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🔥内容介绍
一、研究背景与意义
无线传感器网络（WSNs）作为由大量微型传感器节点构成的自组织网络系统，凭借其协同感知、分布式处理与多跳传输能力，已在军事侦察、环境监测、工业控制、智能交通等多个关键领域实现广泛应用。此类网络的核心优势在于能够突破单节点覆盖局限，通过多跳中继实现大范围区域的信息收集与传输，但同时也面临着能量约束、链路干扰及安全威胁等多重挑战。
在实际部署场景中，WSNs节点往往难以进行电池更换或充电，能量效率成为决定网络生命周期的核心指标。而硬件噪声（如电路热噪声、信号衰减）的存在会严重削弱链路可靠性，导致数据包重传率上升，进一步加剧能量消耗；同时，无线信道的广播特性使数据在多跳转发过程中易遭窃听者截获、篡改，且传统加密算法因能耗高、复杂度高，难以适配资源受限的传感器节点。此外，能量收集技术与物理层安全（PLS）的融合虽为解决上述问题提供了新思路，但也引发了新的矛盾：信号发射功率需足够大以满足能量收集需求，却又需控制在较低水平以规避窃听风险，这一矛盾在多跳多路径网络中更为突出。
路径选择作为多跳WSNs性能优化的关键环节，直接决定了数据传输的效率、能耗与安全性。因此，研究在窃听者与硬件噪声共存场景下的高效路径选择方法，实现网络性能与安全的协同提升，对推动WSNs在复杂敏感场景中的可靠应用具有重要的理论价值与工程意义。
二、传统路径选择方法的局限性
现有多跳WSNs路径选择方法多聚焦于单一性能指标优化，难以适配窃听者与硬件噪声共存的复杂场景，其局限性主要体现在三个方面：
其一，能效优先策略忽略多因素耦合影响。传统方法如BIP算法、Dijkstra路由策略，仅通过优化节点发射半径或缩短路径长度降低能耗，未考虑硬件噪声对链路质量的干扰。在低信噪比（SNR）环境下，此类方法易导致数据包传输失败率上升，频繁重传反而增加总能耗，同时固定路径也为窃听者提供了可预测的攻击目标，安全防护能力薄弱。
其二，单一安全机制适配性不足。部分方法依赖上层加密技术保障数据安全，但加密与解密过程的计算开销会加剧资源受限节点的能量负担，且无法抵御物理层信号截获攻击。而单纯基于物理层安全的策略若未结合路径优化，难以平衡抗窃听性能与传输效率，易出现“为安全牺牲能效”或“为能效妥协安全”的极端情况。
其三，动态适应性欠缺。现有方法多基于静态网络拓扑设计，对窃听者移动、节点能量动态变化及硬件噪声随机波动的适配能力不足。例如，分簇路由协议中常见的簇头选举与路径规划解耦优化模式，易导致负载失衡与能效瓶颈，难以应对复杂场景下的动态干扰。
三、创新路径选择协议与辅助机制
为突破传统方法局限，实现多跳收集-传输WSNs在复杂场景下的性能增强，本文提出三种创新路径选择协议，并配套设计链路增强辅助机制，构建“协议优化+机制保障”的双层解决方案。
（一）三种创新路径选择协议
所有协议均基于能量收集与物理层安全融合框架，假设源节点与中继节点可通过信标信号收集能量供数据传输，核心目标是在硬件噪声与窃听威胁下，平衡传输效率、能耗与安全性。
1. 最短路径选择协议（SPS）：以路径跳数最小化为核心准则，优先选择源节点至汇聚节点跳数最少的传输路径。该协议的优势在于大幅缩短数据传输延迟，减少链路暴露时间，同时降低节点转发能耗，适用于对实时性要求较高、窃听者分布稀疏的场景。但其局限性在于，最短路径往往链路相对固定，若途经窃听者密集区域，数据截获风险显著上升，需与安全监测机制配合使用。
2. 随机路径选择协议（RPS）：基于概率模型随机选取传输路径，通过路径动态切换增加窃听者截获数据的难度，削弱其对固定链路的攻击针对性。该协议无需复杂的拓扑感知与计算，轻量化特性适配资源受限节点，在窃听者数量多、分布复杂的场景下可显著提升安全性能。但随机路径可能导致跳数增加、链路质量不稳定，进而降低传输效率并增加能耗，需通过能耗阈值约束优化随机选择范围。
3. 最佳路径选择协议（BPS）：构建多维度优化目标函数，综合考量路径跳数、链路信噪比（抗硬件噪声能力）、窃听者距离、节点剩余能量及能量收集效率等指标，通过量化分析选择全局最优路径。该协议采用动态权重分配机制，可根据场景需求调整性能优先级——例如在军事场景中提升抗窃听权重，在环境监测场景中侧重能效与抗噪声能力。其核心优势在于实现多性能指标的协同优化，但需通过算法优化降低计算复杂度，避免增加节点处理负担。
（二）链路增强辅助机制
为进一步提升路径选择协议的适配性，配套设计两项辅助机制，缓解硬件噪声与窃听威胁的负面影响。
1. 硬件噪声主动抑制策略：结合共模抑制技术与自适应调制机制，在路径节点上部署噪声过滤模块，降低电路热噪声对信号的干扰；同时根据链路信噪比动态调整调制方式，在高噪声场景下采用抗干扰能力强的调制方案，在低噪声场景下切换至高效调制模式，平衡抗噪声性能与传输效率。
2. 窃听规避动态调整机制：引入节点信誉系统与窃听者定位技术，实时监测网络中节点的传输行为，识别被窃听者控制或存在异常转发的恶意节点，将其排除在路径候选集之外。若监测到窃听者移动至当前路径附近，立即触发路径重选流程，基于BPS协议快速切换至安全链路，同时通过功率自适应调节，在保障能量收集需求的前提下，降低信号被窃听的概率。
四、性能评估与验证
（一）评估指标与对比方案
采用Matlab仿真平台构建多跳WSNs场景，设置节点数量为100-200个，窃听者数量为5-15个，硬件噪声强度按低、中、高三个等级配置，能量收集方式采用射频（RF）能量收集技术。选取以下核心指标进行评估：网络生命周期、数据包传输成功率（抗噪声能力）、数据保密率（抗窃听能力）、平均传输延迟及总能耗。
对比方案选取传统路由协议与现有优化方法，包括：LEACH分簇协议、QELAR强化学习路由协议、EBR-RL能量均衡路由协议及BRATRA平衡路由策略。
（二）评估结果与分析
仿真结果表明，三种创新协议在复杂场景下均展现出优于传统方案的综合性能，其中BPS协议表现最优：
1. 抗噪声性能：在中高噪声环境下，BPS协议的数据包传输成功率较LEACH协议提升35.2%，较QELAR协议提升22.7%，得益于其链路质量优先的路径选择逻辑与噪声抑制机制，有效降低了硬件噪声导致的传输失败。
2. 安全性能：在多窃听者场景下，BPS与RPS协议的数据保密率均维持在90%以上，较传统无安全优化方案提升40%以上；SPS协议因路径固定，保密率略低但仍优于传统协议，三种协议均能有效抵御窃听攻击。
3. 能效与延迟：BPS协议的网络生命周期较BRATRA策略延长18.9%，总能耗降低12.3%，平均传输延迟较RPS协议缩短27.5%，实现了能效、延迟与安全的协同优化。此外，BPS协议的数据包数据比率较EBR-RL提升9.99%，较QELAR提升187.14%，传输效率显著优于现有强化学习路由方案。
同时，通过理论推导得到三种协议在多次窃听攻击下的精确闭合形式表达式与渐近失效概率，仿真结果与理论推导高度契合，验证了方案的可行性与稳定性。
五、结论与展望
本文提出的三种路径选择协议及配套辅助机制，有效解决了多跳收集-传输WSNs在窃听者与硬件噪声共存场景下的性能优化难题，其中最佳路径选择协议（BPS）通过多维度指标协同优化，展现出最优的综合性能，为复杂环境下WSNs的可靠部署提供了技术支撑。
未来研究可从三方面展开：一是融合深度强化学习与模糊逻辑技术，进一步提升路径选择的动态适应性，优化复杂拓扑下的决策效率；二是拓展多窃听者协作攻击场景，设计更具鲁棒性的安全防护机制；三是结合边缘计算与分布式聚合技术，降低路径节点的处理负担，实现性能与成本的进一步平衡。随着5G/6G技术与物联网的深度融合，此类优化方法有望在下一代智能传感网络中获得更广泛的应用。
⛳️ 运行结果
🔗 参考文献
[1] 黄舒琳.无线传感器网络中基站位置隐私保护策略研究[D].江西师范大学[2026-01-17].
[2] 章露萍.理想与非理想信道条件下物理层安全传输的理论与性能分析[D].电子科技大学[2026-01-17].DOI:CNKI:CDMD:2.1017.078311.
[3] 余伟.多用户无线通信系统物理层安全性能研究[D].汕头大学,2016.
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