基于蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化研究

昝風(fēng)彪+李彩霞

摘要：在無線傳感網(wǎng)絡(luò)不斷應(yīng)用到人們各個領(lǐng)域中，人們對于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量要求也越來越高，所以就要保證服務(wù)質(zhì)量實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，提高網(wǎng)絡(luò)的壽命。在此背景下，該文就對現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于蟻群算法的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：蟻群算法；無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)路由；優(yōu)化

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）26-0054-02

在現(xiàn)代社會中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景較為遼闊，其是信息技術(shù)中的全新領(lǐng)域，并且引起了多個國家學(xué)術(shù)界及工業(yè)界的重視。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計目標(biāo)各不相同，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)主要是通過資源管理及路由優(yōu)化在高度移動環(huán)境中提高寬帶的使用率，并且為用戶提供良好的服務(wù)質(zhì)量。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大部分的傳感器節(jié)點為靜態(tài)，其都是人類無法靠近的高危環(huán)境中工作，不能夠隨時隨地的更換資源，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題就是延長傳感器節(jié)點的生命周期。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點不同，所以就要使相關(guān)研究人員尋找滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制及算法[1]。

1 蟻群算法的數(shù)學(xué)模型

在蟻群算法系統(tǒng)中，螞蟻是通過某地點轉(zhuǎn)移到兩個地點實現(xiàn)搜索的過程，在此過程中，每只螞蟻都能夠通過轉(zhuǎn)移概率完成之后的行動路線。在實現(xiàn)t次迭代過程中，從地點i到地點j要滿足以下條件：首先，每只螞蟻都要求具有禁忌表，存儲自己爬過的地方；其次，將目前的地理信息作為能見度基礎(chǔ)，在搜索過程中，將其作為螞蟻搜索引導(dǎo)的靜態(tài)量，其是固定的基礎(chǔ)信息，在數(shù)學(xué)表達(dá)式中為距離倒數(shù)，也就是ηij=（1/dij）；最后，地點i到地點j的路程中遺留實施改變虛擬信息素τij，其是一種全局變量，表示螞蟻爬行過程中的經(jīng)驗[2]。

其中j?Jki，如果pkij（t）為0，那么α表示信息啟發(fā)因子，其主要是螞蟻在運行過程中的信息素在之后路徑中的作用；β為能見度相對權(quán)值。此種模型不會考慮信息素的揮發(fā)，但是在此種情況下，主要基礎(chǔ)就是會加強(qiáng)初始條件中的隨機(jī)信息，對之后的結(jié)果造成一定的影響，得到的并不是最優(yōu)解。就如同人類大腦中的記憶會在時間不斷推移過程中不斷消失，所以就要引入此種機(jī)制實現(xiàn)此功能，這就是信息素?fù)]發(fā)機(jī)制，使信息素?fù)]發(fā)機(jī)制系數(shù)能夠?qū)φ麄€揮發(fā)過程進(jìn)行指揮[3]。信息素的揮發(fā)通過以下表示：

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)過程中，無線傳感器的節(jié)能性能是有限的，所以就設(shè)計的路由協(xié)議就要相對簡單。蟻群算法中的人工螞蟻個體智能雖然有限，但是卻能夠通過合作實現(xiàn)較為復(fù)雜的工作，總的來說，蟻群算法的優(yōu)勢主要包括以下內(nèi)容：

其一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點成本較低，通信和存儲能力都是有限的，就像蟻群算法中的單一螞蟻個體智能有限一樣。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要較為簡單的協(xié)議實現(xiàn)大量的復(fù)雜工作，蟻群就能夠通過簡單功能實現(xiàn)較為復(fù)雜的工作[4]；

其二，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點因為能量有限，并且不能夠有效補(bǔ)充，會出現(xiàn)能量耗盡和節(jié)點損壞的現(xiàn)象，以此丟失傳感器節(jié)點，對拓?fù)湓斐捎绊?。蟻群生存環(huán)境拜年話多樣，其主要根據(jù)信息素對網(wǎng)絡(luò)運行造成影響，單一螞蟻死亡或者環(huán)境出現(xiàn)變化并不會影響到網(wǎng)絡(luò)；

其三，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜，在設(shè)計路由過程中一般都是通過多路徑保證信息傳遞具有有效性。蟻群算法在選路過程中主要是根據(jù)信息素概率值實現(xiàn)，每條路徑都可能被選中，所以蟻群算法能夠支持多路徑[5]。

2 基于蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化

在無線傳感器中，每個傳感器都是一個節(jié)點，將信息通過單跳方式從源節(jié)點傳送到目的節(jié)點的路徑要求最短，此種方式就像是在蟻群算法中，蟻群通過源節(jié)點根據(jù)一定的方式轉(zhuǎn)移到目的節(jié)點中，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由中使用蟻群算法，不僅是因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點較多，還是因為蟻群算法因為自身運行具有并行性，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由選擇中[6]。

2.1 路由算法的假設(shè)

將本協(xié)議使用的無限傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行假設(shè)：其一，其中節(jié)點的初始能源值都相同，并且能量受到限制；其二，其中節(jié)點都具有一定的運算能力，從而能夠?qū)崿F(xiàn)信息的處理；其三，其中節(jié)點都具有唯一的ID編號；其四，其中的節(jié)點都是使用全向天線，通信范圍較廣；其五，其中節(jié)點并不是單向鏈路，也就是A節(jié)點能夠和B節(jié)點相互通信，B節(jié)點也能夠和A節(jié)點通信[7]。

2.2 能耗模型

其中αβγ三個值不變，在進(jìn)行遍歷過程中使其能夠滿足遍歷次數(shù)的變化，α的主要目的就是對信息素濃度的比重進(jìn)行全面的衡量。螞蟻k在時間t中，通過節(jié)點i處能夠訪問的節(jié)點集合為allowedk，其中的元素j表示為：j要在節(jié)點i通信范圍半徑之內(nèi)；j要為螞蟻k沒有訪問的；j到sink節(jié)點的距離要比i到sink節(jié)點的距離短，從而能夠有效縮短螞蟻從源節(jié)點到sink節(jié)點的時間，避免能量消耗[9]。

2.4 信息素的更新

螞蟻路徑中信息素的更新使用全局信息素和局部信息素兩種更新策略，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法過程中，將螞蟻分為前進(jìn)和返回兩種類型，前進(jìn)螞蟻根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移公式從源節(jié)點朝著目標(biāo)節(jié)點轉(zhuǎn)移，每通過一條路徑就要根據(jù)信息素局部的更新策略對路徑中的信息素濃度進(jìn)行更新。那么為了有效避免路徑中信息素的濃度過大或者過小，從而使算法收斂加快，所以就要將信息素的濃度設(shè)置在τmin和τmax之間，局部路徑中的信息素濃度公式的更新為：

3 結(jié)束語

通過對本文所提出的改進(jìn)算法進(jìn)行實驗，表示和基本蟻群算法相對比，通過優(yōu)化的一群啊算法在最終跳數(shù)中的表現(xiàn)更優(yōu)，傳感器節(jié)點的剩余能量更多，具有較少的能源消耗，并且每個節(jié)點的能源消耗都較為均勻。以此表示，本文所研究的改進(jìn)蟻群算法在提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期具有重要的現(xiàn)實意義。

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