基于雙中心機制的移動傳感網能量優化算法

劉熱　張春燕　黃驥　王恒

摘要：針對移動傳感網部署過程中存在能耗適應性較差等問題，本文為降低移動傳感網網絡能耗并提高節點生存質量，提出了一種基于雙中心機制的移動傳感網能量優化算法。首先，采取非均衡分割機制，對流量強度較高的區域進行多次分割，降低流量過載導致的傳輸不均衡，以消除傳輸熱點，進而提升區域傳輸均衡質量。隨后，為適應移動節點環境，將具有較強均衡特性的節點設置為新簇頭節點，設計了基于并發機制的雙中心簇頭設置方法，雙中心簇頭同時承擔簇區域內數據傳輸及匯聚，動態調整簇內節點并發請求服務，從而降低簇內頻繁發起傳輸請求所導致的能量消耗，有效優化網絡傳輸能耗。仿真實驗表明，與當前的網絡能量優化技術相比，所提算法具有更低的網絡平均能耗更低的節點失效率，能夠在部署過程中顯著提升網絡經濟價值，具有適應性較強的特點。

關鍵詞：移動傳感網；雙中心機制；傳輸熱點；數據重傳輸

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1008-4657（2023）02-0018-06

0? ? ? ? 引言

隨著中國正在執行以“中國制造2025”為代表的新經濟發展路線，傳統的無線傳感網（Wireless? Sensor? Network，WSN）技術也日益呈現融合式發展態勢，特別是在得到第五代通信技術支持的情況下，WSN技術業已演進至移動傳感網（Mobile? Sensor? Network，MSN）階段，同時兼具傳感網絡和超寬帶無線通信網絡的特點［ 1-2 ］。考慮到移動傳感網節點具有超高速移動特性，各制式節點同時需要并發進行大容量數據傳輸，使得部署過程中需要針對節點能量特點進行優化［ 3 ］，以便能夠降低網絡網絡消耗水平，改善因能量受限而導致網絡運行出現波動的狀況［ 4 ］。

為解決移動傳感網部署過程中存在的能量消耗較高的問題，人們提出了一些具有前瞻性的解決方法，一定程度上降低了移動傳感網的能量消耗水平［ 5 ］。Jothi? S等［ 6 ］提出了一種基于周期休眠機制的移動傳感網能量優化算法，該算法將熱度較低的節點進行周期性交替休眠處理，可顯著降低網絡能耗。但是，該算法也存在一定的不足，特別是算法在節點處于移動狀態下易造成節點休眠紊亂現象，導致網絡生存時間較低。Anna? D? E等［ 7 ］提出了一種分層傳輸機制的移動傳感網能量優化算法，該算法采取多層匯聚模型對數據進行統一融合匯聚，可提高數據匯聚效率，降低因網絡擁塞而導致能量消耗較高的現象。然而，該算法在節點處于移動狀態時需要頻繁對網絡層次進行重構處理，易導致頻繁出現數據重傳輸，使得網絡能耗難以得到進一步控制。PANG? Shanqi等［ 8 ］提出了一種基于鏈路抖動控制機制的移動傳感網能量優化算法，該算法引入角度映射-爬蟲機制降低網絡在尋徑過程中的能量開銷，鏈路傳輸性能穩定，可適應節點頻繁移動的部署場景。但是，該算法對網絡冗余報文考慮不足，網絡重傳輸現象難以得到控制，網絡生存性能不高，制約了該算法在實際場合中的應用。

針對研究中存在的不足，提出了一種基于雙中心機制的移動傳感網能量優化算法。首先，采取非均衡方式對網絡區域進行分割，并結合流量特點選取性能優越的節點作為簇頭節點，以增強簇區域的穩定性能。隨后，基于并發機制在簇區域內設置兩個簇頭節點，采取并發工作方式用以承擔簇內數據傳輸，從而降低了簇頭失效概率，提高了網絡穩定性能。最后，通過仿真實驗證明了所提算法的性能。

1? ? ? ? ?本文算法設計

考慮到移動傳感網節點具有的移動特性［ 9 ］，需要在網絡分割、數據傳輸過程中充分針對該特性優化拓撲彈性，以便降低網絡數據存在的重傳輸現象。鑒于此，本文算法由兩個部分構成：（1）基于非均衡機制的區域帶寬優化分割。該過程針對區域帶寬存在的非均衡現象，采取流量修正方式對網絡進行重分割，以便能夠降低傳輸誤差強度。（2）基于并發機制的雙中心簇頭設置方法。將分割后的區域內設置雙簇頭，規避因簇頭失效而導致的傳輸受阻現象。

1.1? ? ? ? 基于非均衡機制的區域帶寬優化分割

由于移動傳感網分布范圍內各區域的節點帶寬統計具有一定的周期特征［ 10 ］，具體可周期性統計區域內節點剩余帶寬，不妨設某個區域內第個節點剩余帶寬為，同時該節點也是區域內能量剩余最高的節點。與該節點具有數據交換關系的節點的剩余帶寬為，則兩者均可由如下模型確定：

基于并發機制的雙中心簇頭設置過程如圖2所示。通過該方法可顯著降低單簇頭受限所帶來的網絡抖動問題，由于第二個簇頭節點可根據數據傳輸周期予以更新，因此網絡穩定性能也得到了提升。

2? ? 仿真實驗與分析

為便于對比所提算法性能，設置MATLAB 8.5仿真實驗平臺作為實驗環境［ 12-13 ］。其中，傳感區域設置為矩形，大小為大小為512m×512m，節點為移動狀態，速度固定為10m/s，其余仿真參數見變1。為體現所提算法的性能，仿真實驗對照組為當前物聯網領域常用的基于分簇安全路由算法［ 14 ］（A Cluster-Based Secured Data Transmission Protocol For Efficient Data Gathering In WSN，CBSD算法）和基于混合非均衡分簇算法［ 15 ］（Energy Efficient Data Collection Through Hybrid Unequal Clustering for Wireless Sensor Networks，EE-HUC算法）進行仿真對比。仿真指標為網絡平均能耗、節點失效率兩項。仿真參數及信道參數如表1、2所示。

考慮到信道為高斯信道/萊斯信道，節點傳輸為多天線收發模型，信道參數配置如下：

2.1? ?網絡平均能耗

圖 3為所提算法與CBSD算法和EE-HUC算法在網絡平均能耗測試結果。可以發現所提算法具有網絡能耗水平較低的特點，顯示了較為優越的網絡能耗控制水平。這是由于所提算法針對傳感網絡在節點處于移動狀態的特點，設計了基于非均衡機制的區域帶寬優化分割方法，采取流量修正方式對網絡進行重分割，以便能夠降低傳輸誤差強度。此外，基于并發機制的雙中心設置。將分割后的區域內設置雙簇頭，規避因簇頭失效而導致的傳輸受阻現象，因而具有網絡平均能耗較低的特點。CBSD算法采用均等分簇方案用以優化能量傳輸，在拓撲處于較為穩定狀態時可在一定程度上減緩網絡平均能耗上升的現象，不過，由于傳感網節點處于移動狀態，該算法需要頻繁針對簇區域進行維護操作，造成較為嚴重的網絡數據重傳輸現象，因而網絡平均能耗要高于所提算法。EE-HUC算法雖然引入了非均衡方式進行網絡分簇，可盡量降低因熱點不均衡而導致的網絡能耗偏高的問題，不過由于該算法單純制定能量較高的節點作為備用簇頭節點，備用簇頭節點僅在簇頭失效時方可被啟用，因而難以起到均衡網絡流量的作用，使得網絡平均能耗亦要高于所提算法。

2.2? ? 節點失效率

圖 4為所提算法與CBSD算法和EE-HUC算法在節點失效率測試結果。可以發現所提算法具有節點失效率較低的特點，顯示了較為卓越的網絡生存質量。這是由于所提算法采用非均衡機制對網絡區域進行分割，可顯著降低因擁塞而導致的節點失效現象。此外，所提算法采取雙簇頭方案優化簇內數據傳輸，可顯著規避因簇頭失效而導致節點失效的問題，因而具有較低的節點失效率。CBSD算法采取均等分簇方案維護簇區域結構，在節點處于移動狀態時需要頻繁進行網絡分割操作，節點離線概率較高，因此節點失效率難以降低。EE-HUC算法采取能量最優原則篩選簇頭節點，在簇頭節點處于半失效狀態時難以及時更新簇頭節點，因而簇結構較所提算法相比易出現抖動現象，使得節點失效率亦要高于所提算法。

3? ? 結束語

為提高移動物聯網節點生存質量并降低網絡能耗水平，提出了一種基于基于雙中心機制的移動傳感網能量優化算法。算法采取非均衡機制對網絡區域進行分割，并通過優化傳輸帶寬的方式降低節點負載，進一步設置雙簇頭方案提高簇區域穩定性能，從而達到了優化網絡生存質量并降低網絡能耗的目的。

下一步，將針對所提算法在高速運動環境下易出現節點離線的不足，擬引入離線分層機制，降低算法在高速運動場景下的節點離線程度，以便能夠適應更加復雜的實際部署環境。

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［責任編輯：鄭筆耕］

The Energy Optimization Algorithm for Mobile

Sensor Networks Based On Dual Center Mechanism

LIU Re1， ZHANG Chunyan1， HUANG Ji1， WANG Heng2

（1. College of Artificial Intelligence， Wuxi Professional College of Science and Technology， Wuxi 214008，China；

2.School of Electronics and Information Engineering， Jingchu University of Technology， Jingmen 448000， China）

Abstract：In order to reduce the energy consumption of the mobile sensor network and improve the quality of life of the nodes， a dual-center mechanism based energy optimization algorithm for the mobile sensor network is proposed. First of all， the unbalanced division mechanism is adopted to divide the regions with high traffic intensity for many times to reduce the transmission imbalance caused by traffic overload， so as to eliminate transmission hotspots and improve the quality of regional transmission balance. Then， in order to adapt to the mobile node environment， the node with strong balance characteristics is set as the new cluster head node， and a dual-center cluster head setting method based on the concurrency mechanism is designed. The dual-center cluster head simultaneously undertakes the data transmission and aggregation in the cluster area， dynamically adjusts the concurrent request service of the nodes in the cluster， thus reducing the energy consumption caused by frequent transmission requests in the cluster， and effectively optimizes the network transmission energy consumption. The simulation results show that compared with the current network energy optimization technology， the proposed algorithm has lower network average energy consumption and lower node failure rate， can significantly improve the economic value of the network in the deployment process， and has strong adaptability.

Key words：mobile sensor network; dual center mechanism; transmission hotspot; data retransmission

收稿日期：2022-12-16

基金項目：無錫市科學技術協會軟科學資助課題（KX-22-B89）；荊楚理工學院科技處橫向科研項目（HX202149）

作者簡介：劉熱（1976-），女，湖南汨羅人，無錫科技職業學院副教授，碩士，主要研究方向：軟件測試與質量保障；

張春燕（1982-），女，江蘇南通人，無錫科技職業學院副教授，碩士，主要研究方向：人工智能與模式識別；

黃驥（1991-），男，江蘇無錫人，無錫科技職業學院助教，碩士，主要研究方向：圖形圖像處理及機器學習。

通訊作者：王恒（1983-），女，湖北荊門人，荊楚理工學院講師，碩士，主要研究方向：物聯網工程。