《Ad Hoc Networks》：Gateway-assisted hybrid region-based multi-hop routing for sustainable IoT sensor deployments
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物联网无线传感器网络多跳路由网关辅助能耗均衡簇头选举
Noha MM. Abdelnapi | Ahmed Gamal Abdellatif | Eman M. Mohamed | Nahla F. Omran | Syed Tariq Shah | Mahmoud A. Shawky
计算机科学系，计算机与信息学院，苏伊士大学，43221，苏伊士，埃及
摘要
无线传感器网络（WSNs）是物联网（IoT）应用的基础，但受到传感器节点有限能源资源的限制，尤其是在数据传输过程中。本文提出了一种混合式多跳路由协议——基于网关辅助的多跳增强稳定选举协议（M-GESEP），旨在延长基于WSN的IoT系统的网络寿命。传感器场被划分为三个逻辑区域：（i）基站区域（BR），（ii）网关区域（GR）和（iii）簇区域（CR）。采用混合通信策略：BR和GR中的节点直接传输数据，而CR中的节点利用基于簇的通信方式。这种区域感知设计减少了长距离传输，并平衡了转发负载，从而最小化了能源消耗。仿真结果表明，在相同条件下，与现有的SEP、EDEEC、ESEP、EAGBRP和HMGEAR相比，M-GESEP分别提高了74%、58.2%、11.1%、34.5%和13.3%的网络寿命。结果表明，将网关辅助的多跳路由与选择性聚类相结合，为节能型WSN部署提供了一种实用且高效的解决方案。所提出的协议为分区拓扑提供了一个清晰、可实施的框架，并为大规模异构IoT网络的未来发展提供了指导。
引言
随着无线传感技术的快速发展，传感器节点的能力不断提高，推动了物联网（IoT）在各种应用中的广泛采用。现代IoT系统支持环境智能、实时监控、自动化和智能决策，利用了无线传感器网络（WSNs）、云计算、先进传感技术和RFID系统等基础技术[1]。在这些技术中，WSNs通过促进无缝的数据收集和传输，在物理世界和数字世界之间发挥了基础性作用。部署在WSNs中的传感器节点收集环境或上下文信息，并将其直接或通过多跳通信路径转发到中央汇聚节点或基站（BS）[2]。它们的广泛应用得益于低成本、可扩展性和在恶劣或偏远环境中的韧性[3]。然而，电池供电的传感器节点在通信过程中的有限能源资源仍然对网络寿命构成重大挑战。
为了解决这些能源限制，研究人员广泛研究了WSNs中的节能路由策略。进化方法通过优化簇头（CH）选择和中继节点的使用来提高负载平衡和服务质量（QoS）[4]。旨在通过能源感知聚类来最大化网络寿命的协议已经证明，结构良好的CH选举和优化的中继通信可以显著延长网络运行时间[5]。同样，针对基于IoT的WSNs开发了动态聚类优化方法，其中簇结构会动态更新以保持在动态和异构环境中的效率[6]。专门的方法进一步提高了WSNs的能源效率。例如，针对水下WSNs探索了不等级多级聚类，其中基于深度的CH分配和自适应数据聚合对于应对具有挑战性的通信环境至关重要。基于区域的聚类也被认为是一种有效策略，通过将传感器场划分为不同的区域来平衡能源消耗，从而减少通信开销并提高网络可扩展性[7]。在这些概念的基础上，改进的分层模型（如改进的zonal SEP (IZ-SEP)）将能源感知和区域约束结合到CH选举中，实现了更稳定和更持久的网络运行[8]。
除了聚类策略外，基于网关和中继的通信方法也被广泛认为可以缓解所谓的“能源洞”问题。通过将高能耗传输任务卸载到具有更远通信范围的更强大节点上，基于网关的设计显著减轻了普通传感器节点的负担，并延长了整个网络的生命期[9]。其他研究还强调了数据聚合[10]和优化节点布局[11]在节约能源和提升网络性能方面的重要性。基于这些多样化的贡献，本文提出了M-GESEP，这是一种专为IoT支持的WSNs设计的基于网关辅助的多跳路由协议。
所提出的协议将传感器场划分为三个逻辑区域：基站区域（BR）、网关区域（GR）和簇区域（CR），如图1所示。部署了一个可充电的网关节点，用于将传感器节点聚合的数据转发到基站，从而减少长距离传输并减轻普通传感器节点的能源负担。在簇区域内，使用考虑节点位置和剩余能量的加权概率方法选举簇头，确保网络中的能源消耗均衡。通过将网关辅助路由与基于区域的聚类相结合，M-GESEP协议有效减少了通信开销，缓解了过早的能源耗尽，并显著延长了整个网络的生命期。在异构IoT环境中，高效平衡能源消耗同时减少长距离传输仍然是一个关键挑战。为了解决这些限制，本文提出了一种基于区域的混合式多跳路由协议（M-GESEP），它结合了区域网络划分、能源感知的簇头选择和网关支持的数据转发。
本文的主要贡献总结如下：
混合式基于区域的多跳路由架构：提出了一种新的通信框架，将传感器场划分为三个逻辑区域：基站区域、网关区域和簇区域，从而实现了基于节点位置的适应性通信策略。
基于网关的能源感知数据转发机制：所提出的协议集成了一种可充电的网关节点，以支持从远距离簇头到基站的能源感知多跳数据转发。与直接的CH到BS传输或依赖于移动性的方法不同，该机制减少了长距离传输，降低了转发开销，并有效平衡了通信负载，从而延长了稳定性周期和整个网络的生命期。
- 3.
能源感知的簇头选择策略：采用加权概率方法进行簇头选举，考虑节点位置和剩余能量，以分配通信开销并防止特定节点的过度能源耗尽。
- 4.
在异构IoT-WSN场景下的全面评估：在异构IoT支持的WSN场景下的广泛仿真表明，M-GESEP在网络寿命、稳定性周期、吞吐量和剩余能源方面始终优于传统的和最近的基于网关的路由协议。结果证实，所提出的区域感知和基于网关的设计为面向IoT的WSN部署提供了可扩展且节能的路由方案。
本文的其余部分组织如下。第2节提供了相关工作的全面回顾和必要的预备知识。第3节详细介绍了所提出的M-GESEP协议的设计和操作。第5节介绍了仿真设置、性能评估和结果讨论。最后，第6节总结了本文并概述了未来工作的潜在方向。为了清晰起见，本文中的缩写列表见表1。
章节片段
背景和预备知识
本节回顾了当前的技术现状，并概述了理解所提出方法论所需的预备知识。
所提出的协议
本节介绍了所提出的M-GESEP的设计和操作。该协议结合了区域感知的直接通信和基于簇的多跳路由，使通信决策能够根据节点位置和剩余能量动态调整。该设计旨在减少长距离传输，平衡能源消耗，并延长异构IoT支持无线传感器网络的网络寿命。
仿真结果和讨论
本节介绍了所提出的M-GESEP协议的仿真设置、网络配置和性能评估，包括稳定性、寿命、吞吐量、剩余能源以及与现有协议的比较分析。
结论
本文提出了M-GESEP，这是一种混合式、多跳和异构的路由协议，旨在最小化能源消耗并提升IoT支持无线传感器网络的端到端性能。传感器场被划分为三个逻辑区域：基站区域、网关区域和簇区域，允许根据节点位置和剩余能量定制通信策略。BR和GR中的节点直接传输到基站或网关，而
CRediT作者贡献声明
Noha MM. Abdelnapi：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、方法论、调查、概念化。
Ahmed Gamal Abdellatif：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、调查。
Eman M. Mohamed：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查、形式分析。
Nahla F. Omran：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查、形式分析。
Syed Tariq Shah：撰写 – 审稿与编辑、验证、调查、形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
