一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法，通過(guò)利用該蟻群優(yōu)化算法求解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由，在對(duì)基本蟻群算法的不足進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)概率選擇公式中的參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，并引進(jìn)與算法相關(guān)的信息素定期廣播機(jī)制，將該蟻群算法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用操作系統(tǒng)TinyOS中的實(shí)現(xiàn)，該算法使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由不但能夠在選擇最短路徑的同時(shí)平衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，還能夠較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。
【專利說(shuō)明】一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及無(wú)線傳感技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由，提出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以大量低成本節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式組網(wǎng)，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象信息的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的低能量和不可靠性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的固有特點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)具有較大影響。路由協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，其功能主要是尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化路徑以及將數(shù)據(jù)沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中典型的路由協(xié)議包括泛洪路由(Flooding)、Gossiping路由協(xié)議，以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議如SPIN、Directed Diffusion、Roumer>TTDD、支持查詢的近似路由算法等。這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議多是在傳統(tǒng)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上采用最短路徑算法與傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)，均不太適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化且節(jié)點(diǎn)能量受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
[0003]節(jié)能路由是指在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間找到一條節(jié)能的多跳路徑，這就需要在普通路由協(xié)議的基礎(chǔ)上引入與能量消耗有關(guān)的指標(biāo)，最終降低電能消耗。與傳統(tǒng)路由算法相比較，基于蟻群算法的路由具有良好的自適應(yīng)性、較強(qiáng)的魯棒性、支持多路徑路由、具有局部或全局的優(yōu)化能力以及易于和其它的路由算法相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]但是基本蟻群算法仍有不足之處:在大規(guī)模部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生節(jié)點(diǎn)失效、新節(jié)點(diǎn)的加入或者節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，這些都將會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化?；鞠伻核惴m然具有較強(qiáng)的全局搜索能力，但搜索時(shí)間較長(zhǎng)，不適應(yīng)實(shí)際中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化。此外，基本蟻群算法易陷入局部最優(yōu)解，其表現(xiàn)為路由表停滯，因而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)人工螞蟻就不能很快地發(fā)現(xiàn)新出現(xiàn)的更好路徑。
[0005]TinyOS操作系統(tǒng)是一個(gè)主要應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式操作系統(tǒng)，其采用的組件化編程、事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制、輕量級(jí)線程技術(shù)及兩層調(diào)度方式和基于事件驅(qū)動(dòng)模式的主動(dòng)消息通信方式，滿足了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，使其在節(jié)點(diǎn)資源有限的情況下具有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)處理和資源收集能力。在TinyOS中實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)分發(fā)協(xié)議(Dissemination)如:Drip和DIP、CTP匯聚協(xié)議和應(yīng)用于數(shù)據(jù)聚集的LEPS多跳路由協(xié)議等均具有較好效果。在TinyOS中實(shí)現(xiàn)基于蟻群算法的路由協(xié)議將結(jié)合操作系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，最終為應(yīng)用層的程序設(shè)計(jì)提供有力支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題
針對(duì)現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由的不足和基本蟻群算法的不足，本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法。在基本蟻群路由算法(Basic Ant Colony RoutingAlgorithm, BACRA)中，路由螞蟻在從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑上遺留信息素，通過(guò)路徑上的信息素形成的正反饋機(jī)制進(jìn)行迭代搜索，螞蟻?zhàn)罱K可以發(fā)現(xiàn)最短路徑。為了盡可能地延長(zhǎng)整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的生命周期，人工螞蟻通過(guò)信息素遺痕和能量啟發(fā)信息的指引來(lái)構(gòu)造解，以尋找最小成本的路徑。
[0007]本發(fā)明在對(duì)基本蟻群算法的不足進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)概率選擇公式中的參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，并引進(jìn)與算法相關(guān)的信息素定期廣播機(jī)制，將該蟻群算法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用操作系統(tǒng)TinyOS中的實(shí)現(xiàn)，該無(wú)線路由不但能夠在選擇最短路徑的同時(shí)平衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，還能夠較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。
[0008]技術(shù)方案
一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法，步驟為:
(1)確定路由中人工前向螞蟻節(jié)點(diǎn)i到下一節(jié)點(diǎn)j的選擇概率公式，設(shè)計(jì)人工螞蟻從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的控制信息素軌跡參數(shù)和能量啟發(fā)值相對(duì)重要性參數(shù)；
(2)確定步驟(1)中前向螞蟻在路徑上的初次殘留信息素，設(shè)計(jì)信息素?fù)]發(fā)率的參數(shù)；
(3)在信息素?fù)]發(fā)之后，確定路由包中的后螞蟻釋放信息素；
(4)對(duì)節(jié)點(diǎn)i到下一節(jié)點(diǎn)j的鏈路進(jìn)行更新，確定更新后路徑上的信息素，
(5)對(duì)路徑上的信息素進(jìn)行迭代搜索，各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得其鄰居節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由情況信息，同時(shí)通過(guò)信息素定期廣播機(jī)制將網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由表信息，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0009]其中人工前向螞蟻從源節(jié)點(diǎn)i到下一節(jié)點(diǎn)j的選擇概率公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟: (1)確定路由中人工前向螞蟻節(jié)點(diǎn)i到下一節(jié)點(diǎn)j的選擇概率公式，設(shè)計(jì)人工螞蟻從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的控制信息素軌跡參數(shù)和能量啟發(fā)值相對(duì)重要性參數(shù)； (2)確定步驟(1)中前向螞蟻在路徑上的初次殘留信息素，設(shè)計(jì)信息素?fù)]發(fā)率的參數(shù)； (3)在信息素?fù)]發(fā)之后，確定路由包中的后螞蟻釋放信息素； (4)對(duì)節(jié)點(diǎn)i到下一節(jié)點(diǎn)j的鏈路進(jìn)行更新，確定更新后路徑上的信息素， (5)對(duì)路徑上的信息素進(jìn)行迭代搜索，各個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得其鄰居節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由情況信息，同時(shí)通過(guò)信息素定期廣播機(jī)制將網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地向其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由表信息，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法，其特征在于所述的步驟(1)中的選擇概率公式為
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法，其特征在于步驟(1)中所述的能量啟發(fā)值為
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法，其特征在于步驟(2)中所述的初次殘留信息素公式為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法，其特征在于步驟(3)中所述的后螞蟻釋放信息素的公式為
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由蟻群算法的優(yōu)化方法，其特征在于步驟(4)中所述的更新后路徑上的信息素的公式為:
【文檔編號(hào)】H04W40/02GK103596235SQ201310022248
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月22日
【發(fā)明者】丁建寧, 雷毅, 程廣貴, 張利, 凌智勇, 張忠強(qiáng) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)