地緩解了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因能量受限問題所帶來的壓力，使WSNs 可在優(yōu)先考慮能量補給的同時兼顧一定的網(wǎng)絡(luò)性能要求。 因此，現(xiàn)存的相關(guān)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)，如提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低網(wǎng)絡(luò)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(jié)點行為保持能量收支平衡，從而實現(xiàn)節(jié)點能量自治[45]。 具體來說，相關(guān)研究主要包括動態(tài)能量管理[46]、自適應占空比調(diào)度以及能量預測機制等[47]。

圖1 能量中立操作(ENO)

動態(tài)能量管理通過感知節(jié)點自身剩余能量與可再生能量的動態(tài)變化趨勢，有效地進行節(jié)點工作模式與傳輸功率控制，保證各節(jié)點能量中立，并盡可能提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及降低網(wǎng)絡(luò)延時，相關(guān)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(diào)度機制則依據(jù)節(jié)點剩余能量或者能量采集速率自適應調(diào)節(jié)節(jié)點占空比，在保證能量中立的前提下盡可能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。 相關(guān)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(chǔ)上有效控制節(jié)點的相關(guān)行為，從而保證節(jié)點能量中立。 相關(guān)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(shù)可有效地緩解傳感器節(jié)點能量不足的壓力，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一定程度的能量自治。 然而，可再生能量也存在供能不穩(wěn)定、容易受時空影響等缺陷，因此，可再生能量收割技術(shù)無法為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量自治問題提供終極解決方案。

1.3 數(shù)能一體化傳輸供能技術(shù)

與不穩(wěn)定、易受時空影響的可再生能量相比，近年來出現(xiàn)的無線能量傳輸技術(shù)(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(xiàn)信息與能量同步傳輸?shù)臄?shù)能一體化傳輸技術(shù)(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)[62]。SWIPT 技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)相比，SWIPT 技術(shù)可提供更穩(wěn)定、更可控以及可預測的能量來源。

數(shù)能一體化傳輸技術(shù)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(xiàn)同步能量采集與信息解碼[63]。 圖2 所示為具備數(shù)能一體化傳輸功能的傳感器接收單元結(jié)構(gòu)以及四種不同的數(shù)能收集模式示意圖。 為方便起見，以下將具備數(shù)能一體化傳輸功能的傳感器節(jié)點稱為數(shù)能一體化傳感器節(jié)點。 顯然，由圖2(a)所示可知，與傳統(tǒng)無線傳感器節(jié)點相比，數(shù)能一體化傳感器節(jié)點須配備一個數(shù)能分割單元以及能量收割單元。 通過合理地分配數(shù)能比，可保證節(jié)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(shù)能收集模式。由圖可知，現(xiàn)存的數(shù)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(shù)能一體化傳感器節(jié)點接收器結(jié)構(gòu)及數(shù)能收集模式示意圖

目前，大多數(shù)研究主要聚焦于如何實現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計等[65]。 一般來說，通過將功率分割比或時間切換調(diào)度問題建模為以數(shù)據(jù)傳輸速率為目標函數(shù)的最優(yōu)化問題，最終將問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題來獲得最優(yōu)分割比[66]。 另外，也包括針對具體網(wǎng)絡(luò)拓撲下的最優(yōu)無線能量傳輸決策，如多個中繼節(jié)點的兩段鏈路傳輸場景、基于樹形拓撲的高能效數(shù)據(jù)傳輸模型等，相關(guān)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(guān)研究，例如綠色農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)[72]、應用于移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(guān)的QoS 需求，類似研究還包括合作網(wǎng)絡(luò)[74]以及中繼轉(zhuǎn)發(fā)等[75]。

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

現(xiàn)存能量自治技術(shù)的分類統(tǒng)計情況如表1 所示。

表1 現(xiàn)有能量自治技術(shù)分類匯總表

2 數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.1 概述

基于上述分析，本文提出如圖3 所示的數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念圖。 由圖可知，數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要從MAC層、網(wǎng)絡(luò)層以及能量管理層面三個不同維度實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局能量自治。 具體地說，在MAC 層，動態(tài)感知實時數(shù)能狀態(tài)，控制媒體接入模式，實現(xiàn)節(jié)點級能量自治。 顯然，通過有效的媒體接入控制機制，降低節(jié)點接入控制能耗，并將節(jié)點因過聽、碰撞等產(chǎn)生的能耗轉(zhuǎn)化成一部分能量來源。 通過這種方式，可有效地提高節(jié)點的數(shù)能效率。 在網(wǎng)絡(luò)層，則主要依據(jù)數(shù)能效率進行自適應路由決策，有效地規(guī)范網(wǎng)絡(luò)中的信息流和能量流，從而實現(xiàn)路由級能量自治。 同時，為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局范圍內(nèi)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(shù)能分布自適應無線移動能量補給機制。

圖3 數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念圖

如圖3 所示，對于每個傳感器節(jié)點而言，在數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 機制的控制下，可在短期內(nèi)保持能量自治。

假設(shè)當前傳感器節(jié)點為sni，其數(shù)能狀態(tài)為Cond(γsni，ηsni)，基于無線能量傳輸?shù)哪芰坎杉β蕿镻snih，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(jié)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(jié)點數(shù)能狀態(tài)，控制節(jié)點的媒體接入方式，最終可以保證節(jié)點在短期內(nèi)實現(xiàn)能量自治。 現(xiàn)考慮傳感器節(jié)點進行路由決策時，如何確保沿路由節(jié)點能量自治。 設(shè)當前節(jié)點為sni的可行下一跳節(jié)點集為Setsnifn，其數(shù)能效率為E(γsni，ηsni)。 在數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，其路由決策過程可表示如下:

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

式中:link(sni)為從節(jié)點sni到其下一跳節(jié)點構(gòu)成的鏈路，SN 表示傳感器節(jié)點構(gòu)成的集合。 由式(3)可知，在當前路由決策下，從節(jié)點S到Sink 節(jié)點之間的路由上各節(jié)點可在時間trou內(nèi)保持能量自治。 由于傳感器節(jié)點能量須用于數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中存在無線移動能量補給站，無線移動能量補給站在網(wǎng)絡(luò)拓撲中周期性移動給網(wǎng)絡(luò)拓撲中的能量低洼區(qū)域補充能量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局能量自治。 設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓撲中的能量補給點固定，且構(gòu)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(wǎng)絡(luò)拓撲中的能量補給點數(shù)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(wǎng)絡(luò)全局能量自治。

2.2 詳細討論

數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，媒體接入控制機制將對節(jié)點的數(shù)能狀態(tài)產(chǎn)生一定影響。 為此，在設(shè)計數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 協(xié)議時，應動態(tài)感知節(jié)點的實時數(shù)能狀態(tài)。 圖4 所示為數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 協(xié)議概念圖。 由圖可知，它屬于混合型MAC 協(xié)議，主要根據(jù)相關(guān)參與節(jié)點的實時數(shù)能狀態(tài)選擇媒體接入模式。 具體地說，在數(shù)能狀態(tài)Cond(γ1，η1)下，采取TDMA 方式接入媒體；而在數(shù)能狀態(tài)Cond(γ2，η2)下，則采取CSMA/CA 方式接入媒體。 一般地說，數(shù)能狀態(tài)臨界值Cond(γ1，η1)與Cond(γ2，η2)的確定取決于具體網(wǎng)絡(luò)應用場景。

圖4 數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 協(xié)議概念圖

在數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 協(xié)議中，媒體接入控制問題在本質(zhì)上是一個動態(tài)決策問題。 為動態(tài)感知傳感器節(jié)點的實時數(shù)能狀態(tài)，須根據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)產(chǎn)生率、當前剩余能量以及當前潛在內(nèi)外的能量來源等因素來進行實時數(shù)能狀態(tài)預估。 可采用模糊數(shù)學邏輯原理構(gòu)建數(shù)能狀態(tài)自感知媒體接入控制規(guī)則庫，以降低數(shù)能狀態(tài)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(jīng)驗，模擬人腦實施規(guī)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(shù)能狀態(tài)自感知MAC 機制設(shè)計。

為適應大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓撲需求，ESWIPSN 往往采取“多跳轉(zhuǎn)發(fā)”的數(shù)據(jù)傳輸模式。 路由協(xié)議則是實現(xiàn)“多跳轉(zhuǎn)發(fā)”的關(guān)鍵。 路由協(xié)議決定數(shù)據(jù)傳輸路徑，因而將影響沿路由各節(jié)點的能量消耗。 同時，數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點的數(shù)能一體化傳輸模式也將對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率產(chǎn)生重要影響。 因此，在數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，沿路由節(jié)點的能量效率與其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率是相互影響的。 為滿足路由轉(zhuǎn)發(fā)過程中參與節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸效率要求同時保證各節(jié)點能量自治，須實現(xiàn)數(shù)能效率自適應路由決策。

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

圖5 數(shù)能效率自適應路由決策概念圖

在數(shù)能效率自適應路由決策過程中，關(guān)鍵在于如何協(xié)調(diào)各相鄰傳感器節(jié)點的路由決策與轉(zhuǎn)發(fā)決策行為之間的關(guān)系。 然而，出于保護自身資源或其他因素的考量，節(jié)點難免因自私性而影響其決策行為。有效地規(guī)范各相關(guān)節(jié)點的決策行為，可避免節(jié)點自私性對網(wǎng)絡(luò)數(shù)能效率帶來的負面影響。 事實上，傳感器節(jié)點的路由決策行為在本質(zhì)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(shù)學理論和方法[78]。 能效自適應路由決策問題正是通過構(gòu)造合適的效益函數(shù)來規(guī)范各傳感器節(jié)點的決策行為，從而實現(xiàn)節(jié)點間的合作。 因此，基于博弈理論可有效實現(xiàn)能效自適應路由決策。

盡管數(shù)能一體化傳輸技術(shù)的引入可以有效提高節(jié)點數(shù)能效率，在沒有外界能量補充的前提下網(wǎng)絡(luò)能量終將耗盡。 為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局能量自治，須采用無線移動能量補給站為各傳感器節(jié)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(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)能實時分布狀態(tài)進行自適應能量補給。 為此，本文提出數(shù)能分布自感知無線能量補給機制概念模型，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)產(chǎn)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(shù)能自感知無線能量補給機制概念圖

上述數(shù)能分布自感知無線能量補給決策過程，其本質(zhì)是一個旅行商問題。 具體地說，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)全局拓撲的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率、節(jié)點剩余能量分布、節(jié)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(wǎng)絡(luò)數(shù)能分布狀態(tài)下的能量補給站路徑規(guī)劃，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(shè)計以及物流配送等領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛應用[79]。 數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無線移動能量補給站供能策略調(diào)度問題，在本質(zhì)上等同于一個物流配送問題。 因此，通過旅行商建?？蓪崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全局下數(shù)能分布自感知無線能量補給。

3 機遇與挑戰(zhàn)

3.1 機遇

數(shù)能一體化傳輸技術(shù)的提出在一定程度上為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治問題的實現(xiàn)提供機遇。 圖7所示為數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)體系關(guān)系示意圖。 由圖可知，數(shù)能一體化傳輸技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合點主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及能量管理層面。 在物理層，通過設(shè)計具備數(shù)能一體化傳輸功能的接收器單元，使傳感器節(jié)點可以充分利用RF 信號中的剩余能量，并采集周圍環(huán)境存在的其他射頻信號中的能量。 在鏈路層，可通過控制節(jié)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(jié)點級和網(wǎng)絡(luò)級的能量效率。 在網(wǎng)絡(luò)層，可以通過設(shè)計適用于數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，合理地控制網(wǎng)絡(luò)全局范圍內(nèi)的信息流和能量流，使網(wǎng)絡(luò)中的能量從高密度向低密度區(qū)域轉(zhuǎn)移，均衡化網(wǎng)絡(luò)能量分布，從而有效地提高沿路由節(jié)點能量效率。 此外，在無線移動能量補給站的支持下，對網(wǎng)絡(luò)全局中的節(jié)點因通信而消耗的能量進行補充。 綜上所述，數(shù)能一體化傳輸可給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量自治問題帶來一種全新解決方案。

圖7 數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)體系的關(guān)系

由圖7 可知，現(xiàn)有的物理層相關(guān)技術(shù)可為本文提出的數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供一定的技術(shù)支撐。 因此，SWIPT 技術(shù)、DPS 技術(shù)以及分離式接收器結(jié)構(gòu)等技術(shù)使數(shù)能一體化能量自治無線傳感器節(jié)點進行數(shù)能一體化傳輸成為可能。 與傳統(tǒng)無線傳感器節(jié)點相比，數(shù)能一體化傳感器節(jié)點的工作模式除數(shù)據(jù)感知、接收、發(fā)送以及休眠模式之外，還應包括能量收割與數(shù)能同傳模式。 目前，國內(nèi)外科研人員關(guān)于接收器最優(yōu)化功率分割比例、最優(yōu)化時隙切換比分配以及天線設(shè)計、編解碼理論等方面的相關(guān)研究已經(jīng)相對很成熟，均以論文形式發(fā)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(zhàn)

3.2.1 新工作模式增加了媒體接入控制復雜性

與傳統(tǒng)無線傳感器節(jié)點相比，數(shù)能一體化無線傳感器節(jié)點新增了能量采集與數(shù)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(jù)節(jié)點當前數(shù)能狀態(tài)確定其工作模式及怎樣依據(jù)節(jié)點的能量狀態(tài)與當前工作環(huán)境估算媒體接入時隙大小等。 因此，如何動態(tài)感知節(jié)點實時數(shù)能狀態(tài)是數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層所面臨的一個重要挑戰(zhàn)，對于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點級能量自治至關(guān)重要。

3.2.2 路由決策與數(shù)能效率關(guān)系錯綜復雜

數(shù)能一體化無線傳感器節(jié)點進行路由決策時，數(shù)據(jù)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(jié)點作為其下一跳有利于提高當前節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率；然而，選取距離自身最近的鄰居節(jié)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(jié)點往往并不一定是距離其自身最近的節(jié)點。因此，數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由決策須兼顧網(wǎng)絡(luò)的數(shù)能效率。 另一方面，路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)行為本身也導致了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流與能量流的動態(tài)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(shù)能效率的前提下進行路由決策是數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重大挑戰(zhàn)之一。

3.2.3 無線移動能量補給策略調(diào)度復雜

為確保網(wǎng)絡(luò)全局能量自治，須部署無線移動能量補給站周期性地在網(wǎng)絡(luò)拓撲中移動。 然而，無線移動能量補給站的供能策略與節(jié)點自身狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(如補給軌跡、補給周期等)，及網(wǎng)絡(luò)全局數(shù)能分布等因素之間存在復雜的相互作用。 一方面，網(wǎng)絡(luò)全局范圍內(nèi)的數(shù)能分布是無線移動能量補給站供能決策的重要依據(jù)；另一方面，無線移動能量補給站的供能策略是致使網(wǎng)絡(luò)數(shù)能分布動態(tài)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(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治而言是一個重大挑戰(zhàn)。

3.3 應用案例

現(xiàn)以智慧農(nóng)業(yè)為例，簡單分析數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)。 圖8 所示為基于數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)示例[72]。 由圖可知，基于數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)包括管理層面、本地信息中心以及數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 其中，數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(nóng)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(guān)信息進一步上傳至管理層面。 管理層面根據(jù)來自下層的信息進行跨層管理、智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控以及資源優(yōu)化調(diào)度等。

圖8 數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智慧農(nóng)業(yè)中的應用

為實現(xiàn)對農(nóng)田的智能化監(jiān)測，傳感器節(jié)點一般以密集方式鋪設(shè)。 由于傳感器節(jié)點都具有數(shù)能一體化傳輸功能，所有節(jié)點在鋪設(shè)之后可以實現(xiàn)能量自治，大大降低了網(wǎng)絡(luò)的運營和維護成本，市場前景良好。 一般而言，動態(tài)感知節(jié)點處于數(shù)能狀態(tài)時，傳感器節(jié)點須實時感知周圍環(huán)境狀況。 由于其感知能耗較大，導致其數(shù)能狀態(tài)隨時間變化較快。 因此，如何動態(tài)感知節(jié)點的實時數(shù)能狀態(tài)具有一定復雜性，這使得節(jié)點工作模式控制更為復雜。 同時，節(jié)點的工作模式反過來又將影響節(jié)點的能量狀態(tài)，繼而影響節(jié)點級能量自治的實現(xiàn)。 因此，數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC 機制設(shè)計有其復雜性。另外，傳感器節(jié)點在進行路由選擇時，同樣面臨自身及其可行下一跳節(jié)點數(shù)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(jié)點密度的增加而增大。 而對于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域來說，傳感器節(jié)點鋪設(shè)密度普遍較大。 因此，對于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域而言，數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在路由決策時面臨亟待解決的難題。 最后，為實現(xiàn)對農(nóng)場的持續(xù)監(jiān)測，確保網(wǎng)絡(luò)全局能量自治，給節(jié)點提供周期性能量補給至關(guān)重要。 然而，傳感器節(jié)點所處環(huán)境在不斷變化中，因為網(wǎng)絡(luò)數(shù)能分布將隨著環(huán)境的動態(tài)變化而變化。 數(shù)能變化的動態(tài)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(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)能分布的能量補給面臨一定的挑戰(zhàn)。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

本文對現(xiàn)存的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略進行了詳細綜述，按照節(jié)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(jié)能技術(shù)、可再生能量收割技術(shù)以及數(shù)能一體化傳輸供能技術(shù)三類能量自治技術(shù)。 此外，對三類能量自治技術(shù)相關(guān)研究成果進行了詳細的總結(jié)與分類，并在此基礎(chǔ)上提出了數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念模型。 最后，科學地分析了數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的機遇與面臨的挑戰(zhàn)。

數(shù)能一體化傳輸技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)能一體化傳輸技術(shù)應用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可解決傳統(tǒng)無線傳感器節(jié)點鋪設(shè)之后無法繼續(xù)供能的難題，同時也克服了可再生能源供能技術(shù)存在的能量來源不穩(wěn)定、受限于時空因素等缺陷。 盡管如此，應用數(shù)能一體化傳輸技術(shù)實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治依然存在一定的挑戰(zhàn)。 例如，數(shù)能一體化傳輸模式的引入將給無線傳感節(jié)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(tǒng)傳感器節(jié)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(shù)能一體化傳輸技術(shù)的引入也將改變原有的無線傳感器節(jié)點的路由決策機制。 在數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jié)點進行能量補給時，如何在確保網(wǎng)絡(luò)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(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還不夠成熟，本文在分析了其發(fā)展機遇和面臨諸多挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上指出數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未來可行的研究方向。 簡單地說，為實現(xiàn)數(shù)能一體化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)數(shù)能一體化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量自治，構(gòu)建“點”、“線”以及“面”多級維度的能量自治理論體系。 未來數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中以下三個方面值得關(guān)注。 ①針對數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)能一體化傳輸技術(shù)對節(jié)點接入模式的影響，設(shè)計數(shù)能實時狀態(tài)感知模塊，將數(shù)能實時狀態(tài)作為接入決策的控制輸入變量，通過數(shù)能狀態(tài)自感知媒介接入控制實現(xiàn)“點”級能量自治。 ②數(shù)能一體化能量自治無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點不同的工作模式將對數(shù)據(jù)“多跳轉(zhuǎn)發(fā)”過程中的數(shù)能效率產(chǎn)生影響。 設(shè)計關(guān)于能量效率與轉(zhuǎn)發(fā)效率的動態(tài)路由更新因子，以控制路由動態(tài)更新。 最終，通過多跳傳輸過程的數(shù)能效率自適應路由，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)“線”級能量自治。 ③數(shù)能狀態(tài)自感知MAC 協(xié)議以及路由協(xié)議可在短期內(nèi)保證網(wǎng)絡(luò)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(jié)點進行能量補充。 為此，可基于社會福利理論，動態(tài)規(guī)劃無線移動能量供給站的供能軌跡，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)“面”級能量自治。