一种基于蚁群算法的水声多跳协作通信网络路由选择方法技术

一种基于蚁群算法的水声多跳协作通信网络路由选择方法，涉及水声网络。将协作通信引入水声多跳网络，形成水声多跳协作通信网络，根据水声通信能量消耗模型，提出适用于水声多跳协作通信网络的蚁群算法代价函数，用以优化路由选择；存在协作节点，使得每个中继节点的下一跳选择空间增大，提高路由选择的成功性；确保在既有中继节点又存在协作节点的情况下，能迅速有效地找到全局最优的路径；该最优路径可降低系统整体能量消耗，延长水声通信网络的生命周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声网络，尤其是涉及一种基于蚁群算法的水声多跳协作通信网络路由选择方法。
技术介绍
随着陆地资源不断被开发，为缓解资源短缺问题，人们将探索的目光转移到蕴藏丰富、潜力巨大的海洋资源上。近年来，由于军事和民用领域对水声通信的应用需求逐步增加，水声通信及其网络技术的研究获得人们的青睐。由于水声信道可利用带宽窄、水声信号传输衰减严重、水下节点能量供给受限等因素，研究表明，与直接进行远距离传输相比，通过短距离多跳实现远距离传输，可降低水声通信网络系统整体的能量消耗。借鉴陆上无线电信号处理技术，Cecilia等(Carbonelli C,Mitra U.Cooperative Multihop Communication for Underwater Acoustic Networks[C].in the Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Underwater Networks,2006:97-100.)将协作通信技术引入水声通信网络，通过协作获得分集效益，进一步提高了水声多跳通信网络的性能。水下传感器节点的发射功率、传输距离、处理数据所用的功率都受到严格的限制，并且对于水声多跳协作通信网络路由选择，其水下网络拓扑结构是动态变化的多跳协作网络，在源节点S和目的节点D之间的每一个节点都既可能成为中继节点R为其转发信息，也可能成为协作节点C在需要时参与协作转发。多跳水声协作通信网络中，每一跳的节点选取，在既有中继节点又存在协作节点的情况下，如何迅速合理地选择出最优路径，即在考虑协作节点C存在的情况下找出最优的中继节点R，是当前研究的重点也是难点。针对水声多跳通信网络，鉴于蚁群算法的优点，陶强等(陶强,黄友锐,凌六一,等.基于改进蚁群算法的水下传感器网络路由策略[J].微电子学与计算机,2015,05:59-62.)将改进蚁群算法用于水下传感器网络的路由选择优化，以解决能量消耗和多径效应的问题；万智萍(万智萍.带选择适应性的水下传感器网络分布式路由算法[J].计算机应用研究,2014,12:3770-3772.)提出一种带选择适应性的水下传感器网络分布式路由算法，能以实时性、灵活性更好地搜索出最优的节点转发路径。但是，上述方法均是在不存在协作节点的情况下，进行水声多跳通信网络的蚁群算法设计的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供可提高水声协作通信效率的一种基于蚁群算法的水声多跳协作通信网络路由选择方法。本专利技术包括以下步骤：1)选定源节点S和目的节点D；2)计算各节点间的距离di,j及节点间的最优工作频率fopt；3)初始化参数；在步骤3)中，所述初始化参数的具体方法可为：设定每轮搜索的蚂蚁数目为M只，搜索次数为N轮，两节点间可直接传输成功的距离阈值为dhop，两节点间需要协作传输的距离阈值为dcop，即当di,j<dhop时节点间可直接正确传输，当dhop<di,j<dcop时两节点间需要协作节点协助才能成功传输，且dhop<dcop；初始化各节点间信息素浓度，启发信息为两节点间距离的倒数；设置初始化当前搜索轮数n＝0，初始化当前蚂蚁编号m＝0；4)n＝n+1，将M只蚂蚁置于源节点，初始化各蚂蚁的禁忌表Tau；5)m＝m+1；6)当前蚂蚁位于节点i，计算蚂蚁转移到下一个节点j的概率，节点j从当前第m只蚂蚁的禁忌表Taum之外的节点中取得，若节点i和节点j之间的距离di,j<dhop或者dhop<di,j<dcop，且节点i和节点j之间存在协作节点C；7)蚂蚁m按照转盘策略转移至所选择的节点j，并根据节点间的距离di,j及节点间的最优工作频率fopt计算出该跳的能量消耗代价函数Lm,(i,j)，同时将节点j加入禁忌表，重复步骤6)，直至蚂蚁m到达目的节点D，终止此蚂蚁的循环，并计算该路径的总能量消耗代价函数Lm，转到步骤8)；在步骤7)中，所述蚂蚁m按照转盘策略转移至所选择的节点j，并根据节点间的距离di,j及节点间的最优工作频率fopt，定义能量消耗为发送功率与接收功率的比值(陶强,黄友锐,凌六一,等.基于改进蚁群算法的水下传感器网络路由策略[J].微电子学与计算机,2015,05:59-62.)，此比值为采用最优工作频率fopt时发送功率对于距离di,j的衰减，则按照水声通信能量消耗模型(刘广钟，刘晓晖.基于节能的定向扩散水声传感器网络路由算法[J].计算机系统应用，2011,20(12):95-98.)计算出两节点的能量消耗U，以通信网络整体的能量消耗为代价函数寻找最优路径，计算出该跳的能量消耗代价函数Lm,(i,j)，同时将节点j加入禁忌表Taum；从节点i到节点j，若存在协作传输，则节点采取半功率发送，计算出各种可能的协作方案的能量消耗Lm,(i,j),Ck，找出能量消耗最小的那个方案，确定最优协作节点Ck。重复步骤6)，直至蚂蚁m到达目的节点D，终止此蚂蚁的循环，并计算该路径的总能量消耗代价函数Lm，转到步骤8)；适用于水声多跳协作通信网络的蚁群算法代价函数如下： L m , ( i , j ) = U ( d i , j ) + λ U ( d c k , j ) 1 + λ ]]>Lm＝∑Lm,(i,j)，其中Lm,(i,j)为蚂蚁m经过路径(i,j)的能量消耗代价函数，总能量消耗代价函数Lm等于每段路径的能量消耗代价函数相加，dck,j为协作节点Ck与下一节点j间的距离,当节点i和节点j之间需要协作节点时，λ＝1，否则λ＝0。8)信息素局部更新；在步骤8)中，所述信息素局部更新的具体方法可为：更新蚂蚁m经过的各路径上的信息素浓度，若m>M，转步骤9)，否则转步骤到5)，采用如下规则更新信息素： τ i j = ( 1 - ρ )本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于蚁群算法的水声多跳协作通信网络路由选择方法，其特征在于包括以下步骤：1)选定源节点S和目的节点D；2)计算各节点间的距离di,j及节点间的最优工作频率fopt；3)初始化参数；4)n＝n+1，将M只蚂蚁置于源节点，初始化各蚂蚁的禁忌表Tau；5)m＝m+1；6)当前蚂蚁位于节点i，计算蚂蚁转移到下一个节点j的概率，节点j从当前第m只蚂蚁的禁忌表Taum之外的节点中取得，若节点i和节点j之间的距离di,j<dhop或者dhop<di,j<dcop，且节点i和节点j之间存在协作节点C；7)蚂蚁m按照转盘策略转移至所选择的节点j，并根据节点间的距离di,j及节点间的最优工作频率fopt计算出该跳的能量消耗代价函数Lm,(i,j)，同时将节点j加入禁忌表，重复步骤6)，直至蚂蚁m到达目的节点D，终止此蚂蚁的循环，并计算该路径的总能量消耗代价函数Lm，转到步骤8)；8)信息素局部更新；9)信息素全局更新：找出本轮搜索中能量消耗最低的路径，即M只蚂蚁中Lm最小，更新本轮搜索最优路径上的信息素浓度，转到步骤4)，直到n>N，输出N轮搜索中能量消耗最低的路径，即全局最优解，结束程序。...

【技术特征摘要】
1.一种基于蚁群算法的水声多跳协作通信网络路由选择方法，其特征在于包括以下步骤：1)选定源节点S和目的节点D；2)计算各节点间的距离di,j及节点间的最优工作频率fopt；3)初始化参数；4)n＝n+1，将M只蚂蚁置于源节点，初始化各蚂蚁的禁忌表Tau；5)m＝m+1；6)当前蚂蚁位于节点i，计算蚂蚁转移到下一个节点j的概率，节点j从当前第m只蚂蚁的禁忌表Taum之外的节点中取得，若节点i和节点j之间的距离di,j<dhop或者dhop<di,j<dcop，且节点i和节点j之间存在协作节点C；7)蚂蚁m按照转盘策略转移至所选择的节点j，并根据节点间的距离di,j及节点间的最优工作频率fopt计算出该跳的能量消耗代价函数Lm,(i,j)，同时将节点j加入禁忌表，重复步骤6)，直至蚂蚁m到达目的节点D，终止此蚂蚁的循环，并计算该路径的总能量消耗代价函数Lm，转到步骤8)；8)信息素局部更新；9)信息素全局更新：找出本轮搜索中能量消耗最低的路径，即M只蚂蚁中Lm最小，更新本轮搜索最优路径上的信息素浓度，转到步骤4)，直到n>N，输出N轮搜索中能量消耗最低的路径，即全局最优解，结束程序。2.如权利要求1所述一种基于蚁群算法的水声多跳协作通信网络路由选择方法，其特征在于在步骤3)中，所述初始化参数的具体方法为：设定每轮搜索的蚂蚁数目为M只，搜索次数为N轮，两节点间可直接传输成功的距离阈值为dhop，两节点间需要协作传输的距离阈值为dcop，即当di,j<dhop时节点间可直接正确传输，当dhop<di,j<dcop时两节点间需要协作节点协助才能成功传输，且dhop<dcop；初始化各节点间信息素浓度，启发信息为两节点间距离的倒数；设置初始化当前搜索...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈友淦，金晓婷，吴剑明，汤煜荧，许肖梅，邓铖琦，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35