面向智慧城市双移动性与功率受限物联网传感器的虚拟六边形单元与计算智能驱动的能效聚类与路由协议

针对物联网无线传感器网络（WSN）中能量消耗不均衡、网络寿命短等问题，研究人员提出了一种基于虚拟六边形分区和算术优化算法（AOA）的能效聚类与路由协议（PRVD）。该协议采用双移动汇聚节点（MS）沿预定路径收集数据，显著降低了平均能耗，将首个节点失效时间延长至66900秒，比现有协议提升数百倍，为大规模智慧城市物联网部署提供了可扩展的解决方案。

　　

随着物联网（IoT）技术的快速发展，智慧城市已成为其最具前瞻性和影响力的应用领域之一。通过无线传感器网络（WSN），城市基础设施能够实时监测环境数据，实现预测性维护和智能化管理。然而，传感器节点通常部署在恶劣或偏远环境中，能源供应有限且难以更换，使得能量效率成为制约网络寿命的关键挑战。尤其是在大规模部署中，通信能耗远高于感知和处理能耗，静态汇聚节点（Sink）容易导致节点能量消耗不均，出现“能量空洞”问题，造成网络分区和性能下降。尽管移动汇聚节点（Mobile Sink, MS）能够通过动态数据收集平衡能耗，但其引入也带来了高延迟和控制开销等新问题。此外，传统的分簇头（Cluster Head, CH）选择方法往往无法综合考虑剩余能量、节点中心性和覆盖重要性等多重因素，难以在复杂环境中实现最优能量管理。

为应对这些挑战，一项发表于《Results in Engineering》的研究提出了一种创新的能量感知聚类与路由协议（PRVD）。该协议通过虚拟六边形单元划分网络区域，结合算术优化算法（Arithmetic Optimization Algorithm, AOA）实现最优分簇头选择，并部署双移动汇聚节点沿预定六边形轨迹收集数据，从而显著提升能量效率，延长网络寿命。

研究团队为开展此项工作，主要采用了以下几项关键技术方法：首先，将智慧城市监测区域划分为均匀的虚拟六边形单元，以降低通信开销并提高网络可扩展性；其次，利用AOA这一元启发式优化算法，在每个单元内基于剩余能量、与MS的距离及节点间平均距离等多准则选择分簇头；第三，设计了双移动汇聚节点系统，其沿同心六边形轨迹以不同速度移动，并在锚点停留以收集数据；最后，开发了一种成本高效的路由策略，通过最小化通信距离和平衡下一跳节点的能量消耗，实现数据高效聚合与传输。所有仿真实验均在MATLAB R2021a平台完成，节点部署数量为50至300个，关键参数包括六边形边长、传输能耗模型及移动汇聚节点速度等。

3.1. 网络区域划分

研究采用六边形单元对网络区域进行划分。六边形结构具有覆盖均匀、间隙小、面积利用率高等优点，能够容纳更多传感器节点。每个单元中心位置通过几何计算确定，单元之间遵循严格的邻接关系，确保通信路径的优化。这一设计为后续分簇和路由策略奠定了基础。

3.2. 基于AOA的分簇头选择

AOA算法通过模拟算术运算符的探索和利用行为，求解多目标优化问题。在每一轮迭代中，算法根据数学优化器加速（MOA）函数决定搜索策略，计算每个节点的适应度函数，该函数综合考虑了与最近MS的距离、节点剩余能量以及单元内节点间平均距离。通过最小化适应度函数，选出能量充足、位置优越的分簇头，有效平衡了单元内能耗。

3.3. 双移动汇聚节点运动规划

两个移动汇聚节点分别沿一大一小两个同心六边形轨迹移动，且初始位置相差180度。外侧MS移动速度是内侧的两倍，以确保全覆盖。MS在锚点广播其位置、停留时间和速度信息，节点据此选择最近的MS进行数据传输，减少多跳通信带来的能量消耗。

3.4. 路由策略

分簇头在传输聚合数据时，通过成本函数选择下一跳节点。成本函数综合考虑候选节点与当前CH的距离及其剩余能量，优先选择距离近、能量高的邻居节点或直接通信的MS，避免能量快速耗尽，同时防止路由环路。

3.5. 能耗与传播模型

研究采用经典的无线电能耗模型，其中能耗与传输距离的平方（自由空间模型）或四次方（多径模型）相关，并设定了 crossover距离作为模型切换阈值。该模型准确反映了实际通信中的能量损耗，为协议优化提供了理论依据。

通过大量仿真实验，PRVD协议在平均能量消耗和网络寿命方面均表现出显著优势。在300个节点部署场景下，PRVD的平均能耗仅为0.020175焦耳（600秒时），而对比协议EGRPM、RRP和RkM的能耗分别为0.355J、0.385J和0.398J。更重要的是，PRVD的首个节点死亡时间延长至66900秒，相比EGRPM（约1800秒）、RRP和RkM（约1300秒）提高了数十倍以上。即使随着节点数量增加，PRVD的能耗仍保持稳定，证明了其良好的可扩展性。

研究结论表明，PRVD协议通过虚拟六边形分区、AOA优化分簇头选择、双移动汇聚节点动态数据收集以及高效路由策略，有效解决了物联网传感器网络中的能量失衡和寿命短问题。该协议不仅大幅降低了能量消耗，还显著延长了网络生命周期，为智慧城市的大规模物联网应用提供了切实可行的解决方案。未来研究可进一步探索多目标路由算法、安全机制以及更高异构性和规模下的协议适应性。