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      淺析蟻群無線網絡路由算法

      2013-04-27 16:41 來源:網絡工程論文 人參與在線咨詢

      這里針對WRSN提出了一種并發蟻群算法,實現網絡資源的均衡優化及路由的魯棒性。多同質蟻群間信息素吸引因子與排斥因子設計在一個多蟻群算法模型中,信息素的吸引因子與排斥因子為不同蟻群間數據信息交流的閾值,直接影響模型計算性能。這里提出一種特定的吸引因子與排斥因子定義。設Aki表示種群k中第i只螞蟻代理,同種群內的螞蟻均釋放同一種類型的信息素,不同種群釋放的信息素類型不同。則αkij為種群k的螞蟻當前位于傳感器節點i,在其鄰域Πi內選擇下一個節點j的k類型信息素的吸引因子,則αkij=τkij/∑h?Πiτkkh。(1)式中,τij為邊(i,j)上的第k種信息素濃度。βkij為種群k的螞蟻當前位于傳感器節點i,在其鄰域Πi內選擇下一個節點j的k類型信息素的排斥因子,則βkij=∑h≠kτhij/∑h?Πiτkih。(2)式中,τij為邊(i,j)上的第k種信息素濃度。當位于節點i的螞蟻在其鄰域Πi內根據概率轉移規則選擇下一個傳感器節點i時,該螞蟻會以更高的概率選擇具有較高自己類型信息素濃度的路徑。

      多同質蟻群間概率轉移規則在蟻群計算模型中,種群中螞蟻選擇下一步路由的轉移概率規則也是算法模型的重要組成部分。這里采用的規則為:種群S中位于傳感器節點i的螞蟻選擇下一節點j進行路由時的轉移概率表達式為:Psij(k)=[τsij(t)]ε•αkij/βkij×[ηij(t)]β∑h?tabuk[τsih(t)]ε•αkij/βkij×[ηih(t)]β,j?tabuk0,,{其他。(3)式中,τsij為t時刻在邊(i,j)上的s類信息素的濃度。每個節點維護一張信息素表,記錄鄰邊上信息素的濃度;ε>0為調整因子,用以調節信息素信息的影響權重;啟發函數ηij綜合考慮單跳延遲、節點負載及接入效率等QoS路由度量參數,則ηij=ξj/Lj×Dij,ξj為下一跳傳感器節點j的帶寬接入效率,Lj為節點j的負載,Dij表示節點i到節點j的單跳延遲。

      螞蟻的信息素更新策略在蟻群進行路由搜索時,前向螞蟻的信息素更新策略也是重要的設計要素。由于無線網絡的結構不確定性,因此在設計更新策略時,需考慮局部網絡情況與全局網絡情況,提出不同的更新策略。種群中的前向螞蟻根據本種群的信息素轉移到下一個節點后,局部更新該種群的信息素。局部更新規則為:τkij(t+1)=(1-ρ)τkij(t)+ρΔτkij。(4)式中,ρ為信息素揮發后的殘留因子。在螞蟻經過的路徑上采用蟻密模型的更新模式,即前向螞蟻在經過的路徑(i,j)上釋放的信息素量為每單位長度Q,Δτkij(t,t+1)=Q,k∈(i,j)0,{其他。(5)式中,Q為一常數。當前向螞蟻到達目的節點后,將收集到的從源節點到目的節點的路徑信息記錄下來,并通過測試消息轉移給后向螞蟻,自身將被刪除。逆向螞蟻更新的規則為:τkij(t+n)=(1-ρ)τkij(t)+ρQRs。(6)式中,R為種群S中的螞蟻k在一次循環結束后路徑上的網絡資源消耗值。

      多蟻群并行路由優化算法流程綜合上述分析,設計多蟻群并行路由優化算法流程如下:①選擇子匯聚節點。從靠近基站的傳感器節點中選擇子匯聚節點,由所需的子匯聚節點數和各個傳感器節點已成為子匯聚節點的次數來決定。②多蟻群算法初始化。算法將從源節點出發代表網絡流量的螞蟻劃分成k個子群,為每個子群分配一個相應的子匯聚節點作為目的節點。將網絡中的螞蟻分為前向螞蟻和后向螞蟻并初始化螞蟻的禁忌表,后向螞蟻在返回源節點的過程中對路徑進行全局更新。③多蟻群并行優化計算。并行計算各蟻群的信息素吸引因子、排斥因子、蟻群概率轉移規則與信息素更新策略,并刷新當前蟻群的配置參數,當后向螞蟻返回到源節點后出動第2批螞蟻,直至達到算法較大迭代次數NCmax時跳出循環。結束時,每個種群可以得到一條優化路徑,多個種群可得多個路徑。④根據無線網絡的指標來對蟻群所得的路由進行比較,如未符合實際工程需求則返回步驟②再次進行蟻群初始化與計算,直至找到合適的路由結果。2仿真實驗下面在Matlab2010b上對設計的基于多蟻群算法的負載感知和高效接入跨層路由協議進行實驗。感知區域為(0,0)到(1000,1000)的平面正方形監測區域,隨機散布M=50個被控電源節點,仿真時間為T=1000s。考慮到傳感器網絡節點的現實情況,將節點較大傳輸距離設為L=100m,控制數據幀平均大小為Sframe=512B,系統緩沖區隊列長度為Lframe=100數據包的長度,MAC層采用IEEE802.11協議。多蟻群算法的迭代次數NCmax固定為$200$代,匯聚節點個數或種群個數k=3。其他參數取值采用經驗的方法設置為:每個種群中的螞蟻個數m=100,ε=0.85,α=3,β=2,ρ=0.2,Q=100。運行經典蟻群算法和本文優化蟻群算法對無線電源監控網絡路由進行計算,取n=10次實驗結果的平均值進行比較。用本文算法和經典算法對重負荷無線電源監控網絡進行路由優化時,較優路徑上數據包從源節點到目的節點所需平均傳輸時延大小比較如圖1所示。從仿真結果可見,當網絡達到穩定時,經典算法的數據包延遲比多種群蟻群算法要大,達到穩定狀態需要較長的時間且波動大,因此本文采用改進的多種群蟻群算法在進行無線電源監控網絡路由跨層優化時,具有傳輸時延小、收斂速度快且傳輸較為穩定等明顯優勢。

      結束語

      上述采用一種智能優化的多蟻群算法對WRSN進行跨層路由優化。仿真實驗證明,該算法得出的較優傳輸路徑能夠滿足無線電源監控網絡的實時性、可靠性及負載平衡等方面的要求,保證了無線電源監控網絡的服務質量。該技術適用于物聯網環境,為其他有線網絡系統轉向物聯網系統提供了有益的探索實踐經驗。

      本文作者:姜福祥 錢建波 于正永 單位:淮安信息職業技術學院

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