5G物联网传感器网络中面向负载配置文件的平衡集群分配

# 5G物联网传感器网络中面向负载配置文件的平衡集群分配 ## 1. 引言 5G 蜂窝网络行业正随着技术进步和社会经济变革而发生改变，预计它能快速传输信息，并支持来自各种应用的众多场景。5G 网络的一个用例是大规模物联网（IoT），其中包括大规模机器类型通信（mMTC）。mMTC 的应用之一是用于监测和感知的无线传感器网络（WSN）。然而，每个传感器节点的有限功率限制了 WSN 的使用，在 WSN 中，能源效率成为一个主要问题。 随着 IoT 应用的空前增长，研究界对作为 IoT 网络感知层的 WSN 的可扩展性和负载平衡问题越来越感兴趣。WSN 由处理和通信组件组成，有助于观察其部署环境中的不同事件。由于 WSN 依靠有限的电池电量运行且传输范围有限，因此从网络的传感器节点到基站进行节能的数据中继方法至关重要，这种节能传输有助于延长网络寿命。 在基于集群的通信框架中，每个轮次通常有一个节点充当簇头（CH）。CH 收集每个簇成员（CM）节点的数据分组，进行组装，然后将其传输到远程基站（BS）或通往 BS 的路径上的下一跳节点。自然地，CH 节点在每一轮网络操作中消耗的能量远远超过成员节点。为了减少这种不均衡的能量消耗，CH 的角色经常在多个簇节点之间共享，每个节点通过交替向基站发送数据分组来履行其功能。 然而，这种角色轮换方案并不能保证在特定轮次的网络操作中，每个 CH 服务的成员节点数量在所有当前选定的 CH 中是均匀的，这就导致了非均匀负载平衡的聚类问题。如果在集群形成过程中不加以缓解，这个问题会在多轮中累积，导致节点之间的能量分布高度不均衡，进而引发覆盖漏洞和网络分区等严重问题。 负载平衡用于在网络中分配工作负载，减少单个传感器节点的负担，让网络中的所有节点都有平等的机会充当簇头。虽然过去几十年里有许多关于负载平衡聚类的研究工作，但由于 WSN 固有的资源限制，这些算法并不容易应用于无线传感器网络。大多数负载平衡聚类协议依赖于集中式算法或计算密集型的启发式、模因或进化算法，它们在通信和计算要求方面的显著开销对其在实际网络部署中的适用性构成了重大挑战。 ## 2. 相关工作 在过去的二十年里，聚类和负载平衡一直是研究的热点问题，针对 WSN 提出了各种有趣的负载平衡聚类方法。以下是一些相关的聚类算法： |算法名称|算法描述| | ---- | ---- | |Load-Balanced Clustering (LBC)|所有传感器和簇头都需要知道它们的相对位置，每个簇头运行 LBC 算法。临界距离最初设置为每个节点与相应 CH 之间的最小距离，然后逐渐更新为距离的中位数。为了减少 CH 的基数（负载）方差，成员节点被分配给簇头。| |NLDLB|所有 CH 都有一个固定范围 R，任何在单个 CH 的 R 范围内的传感器节点都被分配给该 CH。如果一个传感器节点在 CH 的 R/2 范围内，即使它在多个 CH 的范围内，也将被分配给该 CH。其他所有传感器节点被分配给其范围内成员最少的簇。| |Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH)|CH 从传感器节点中随机选择，CH 的角色经常在节点之间更改，有助于负载平衡，但低能量传感器节点可能很快死亡，因为每个传感器节点成为 CH 的机会均等。| |Improved LEACH (I - LEACH)|为了解决 LEACH 的缺点，该方法在选择 CH 时考虑传感器节点的剩余能量以及它们与其他节点的距离，以限制过载的可能性。| |Distributed Load Balancing Clusters Algorithm (DLBCA)|传感器节点可以独立确定它们作为簇头或簇成员的角色以及聚类结构，根据传感器节点的剩余能量和它们与其他节点的接近程度来确定簇头，使用三个矩阵为 CH 分配平衡且合适的成员节点。| |将传感器节点聚类到网关下|将传感器节点聚类到作为 CH 的网关下，形成明确定义的、负载平衡的簇，提供一种与位置无关的技术，避免了 GPS 模块操作的能量损失。| |集中式密度和阈值-based CH 替换方法|目标包括最小化聚类过程、防止某些节点过早死亡以及减少通信距离。| |集中式 K - Means 聚类技术|使用 K - Means 算法形成簇，汇聚节点在识别簇后选择最佳节点作为每个簇的 CH。| |基于遗传算法的负载平衡聚类方法 (GALBCA) 和 Novel Genetic Algorithm (NGA)|将正常传感器编码到单个染色体中，每个节点的基因通过随机选择的合法网关节点设置。| |基于 MAC 层消息的 CH 选择策略|根据传感器节点的剩余能量对其进行排列，能量较高的节点成为 CH 的机会更大。| |Vice Cluster Head (VH)|在一个簇