一種基于剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整前向角度的路由算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整前向角度的路由算法，屬于通信領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的更新，智能傳感器得到了迅速的發(fā)展，使無(wú)線(xiàn)傳感 器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks ,WSNs)成為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。對(duì)監(jiān)測(cè) 對(duì)象信息的感知、采集、傳遞和處理使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害污染監(jiān) 測(cè)、智能家居等諸多領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)路由主要實(shí)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)信息到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的傳遞，是網(wǎng)絡(luò)高效通 信的基礎(chǔ)，路由的優(yōu)化問(wèn)題也變得十分重要。
[0003] 然而，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有限、網(wǎng)絡(luò)自組織以及拓?fù)洳环€(wěn)定等特點(diǎn)，決定了其 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的差異。自然界螞蟻覓食行為演化出如今廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的蟻群系統(tǒng)。蟻 群系統(tǒng)的自組織性、適應(yīng)性和健壯性等特點(diǎn)，非常適用于解決WSNs的動(dòng)態(tài)路由優(yōu)化問(wèn)題，有 利于提高系統(tǒng)的信息傳輸可靠性，也有利于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗均衡。
[0004] 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)Sink節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)信息匯聚的中心，Sink節(jié)點(diǎn)周?chē)P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能耗過(guò) 大，極易導(dǎo)致關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的過(guò)早死亡將直接促使自身感知范圍失效，間接導(dǎo)致外圍感知信息 無(wú)法傳輸至Sink節(jié)點(diǎn)，促使網(wǎng)絡(luò)較早進(jìn)入癱瘓狀態(tài)?，F(xiàn)有路由算法常采取固定路由前向角 度的方式來(lái)保證算法的快速收斂性和感知信息上傳的較小時(shí)延性，但這種方式將帶來(lái)下一 跳節(jié)點(diǎn)選擇的局限性以及路由關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的集中性，致使部分路由關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)因通信負(fù)載過(guò)重 而過(guò)早死亡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)網(wǎng)絡(luò)能量有限及現(xiàn)存路由算法Sink節(jié)點(diǎn)周?chē)P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能耗過(guò)快問(wèn)題，本發(fā)明 提供了一種基于剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整前向角度的路由算法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整前向角度的路由算法，當(dāng)某個(gè) 節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)前向角度范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量大小是否低 于節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值E th:
[0007] 若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)前向角度范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量均低于剩余能量閾值Eth，節(jié)點(diǎn)增大 前向角度;其中，節(jié)點(diǎn)增大前向角度的原則:從最小前向角度Amin到最大前向角度A max，直到 最大前向角度范圍內(nèi)均不存在滿(mǎn)足剩余能量高于剩余能量閾值Eth的鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，則遵循其 概率轉(zhuǎn)移函數(shù)原則，重新選擇下一跳節(jié)點(diǎn)；
[0008] 若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)前向角度范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)中存在剩余能量不低于剩余能量閾值Eth的 節(jié)點(diǎn)，則遵循其概率轉(zhuǎn)移函數(shù)進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇；
[0009] 其中，剩余能量閾值Eth選取對(duì)應(yīng)鄰居節(jié)點(diǎn)初始剩余能量的30% ;Amin選取60° ;Amax 選取240°，每次調(diào)整前向角度增量為60°。
[0010] 所述概率轉(zhuǎn)移函數(shù)：
為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí)刻第k只螞蟻的概率轉(zhuǎn)移函數(shù)，Tij⑴為節(jié)點(diǎn)i與節(jié) 點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí)刻的信息素函數(shù)，陽(yáng)⑴為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí) 亥Ij的距離啟發(fā)函數(shù)，約/ (〇為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí)刻的能量啟發(fā)函數(shù)，Ai當(dāng) 前節(jié)點(diǎn)i所有鄰居節(jié)點(diǎn)的集合，α為信息素啟發(fā)式因子，β為距離啟發(fā)式因子，γ為能量啟發(fā) 式因子。
[0011] 所述信息素函數(shù)采用如下方式進(jìn)行更新：
[0014] 式中，P為信息素?fù)]發(fā)素，ATlj(t)為本次迭代中節(jié)點(diǎn)i、j間路徑信息素增量，Tlj (t)的初始值為0，
為第k只螞蟻留下的信息素，m為蟻群螞蟻總數(shù)目。
[0015] 所述第k只螞蟻留下的信息素 Δ^(〇,在更新過(guò)程中：
[0016] 如果第k只螞蟻為前向螞蟻時(shí)，對(duì)第k只螞蟻留下的信息素進(jìn)行局部更新：
[0018] 式中，Ql為局部信息素強(qiáng)度且初始值為〇，屯表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之 間的距離，δ為能量更新系數(shù);Ej (t)表示節(jié)點(diǎn)j在t時(shí)刻的剩余能量(t時(shí)刻的剩余能量表示 初始剩余能量減去t時(shí)刻之前節(jié)點(diǎn)j消耗的能量）；
[0019] 如果第k只螞蟻為后向螞蟻時(shí)，對(duì)第k只螞蟻留下的信息素進(jìn)行全局更新：
[0021]式中，Q為全局信息素強(qiáng)度且初始值為0，Lk為第k只螞蟻的跳數(shù)，E_為第k只螞蟻 所代表的路徑上剩余能量最小節(jié)點(diǎn)的剩余能量，nk為第k只螞蟻所代表的路徑上的節(jié)點(diǎn)數(shù) 目，E1為第k只螞蟻所代表的路徑上任意節(jié)點(diǎn)1的節(jié)點(diǎn)剩余能量，V為能量因子系數(shù)，表征能 量在信息素更新中的比重。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:設(shè)計(jì)合理，同時(shí)將節(jié)點(diǎn)剩余能量和距離引入蟻群概率轉(zhuǎn)移 函數(shù)，并對(duì)路由提出前向角度動(dòng)態(tài)調(diào)整的思想，能較好的庇護(hù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗。而 且動(dòng)態(tài)前向角度的引入，既保證了網(wǎng)絡(luò)初期感知信息上傳的小時(shí)延性，又能在網(wǎng)絡(luò)后期犧 牲部分時(shí)延來(lái)?yè)Q取網(wǎng)絡(luò)有效壽命的延續(xù)。并且仿真實(shí)驗(yàn)表明REAFAD節(jié)點(diǎn)能耗均勻程度得到 提高，信息傳輸?shù)某晒β室哺觾?yōu)良，網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋率得到較好維持，增強(qiáng)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng) 絡(luò)的健壯性，有效避免了網(wǎng)絡(luò)過(guò)早癱瘓。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是本發(fā)明的偏移角度和前向角度的指示圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例5仿真結(jié)果之網(wǎng)絡(luò)能耗方差對(duì)比圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例5仿真結(jié)果之信息傳輸成功率對(duì)比圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例5仿真結(jié)果之網(wǎng)絡(luò)覆蓋率對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 實(shí)施例1:如圖1-4所示，一種基于剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整前向角度的路由算法，一種基 于剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整前向角度的路由算法，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，判斷當(dāng)前 節(jié)點(diǎn)前向角度范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量大小是否低于節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值E th:
[0028] 若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)前向角度范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量均低于剩余能量閾值Eth，節(jié)點(diǎn)增大 前向角度;其中，節(jié)點(diǎn)增大前向角度的原則:從最小前向角度Amin到最大前向角度Am ax，直到 最大前向角度范圍內(nèi)均不存在滿(mǎn)足剩余能量高于剩余能量閾值Eth的鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，則遵循其 概率轉(zhuǎn)移函數(shù)原則，重新選擇下一跳節(jié)點(diǎn)；
[0029]若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)前向角度范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)中存在剩余能量不低于剩余能量閾值Eth的 節(jié)點(diǎn)，則遵循其概率轉(zhuǎn)移函數(shù)進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇；
[0030] 其中，剩余能量閾值Eth選取對(duì)應(yīng)鄰居節(jié)點(diǎn)初始剩余能量的30% ;Amin選取60° ;Amax 選取240°，每次調(diào)整前向角度增量為60°。
[0031] 所述概率轉(zhuǎn)移函數(shù)：
為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí)刻第k只螞蟻的概率轉(zhuǎn)移函數(shù)，Tij⑴為節(jié)點(diǎn)i與節(jié) 點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí)刻的信息素函數(shù)，陽(yáng)⑴為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí) 亥Ij的距離啟發(fā)函數(shù)，％⑴為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí)刻的能量啟發(fā)函數(shù)，Ai當(dāng) 前節(jié)點(diǎn)i所有鄰居節(jié)點(diǎn)的集合，α為信息素啟發(fā)式因子，β為距離啟發(fā)式因子，γ為能量啟發(fā) 式因子。
[0032] 所述信息素函數(shù)采用如下方式進(jìn)行更新：
[0035] 式中，P為信息素?fù)]發(fā)素，ATlj(t)為本次迭代中節(jié)點(diǎn)i、j間路徑信息素增量，Tlj (t)的初始值為0
為第k只螞蟻留下的信息素，m為蟻群螞蟻總數(shù)目。
[0036] 所述第k只螞蟻留下的信息素
，在更新過(guò)程中：
[0037] 如果第k只螞蟻為前向螞蟻時(shí)，對(duì)第k只螞蟻留下的信息素進(jìn)行局部更新：
[0039]式中，Ql為局部信息素強(qiáng)度且初始值為0，屯表示節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之 間的距離，δ為能量更新系數(shù);Ej (t)表示節(jié)點(diǎn)j在t時(shí)刻的剩余能量；
[0040]如果第k只螞蟻為后向螞蟻時(shí)，對(duì)第k只螞蟻留下的信息素進(jìn)行全局更新：
[0042] 式中，Q為全局信息素強(qiáng)度且初始值為0，Lk為第k只螞蟻的跳數(shù)，Emin為第k只螞蟻 所代表的路徑上剩余能量最小節(jié)點(diǎn)的剩余能量，n k為第k只螞蟻所代表的路徑上的節(jié)點(diǎn)數(shù) 目，E1為第k只螞蟻所代表的路徑上任意節(jié)點(diǎn)1的節(jié)點(diǎn)剩余能量，V為能量因子系數(shù)，表征能 量在信息素更新中的比重。
[0043] 實(shí)施例2:如圖1-4所示，一種基于剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整前向角度的路由算法，一種基 于剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整前向角度的路由算法，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，判斷當(dāng)前 節(jié)點(diǎn)前向角度范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量大小是否低于節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值E th:
[0044]若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)前向角度范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)剩余能量均低于剩余能量閾值Eth，節(jié)點(diǎn)增大 前向角度;其中，節(jié)點(diǎn)增大前向角度的原則:從最小前向角度Amin到最大前向角度Amax，直到 最大前向角度范圍內(nèi)均不存在滿(mǎn)足剩余能量高于剩余能量閾值E th的鄰居節(jié)點(diǎn)時(shí)，則遵循其 概率轉(zhuǎn)移函數(shù)原則，重新選擇下一跳節(jié)點(diǎn)；
[0045] 若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)前向角度范圍內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)中存在剩余能量不低于剩余能量閾值Eth的 節(jié)點(diǎn)，則遵循其概率轉(zhuǎn)移函數(shù)進(jìn)行下一跳節(jié)點(diǎn)的選擇；
[0046] 其中，剩余能量閾值Eth選取對(duì)應(yīng)鄰居節(jié)點(diǎn)初始剩余能量的30% ;Amin選取60° ;Amax 選取240°，每次調(diào)整前向角度增量為60°。
[0047] 所述概率轉(zhuǎn)移函數(shù)：
；其中，#ω 為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí)刻第k只螞蟻的概率轉(zhuǎn)移函數(shù)，Tij⑴為節(jié)點(diǎn)i與節(jié) 點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí)刻的信息素函數(shù)，陽(yáng)⑴為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí) 亥IJ的距離啟發(fā)函數(shù)，作(〇為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)i的下一跳節(jié)點(diǎn)j之間t時(shí)刻的能量啟發(fā)函數(shù)，仏當(dāng) 前節(jié)點(diǎn)i所有鄰居節(jié)點(diǎn)的集合，α為信息素啟發(fā)式因子，β為距離啟發(fā)式因子，γ為能量啟發(fā) 式因子。
[0048]所述信息素函數(shù)采用如下方式進(jìn)行更新：
[0051]式中，P為信息