王 龍，孫瑞娟

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 信息工程學(xué)院，山西 晉中 030800；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 晉中 030800)

0 引 言

在5G背景下，當(dāng)前研究者嘗試通過(guò)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)管理等方面的改進(jìn)來(lái)提高無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[1-3]。如Zbigniew等[4]立足于簇頭節(jié)點(diǎn)剩余能量的合理調(diào)配，采用sink節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一管理的方式進(jìn)行區(qū)域間能量均衡化調(diào)度，并采用簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量最優(yōu)輪詢機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及區(qū)域再形成過(guò)程的快速收斂。不過(guò)，該方案未充分考慮距離及節(jié)點(diǎn)密度因素，使得區(qū)域穩(wěn)定傳輸持續(xù)時(shí)間較短，難以適應(yīng)5G超寬帶傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。Shan等[5]提出了基于非均衡分簇機(jī)制的區(qū)域穩(wěn)定傳輸方案，通過(guò)采用非均衡分簇方式，將能量較高的節(jié)點(diǎn)部署于熱點(diǎn)區(qū)域，并采用輪詢方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)更新，提高了區(qū)域傳輸?shù)姆€(wěn)定性能。然而該算法對(duì)數(shù)據(jù)延遲考慮較少，使得算法在5G超寬帶部署環(huán)境下容易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的數(shù)據(jù)擁塞現(xiàn)象，降低了算法的傳輸穩(wěn)定性能。Yin等[6]通過(guò)在區(qū)域內(nèi)插入可移動(dòng)的高能量節(jié)點(diǎn)，并采用軌跡路線方式對(duì)能量較低的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)替換，有效滿足了5G超寬帶傳輸條件下簇頭節(jié)點(diǎn)能耗較高的難題，可顯著提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。但是，該算法針對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的適應(yīng)性較低，難以部署于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度較高的實(shí)際場(chǎng)景。

為解決提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，改善節(jié)點(diǎn)受限現(xiàn)象，提出了基于能量均衡-延遲削弱機(jī)制的無(wú)線傳感網(wǎng)穩(wěn)定傳輸算法。首先，結(jié)合數(shù)據(jù)分段傳輸及信道時(shí)隙分布，設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)傳輸模型，用以適應(yīng)5G條件下無(wú)線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂械母吡鲃?dòng)特性。采用預(yù)設(shè)方式來(lái)部署高能節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化簇頭節(jié)點(diǎn)選舉過(guò)程，達(dá)到了抑制簇頭節(jié)點(diǎn)受限的目的，結(jié)合休眠方式進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送效率。隨后，利用反饋方式來(lái)提高sink節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)間的通信確認(rèn)效率，以優(yōu)化區(qū)域分割質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。最后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文算法的性能。

1 本文網(wǎng)絡(luò)模型概述

1.1 網(wǎng)絡(luò)部署模型

5G條件下的無(wú)線傳感網(wǎng)典型部署場(chǎng)景見(jiàn)圖1：矩形區(qū)域內(nèi)按隨機(jī)布撒模式部署5G無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)分為區(qū)域節(jié)點(diǎn)(regional nodes，RN)和簇節(jié)點(diǎn)(cluster nodes，CN)兩部分；RN節(jié)點(diǎn)與CN節(jié)點(diǎn)均處于游走狀態(tài)，但在數(shù)據(jù)傳輸周期內(nèi)RN節(jié)點(diǎn)與CN節(jié)點(diǎn)將均處于相同的節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑之內(nèi)。sink節(jié)點(diǎn)作為總控節(jié)點(diǎn)(master control nodes，MCN)，MCN節(jié)點(diǎn)通過(guò)頻率不變的控制信道對(duì)RN節(jié)點(diǎn)和CN節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行控制，并將RN節(jié)點(diǎn)地理坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄更新。

圖1 網(wǎng)絡(luò)部署

簇頭節(jié)點(diǎn)在下一輪傳輸周期開(kāi)始前均需要進(jìn)行替換，替換過(guò)程中將對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)覆蓋進(jìn)行優(yōu)化，替換過(guò)程完成后將進(jìn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，如圖2所示。簇頭節(jié)點(diǎn)在選取完成后，將向自身覆蓋半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播，區(qū)域節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)報(bào)文后將向距離自身最近的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反饋，并將自身地理坐標(biāo)位置進(jìn)行更新。簇頭節(jié)點(diǎn)接收到區(qū)域節(jié)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)報(bào)文后，在傳輸周期內(nèi)將全部數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行融合處理，并通過(guò)特定頻率信道發(fā)送至sink節(jié)點(diǎn)。區(qū)域形成過(guò)程中，原RN節(jié)點(diǎn)與CN節(jié)點(diǎn)均有機(jī)會(huì)在新一輪選取中被選定為簇頭節(jié)點(diǎn)。一般而言，均需要選定與周圍節(jié)點(diǎn)距離基本相同，且能量最高的節(jié)點(diǎn)作為新的CN節(jié)點(diǎn)。本文采取隨機(jī)數(shù)方式確定CN節(jié)點(diǎn)，當(dāng)僅當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)數(shù)高于閾值W(s)時(shí)方可被選取為簇頭節(jié)點(diǎn)，W(s)獲取方式如下

(1)

其中，k表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)被剔除出CN節(jié)點(diǎn)的概率，r表示數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)。若某個(gè)節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)數(shù)高于閾值W(s)時(shí)，將被選取為本輪簇頭節(jié)點(diǎn)(cluster head，CH)，并將閾值W(s)置為0，下一輪傳輸周期時(shí)將在剩余的節(jié)點(diǎn)中繼續(xù)進(jìn)行簇頭節(jié)點(diǎn)選取。

圖2 簇頭節(jié)點(diǎn)更換與數(shù)據(jù)更新

1.2 數(shù)據(jù)傳輸模型

由1.1節(jié)可知，通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)更換與數(shù)據(jù)更新可以在一定程度上降低網(wǎng)絡(luò)能耗，提高數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定周期。然而，由節(jié)點(diǎn)更換過(guò)程可知：節(jié)點(diǎn)更換需要反復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)波動(dòng)將顯著提高數(shù)據(jù)延遲現(xiàn)象出現(xiàn)的概率[7]。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于簇頭選舉過(guò)程具有一定的隨機(jī)分布特性[8]，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)均有一定概率成為新的簇頭節(jié)點(diǎn)。此外，5G環(huán)境下無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有高密度特性[9]，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增加，須充分考慮能量均衡性能以便提高網(wǎng)絡(luò)生存質(zhì)量，防止數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)嚴(yán)重的波動(dòng)。

考慮到RN節(jié)點(diǎn)一般處于休眠狀態(tài)[10]，當(dāng)傳輸信道處于空閑狀態(tài)時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，如圖3所示。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程啟動(dòng)后，空閑信道長(zhǎng)度為x，傳輸周期為T(mén)s，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程將發(fā)生3種情形：簇頭節(jié)點(diǎn)順利收到傳輸數(shù)據(jù)，記為A；網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞狀態(tài)，使得數(shù)據(jù)分組傳輸受阻，記為B；信道處于空閑狀態(tài)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，記為C。根據(jù)傳輸信道處于的工作狀態(tài)，可將信道狀態(tài)設(shè)置為X和Y兩種狀態(tài)：X表示信道成功進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(記為K)以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)擁塞(記為M)。顯然整個(gè)工作周期內(nèi)X和Y兩種狀態(tài)將交替出現(xiàn)。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸

不妨設(shè)整個(gè)工作周期內(nèi)X出現(xiàn)次數(shù)為m，Y的出現(xiàn)次數(shù)為n。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為H，數(shù)據(jù)報(bào)文可達(dá)概率為P，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)的概率為Pi，則數(shù)據(jù)報(bào)文可達(dá)概率為P可由如下方法獲取

(2)

傳輸周期內(nèi)同時(shí)發(fā)生X和Y兩種狀態(tài)的概率P(X,Y)可通過(guò)如下方式獲取

P(X,Y)=(1-e-xP)m(e-xP)n

(3)

其中，x表示空閑信道長(zhǎng)度，P表示數(shù)據(jù)報(bào)文可達(dá)概率。

整個(gè)工作周期內(nèi)X發(fā)生頻率E(X)滿足

(4)

根據(jù)式(4)可知，節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)的平均時(shí)長(zhǎng)T(X)滿足

(5)

整個(gè)工作周期內(nèi)Y發(fā)生頻率E(Y)滿足

(6)

因此可知節(jié)點(diǎn)處于繁忙狀態(tài)的平均時(shí)長(zhǎng)T(Y)滿足

(7)

其中，Ts表示數(shù)據(jù)傳輸周期。

考慮到數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，每發(fā)生k次A事件，就會(huì)發(fā)生m-k次B事件，因此網(wǎng)絡(luò)成功發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的概率E(K)滿足

(8)

因此，網(wǎng)絡(luò)最終執(zhí)行事件K的過(guò)程中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度L[E(K)]滿足

(9)

聯(lián)立模型(7)～(9)可知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可成功發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文的概率T滿足

(10)

2 本文無(wú)線傳感網(wǎng)區(qū)域穩(wěn)定傳輸算法

由上文網(wǎng)絡(luò)模型可知，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中可遇到多種事件，每種事件的發(fā)生均存在一定的概率，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的概率滿足模型(10)。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，須充分考慮節(jié)點(diǎn)存在的能量受限及數(shù)據(jù)延遲現(xiàn)象，以便能夠以較高的傳輸成功率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種基于能量均衡-延遲削弱機(jī)制，以便能夠在能量均衡基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，方案由基于能量均衡-延遲削弱機(jī)制的簇頭更新方法和基于穩(wěn)定性傳輸機(jī)制的區(qū)域劃分方法兩個(gè)部分構(gòu)成，詳情如下。

2.1 基于能量均衡-延遲削弱機(jī)制的簇頭更新

由于簇頭節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中將頻繁進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，且由于數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程需要頻繁進(jìn)行信道競(jìng)爭(zhēng)，因此會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的能量損耗。為提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)生存周期，本文將全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分割為高能節(jié)點(diǎn)(high-energy node，HEN)和一般節(jié)點(diǎn)(general node，GN)，其中HEN節(jié)點(diǎn)初始能量與GN節(jié)點(diǎn)初始能量可按一定比例系數(shù)進(jìn)行擴(kuò)充，不妨設(shè)擴(kuò)充系數(shù)為μ。HEN節(jié)點(diǎn)被選舉成簇頭節(jié)點(diǎn)的概率將顯著高于GN節(jié)點(diǎn)，從而確保簇頭節(jié)點(diǎn)與區(qū)域拓?fù)涞姆€(wěn)定性能。

令HEN節(jié)點(diǎn)和GN節(jié)點(diǎn)被選取的權(quán)值PHEN和PGN如下

(11)

(12)

其中，ω表示HEN節(jié)點(diǎn)與GN節(jié)點(diǎn)的比例系數(shù)，由于一般擴(kuò)充系數(shù)μ可設(shè)定為10～20，因此PHEN將高于PGN。

不妨設(shè)網(wǎng)絡(luò)中第m個(gè)節(jié)點(diǎn)能量消耗值為E(i)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)初始能量為E，當(dāng)前處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為N，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為L(zhǎng)，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均能量剩余E(last)滿足

(13)

聯(lián)立模型(1)和模型(13)，結(jié)合模型(11)～(12)，分別將HEN節(jié)點(diǎn)和GN節(jié)點(diǎn)的更新閾值THEN和TGN設(shè)定為

(14)

(15)

其中，THEN、TGN分別代表HEN、GN節(jié)點(diǎn)的更新閾值；mod代表求余操作；r是表示數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)。

隨著網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)HEN節(jié)點(diǎn)和GN節(jié)點(diǎn)能量分別觸發(fā)模型(14)和模型(15)所示的更新閾值時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將把相應(yīng)的HEN節(jié)點(diǎn)和GN節(jié)點(diǎn)設(shè)置為休眠狀態(tài)，并聯(lián)系sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充。通過(guò)該方式降低能量消耗過(guò)大的節(jié)點(diǎn)被選舉為簇頭節(jié)點(diǎn)，并及時(shí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)更換，可有效提高網(wǎng)絡(luò)生命周期；此外，由于HEN節(jié)點(diǎn)和GN節(jié)點(diǎn)存在差異化因素，使得HEN節(jié)點(diǎn)有更高的概率被選取為簇頭節(jié)點(diǎn)，因此降低了因節(jié)點(diǎn)能量受限而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)中斷的概率。

2.2 基于穩(wěn)定傳輸機(jī)制的區(qū)域劃分

通過(guò)基于能量均衡-延遲削弱機(jī)制的簇頭更新方法，可以以較高概率選取能量最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且由模型(10)可知，HEN節(jié)點(diǎn)被選舉成簇頭節(jié)點(diǎn)后可有效提高數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送效率。然而由于5G網(wǎng)絡(luò)條件下各節(jié)點(diǎn)具有較高的移動(dòng)速度[11,12]，因此本文基于穩(wěn)定性傳輸機(jī)制，構(gòu)建區(qū)域劃分方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，具體如下：

步驟1 區(qū)域分割階段，sink節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中觸發(fā)模型(14)和模型(15)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播，若相應(yīng)的HEN節(jié)點(diǎn)和GN節(jié)點(diǎn)在傳輸周期內(nèi)均能滿足傳輸需求，則反饋信息給sink節(jié)點(diǎn)，并更新節(jié)點(diǎn)中剩余能量；

步驟2 sink節(jié)點(diǎn)按照模型(13)獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量，并將網(wǎng)絡(luò)中能量剩余低于瓶頸剩余能量的節(jié)點(diǎn)設(shè)定為休眠狀態(tài)，如圖4所示；

步驟3 按模型(11)和模型(12)進(jìn)行HEN節(jié)點(diǎn)和GN節(jié)點(diǎn)初始化賦值，當(dāng)僅當(dāng)HEN節(jié)點(diǎn)和GN節(jié)點(diǎn)分別滿足模型(14)和模型(15)時(shí)，將被選舉為簇頭節(jié)點(diǎn)；

步驟4 簇頭節(jié)點(diǎn)被選舉完畢后，將進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播。各區(qū)域節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)廣播后，將能量最強(qiáng)的簇頭節(jié)點(diǎn)作為隸屬節(jié)點(diǎn)，并納入該簇頭節(jié)點(diǎn)的控制區(qū)域內(nèi)；

步驟5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直到相應(yīng)簇頭節(jié)點(diǎn)按照模型(14)觸發(fā)的正確率低于50%時(shí)，重新進(jìn)行簇頭節(jié)點(diǎn)的選舉流程，本輪傳輸結(jié)束。

區(qū)域分割完畢后，簇頭節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，各區(qū)域節(jié)點(diǎn)將自身數(shù)據(jù)匯聚至簇頭節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸至sink節(jié)點(diǎn)。當(dāng)區(qū)域節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集、匯聚后，各簇頭節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)簇頭節(jié)點(diǎn)正確率會(huì)急劇下降，因此將需要重新進(jìn)行區(qū)域分割過(guò)程，并啟動(dòng)步驟1，執(zhí)行區(qū)域劃分。

圖4 基于穩(wěn)定性傳輸機(jī)制的區(qū)域劃分方法

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為便于對(duì)比算法性能，采用NS2仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境[13]，網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境如下：節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域?yàn)榫匦?102 400 m×102 400 m)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)均位于矩形區(qū)域邊緣且處于隨機(jī)游走狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)信號(hào)采用5G信號(hào)[14]，采用文獻(xiàn)[16]所示的信號(hào)預(yù)發(fā)射成型技術(shù)，信號(hào)成型過(guò)程中采用該文獻(xiàn)提及的基于零化方式的頻譜銳化清除機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)發(fā)送節(jié)點(diǎn)處于互相獨(dú)立狀態(tài)，且相關(guān)數(shù)據(jù)分組報(bào)文亦滿足泊松分布[15]。其余參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。此外，選取當(dāng)前5G傳感技術(shù)中常用的基于跨層編碼加性復(fù)用機(jī)制的5G信號(hào)帶寬優(yōu)化傳輸算法[16](optimized transmission algorithm of 5G signal bandwidth based on cross layer coding plus multiplexing mechanism，OT-CLCPM)和基于功率損耗均衡化控制機(jī)制的移動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸算法[17](data transmission algorithm of mobile wireless sensor network based on power loss equalization control mechanism，DT-PLEC)進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比參數(shù)選取網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬、網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)吞吐頻率，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真參數(shù)

仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，按照數(shù)據(jù)傳輸輪數(shù)，逐輪記錄傳輸周期結(jié)束時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬、網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)吞吐頻率?？紤]到5G節(jié)點(diǎn)具有的移動(dòng)特性，將節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為5 m/s和50 m/s作為實(shí)驗(yàn)控制參數(shù)，用以測(cè)試低/高移動(dòng)條件下網(wǎng)絡(luò)參數(shù)性能。

3.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬

圖5顯示的是將節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為5 m/s和50 m/s作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制參數(shù)所測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。由圖5可知，本文算法的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬始終要高于OT-CLCPM算法和DT-PLEC算法。這是由于本文算法充分考慮了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)能量消耗及時(shí)延因素，通過(guò)設(shè)計(jì)基于能量均衡-延遲削弱機(jī)制的簇頭更新方法促成了簇頭節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定更新，降低了因簇頭節(jié)點(diǎn)受限而導(dǎo)致的傳輸擁塞現(xiàn)象，因此具有較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。OT-CLCPM算法主要采用基于跨層編碼信道交互復(fù)用機(jī)制的串?dāng)_消除方案，通過(guò)降低信道噪聲對(duì)傳輸過(guò)程產(chǎn)生的串?dāng)_現(xiàn)象，以便增加節(jié)點(diǎn)的傳輸效率；然而該算法并未針對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)因能量受限而出現(xiàn)傳輸癱瘓現(xiàn)象進(jìn)行抑制，因此簇頭節(jié)點(diǎn)受限概率較高，降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬性能。DT-PLEC算法雖然構(gòu)建了目標(biāo)sink-區(qū)域子節(jié)點(diǎn)控制分組傳輸機(jī)制、區(qū)域節(jié)點(diǎn)閾值流量控制機(jī)制和帶寬受限節(jié)點(diǎn)二次確認(rèn)機(jī)制進(jìn)行區(qū)域傳輸穩(wěn)定，然而由于該算法主要針對(duì)數(shù)據(jù)流量進(jìn)行控制，未針對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)能量受限現(xiàn)象進(jìn)行有針對(duì)性的區(qū)域分割，因此容易因簇頭節(jié)點(diǎn)失效而導(dǎo)致大面積出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸癱瘓現(xiàn)象，因此其網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬亦要低于本文算法。

圖5 網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬測(cè)試結(jié)果

3.2 網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)

圖6為顯示的是將節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為5 m/s和50 m/s作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制參數(shù)所測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)。由圖可知，本文算法的網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)要顯著低于OT-CLCPM算法和DT-PLEC算法。這是由于本文算法充分考慮節(jié)點(diǎn)存在的能量受限及數(shù)據(jù)延遲現(xiàn)象，引入休眠機(jī)制降低簇頭節(jié)點(diǎn)能量消耗程度，從而降低了數(shù)據(jù)報(bào)文重傳數(shù)量，改善并提升網(wǎng)絡(luò)擁塞控制能力，因此網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延較低。OT-CLCPM算法雖然通過(guò)優(yōu)化信號(hào)預(yù)成型及削弱信道噪聲干擾等方式改善網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，然而由于該算法未考慮通過(guò)優(yōu)化簇頭節(jié)點(diǎn)更新的方式提高網(wǎng)絡(luò)擁塞控制能力，容易因簇頭節(jié)點(diǎn)失效出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)升高的現(xiàn)象，因而其網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)性能要低于本文算法。DT-PLEC算法雖然構(gòu)建了目標(biāo)sink-區(qū)域子節(jié)點(diǎn)控制分組傳輸機(jī)制、區(qū)域節(jié)點(diǎn)閾值流量控制機(jī)制和帶寬受限節(jié)點(diǎn)二次確認(rèn)機(jī)制優(yōu)化數(shù)據(jù)區(qū)域傳輸質(zhì)量，然而由于該算法同樣未針對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)能量受限因素進(jìn)行控制，僅考慮流量過(guò)載對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)產(chǎn)生的影響，因此該算法在網(wǎng)絡(luò)瓶頸延時(shí)的性能上亦要低于本文算法。

圖6 網(wǎng)絡(luò)平均延時(shí)測(cè)試結(jié)果

3.3 網(wǎng)絡(luò)吞吐頻率

圖7是將節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為5 m/s和50 m/s作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境控制參數(shù)所測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)吞吐頻率。由圖可知，本文算法的網(wǎng)絡(luò)吞吐頻率要顯著低于OT-CLCPM算法和DT-PLEC算法，顯示了較為優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)吞吐性能。這是由于本文算法綜合考慮了能量和區(qū)域劃分的因素，綜合HEN節(jié)點(diǎn)和GN節(jié)點(diǎn)存在差異化的特點(diǎn)，提高了HEN節(jié)點(diǎn)被篩選為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率，改善了傳輸節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)吞吐性能，因此出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的概率較低，體現(xiàn)了較低的網(wǎng)絡(luò)吞吐頻率。OT-CLCPM算法僅采用優(yōu)化信號(hào)預(yù)成型的方式提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，未考慮充分分割傳輸區(qū)域并改善簇頭節(jié)點(diǎn)能量等方式改善網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)現(xiàn)象，因此需要重傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組報(bào)文較多，體現(xiàn)了較高的網(wǎng)絡(luò)吞吐頻率。DT-PLEC算法為優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸性能，主要通過(guò)流量控制方式設(shè)計(jì)了目標(biāo)sink-區(qū)域子節(jié)點(diǎn)控制分組傳輸機(jī)制、區(qū)域節(jié)點(diǎn)閾值流量控制機(jī)制和帶寬受限節(jié)點(diǎn)二次確認(rèn)機(jī)制，雖在一定程度上增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)吞吐能力，但該算法未通過(guò)優(yōu)化簇頭節(jié)點(diǎn)更新的方式進(jìn)一步穩(wěn)定區(qū)域間數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，因此網(wǎng)絡(luò)吞吐性能亦要低于本文算法。

圖7 網(wǎng)絡(luò)吞吐頻率測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

為解決無(wú)線傳感網(wǎng)在5G部署環(huán)境中存在的區(qū)域穩(wěn)定傳輸問(wèn)題，提出了一種基于能量均衡-延遲削弱機(jī)制的無(wú)線傳感網(wǎng)區(qū)域穩(wěn)定傳輸方案。方案首先針對(duì)網(wǎng)絡(luò)部署模型及數(shù)據(jù)傳輸模型進(jìn)行了分析，提出可通過(guò)能量均衡及延遲削弱方式進(jìn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。設(shè)計(jì)了基于能量均衡-延遲削弱機(jī)制的簇頭更新方法和基于穩(wěn)定性傳輸機(jī)制的區(qū)域劃分方法提高了算法對(duì)5G環(huán)境中存在的超寬帶及高抖動(dòng)性的適應(yīng)，顯著改善了網(wǎng)絡(luò)擁塞控制能力，具有較好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性能。

下一步，將針對(duì)本文算法難以實(shí)現(xiàn)低密度節(jié)點(diǎn)部署的不足，擬采取節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋬?yōu)化機(jī)制，增強(qiáng)所提算法在低密度拓?fù)錀l件下的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制性能及超寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力，進(jìn)一步提高本文算法在復(fù)雜環(huán)境下的部署價(jià)值。