基于蚁群模型的自由空间光网络路由方法技术

本发明专利技术提出了一种基于蚁群模型的自由空间光网络路由方法，用于解决现有技术中存在的因无法适应高速移动节点导致的时间延迟高和吞吐量低的技术问题，实现步骤为：邻居发现并在邻居路由表中记录相关信息；判断当前是否存在最优路径；根据蚁群模型，构建自由空间光网络的蚂蚁系统；按照蚁群模型的信息素最大规则，在自由空间光网络的蚂蚁系统中选择最优路径；建立源节点S到目的节点D的连接并向目的节点D传输数据。本发明专利技术利用蚁群模型对自由空间光网络进行了蚂蚁系统构建，优化了源节点数据包传播方式，对路径时延、可用带宽和跳数进行了多目标归一化并拟合，降低了时间延迟并提高了网络吞吐量，可用于高移动性自由空间光网络。

Routing algorithm for free space optical networks based on ant colony model

The invention provides a free space optical network routing method based on ant colony model, for solving the problems of the prior art because they cannot adapt to high-speed mobile nodes caused by time delay and high throughput and low technical problems, implementation steps: neighbor discovery and record the relevant information in the neighbor routing table to determine the current existence of the optimal path; according to the ant colony model; ant system, construction of free space optical network; ant colony pheromone model according to the maximum rule, select the optimal path in the ant system in free space optical network; a source node S and connect to the destination node D to the destination node D data transmission. The invention of free space optical network was constructed using ant system ant colony optimization model, the source node data packet transmission, the path delay, available bandwidth and hops are more normalized and fitting, reduces the time delay and improve the network throughput, high mobility can be used for free space optical network.

【技术实现步骤摘要】
基于蚁群模型的自由空间光网络路由方法
本专利技术属于通信
，涉及一种通信网络的路由方法，具体涉及一种基于蚁群模型的自由空间光网络的路由方法，可用于高移动性自由空间光网络。
技术介绍
自由空间激光通信(Free-Space-OpticalCommunication，FSO)是指在宽阔无障碍物的空间内(如大气和海洋等),利用无线激光作为通信载体，对多种形式的通信业务(如语音、视频、数据等)进行交流的一种通信手段。FSO有带宽高，无需频率许可，抗电磁干扰，保密性高，成本低廉的优点。自由空间光网络(FSON，Free-Space-OpticalCommunicationNetwork)是由多个FSO节点构成，通过FSO链路来满足多业务传输的需求的网络。FSON不仅继承了FSO的优势，而且结合了传统无线网络(如Mesh和Ad-Hoc网络)自组织性和独立组网的特点。此外，FSON采用波长较短的光波(典型值为266nm、850nm、1064nm、1550nm)为载波，通常其频带宽度比传统微波频带宽出数万倍，极具开发潜力；光束发散角很小，仅为10urad～1mrad，比微波束散角小3～5个数量级，光束集中，无旁瓣和尾瓣、方向性好，实际应用中拥有很高的能量密度也很难探测到链路的位置，除非通信链路被截断，否则数据难以外泄。FSON广泛应用于星际通信系统、地面商用系统和军事通信系统。路由是指在网络中快速准确寻找源节点S到目的节点D之间最佳通信路径并建立通信连接的技术。FSON路由是指在FSON中确定通信最佳路径的技术。目前，FSON中路由技术分为三类：主动式路由、按需式路由和混合式路由。主动式路由又称表驱动路由，拓扑变化时对全网广播，不论是否有通信需求都要定时交换路径信息。按需式路由也被称作反应式路由，相对于主动式路由，按需式路由是一种相对被动的方式，只有在有通信需求的情况下进行路由发现、路由选择、路由维护等步骤。这种方法不需要维护大量的路由表项，在牺牲了一定路由延迟的代价下极大的增加了网络的可扩展性，适用于动态移动性网络。混合式路由本质上结合了主动式路由和按需式路由的特点，当网络规模增大时对网络进行分簇，簇内采用主动式路由，簇间采用按需式路由，适用于大规模网络。在FSON路由中，由于无线光链路点对点连接的特殊性，导致FSON链路变化频繁，通常选择动态适应性较好的按需式路由。例如：Johnson等人在“DSR:thedynamicsourceroutingprotocolformulti-hopwirelessadhocnetworks”(AdHocNetworking，2002:139—172)中，提出一种动态源路由DSR协议的按需路由方式，该协议路由原理基于按需式路由，只在有新的通信需求时启动路由，路由步骤分为路由寻找和路由维护，在路由寻找阶段源节点确定传输路径并记录在数据包中，在路由维护阶段，源节点避免了路由中重复出现相同的转发节点，保证了路由的开环特性，支持了不对称链路存在。但是在节点高速移动情况下，DSR协议中对数据包洪泛的方式，增加了路由的时间延迟，导致网络吞吐量极其低下。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种适用于自由空间光网络路由方法，用于解决现有技术中存在的因无法适应高速移动节点导致的时间延迟高和吞吐量低的技术问题。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：(1)自由空间光网络中的每个节点，利用邻居发现算法寻找其通信范围内的节点，并将找到的节点的信息储存在邻居路由表中；(2)源节点S判断其邻居路由表中是否存在最优路径，若是，执行步骤(5)，否则，执行步骤(3)；(3)根据蚁群模型，构建自由空间光网络的蚂蚁系统：(3a)源节点S按照蚁群模型的状态转移规则，向八个互成45度的方向范围内的中间节点发送若干个前向蚂蚁数据包；(3b)中间节点记录接收到的前向蚂蚁数据包，并判断前向蚂蚁数据包中目的节点的ID是否为该中间节点的ID，若是，执行步骤(5)，否则，中间节点对前向蚂蚁数据包进行定向半洪泛，直到目的节点D收到该前向蚂蚁数据包，并执行步骤(3c)；(3c)目的节点D对收到的前向蚂蚁数据包中的路径时延、可用带宽和跳数进行归一化，并对归一化结果进行拟合，得到信息素增量值；(3d)目的节点D利用信息素增量值生成后向蚂蚁数据包，并删除前向蚂蚁数据包，再沿前向蚂蚁数据包经过的路径反向发送后向蚂蚁数据包，同时按照蚁群模型的信息素增加规则，对沿途各节点信息素值进行更新，得到更新后的信息素表；(3e)所有节点按照蚁群模型的信息素挥发规则，对所有节点更新后的信息素表中信息素值进行挥发，并根据挥发后的信息素值判断信息素值变化频率是否低于0.1，若是，得到自由空间光网络的蚂蚁系统，并执行步骤(4)，否则执行步骤(3a)；(4)源节点S按照蚁群模型的信息素最大规则，在自由空间光网络的蚂蚁系统中选择最优路径，得到源节点S到目的节点D的最优路径；(5)源节点S按照其到目的节点D的最优路径，建立源节点S到目的节点D的连接并向目的节点D传输数据。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：第一、本专利技术利用蚁群模型对自由空间光网络进行了蚂蚁系统构建，按照蚁群模型中的状态转移规则优化了源节点数据包传播方式，避免了同一种路由控制包被同一个节点多次收发，从而降低了路由控制包的数量，与现有技术相比，有效地降低了时间延迟，提高了网络吞吐量。第二、本专利技术对路径时延、可用带宽和跳数进行了多目标归一化并拟合，增加了信息素分布的准确度，使移动节点能够以较小的代价准确找到最优路径，与现有技术相比，有效提高了网络对高速移动节点的适应性，进一步降低了时间延迟，提高了网络吞吐量。附图说明图1为本专利技术的实现流程框图；图2为本专利技术的图论基础姚图；图3为本专利技术与现有技术的平均端到端时延和节点移动速度关系仿真对比图；图4为本专利技术与现有技术吞吐量和节点移动速度关系仿真对比图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步的详细描述：参照图1，基于蚁群模型的自由空间光网络路由方法，包括如下步骤：步骤1，自由空间光网络中的每个节点，利用邻居发现算法寻找其通信范围内的节点，并将找到的节点的信息储存在邻居路由表中；本步骤目的在于对由很多单个节点组成的原始网络进行初始化构造，所有节点进行本地信息搜集，生成其自己的邻居路由表，所有的邻居路由表共同形成一个基本路由信息集合，该集合包含了当前网络基本路由信息，作为下一步骤判断初步依据；步骤2，源节点S判断其邻居路由表中是否存在最优路径，若是，执行步骤5，否则，执行步骤3；判断在步骤1中得到的基本路由信息是否满足当前路由需要，即源节点邻居路由表中是否存在最优路径，如果满足则直接转步骤5，输出结果，否则继续进行下一步骤；步骤3，根据蚁群模型，构建自由空间光网络的蚂蚁系统：步骤3a，源节点S按照蚁群模型的状态转移规则，向八个互成45度的方向范围内的中间节点发送若干个前向蚂蚁数据包；其状态转移规则中的转移概率计算公式为：其中Pi(j)表示选择中间节点j作为下一跳的概率，φij表示中间节点j的信息素值，φis表示当前节点i所有可以到达目的节点的中间节点s的信息素值，β表示信息素启发值，Ni表示蚂蚁在节点i上可选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于蚁群模型的自由空间光网络路由方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)自由空间光网络中的每个节点，利用邻居发现算法寻找其通信范围内的节点，并将找到的节点的信息储存在邻居路由表中；(2)源节点S判断其邻居路由表中是否存在最优路径，若是，执行步骤(5)，否则，执行步骤(3)；(3)根据蚁群模型，构建自由空间光网络的蚂蚁系统：(3a)源节点S按照蚁群模型的状态转移规则，向八个互成45度的方向范围内的中间节点发送若干个前向蚂蚁数据包；(3b)中间节点记录接收到的前向蚂蚁数据包，并判断前向蚂蚁数据包中目的节点的ID是否为该中间节点的ID，若是，执行步骤(5)，否则，中间节点对前向蚂蚁数据包进行定向半洪泛，直到目的节点D收到该前向蚂蚁数据包，并执行步骤(3c)；(3c)目的节点D对收到的前向蚂蚁数据包中的路径时延、可用带宽和跳数进行归一化，并对归一化结果进行拟合，得到信息素增量值；(3d)目的节点D利用信息素增量值生成后向蚂蚁数据包，并删除前向蚂蚁数据包，再沿前向蚂蚁数据包经过的路径反向发送后向蚂蚁数据包，同时按照蚁群模型的信息素增加规则，对沿途各节点信息素值进行更新，得到更新后的信息素表；(3e)所有节点按照蚁群模型的信息素挥发规则，对所有节点更新后的信息素表中信息素值进行挥发，并根据挥发后的信息素值判断信息素值变化频率是否低于0.1，若是，得到自由空间光网络的蚂蚁系统，并执行步骤(4)，否则执行步骤(3a)；(4)源节点S按照蚁群模型的信息素最大规则，在自由空间光网络的蚂蚁系统中选择最优路径，得到源节点S到目的节点D的最优路径；(5)源节点S按照其到目的节点D的最优路径，建立源节点S到目的节点D的连接并向目的节点D传输数据。...

【技术特征摘要】
1.一种基于蚁群模型的自由空间光网络路由方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)自由空间光网络中的每个节点，利用邻居发现算法寻找其通信范围内的节点，并将找到的节点的信息储存在邻居路由表中；(2)源节点S判断其邻居路由表中是否存在最优路径，若是，执行步骤(5)，否则，执行步骤(3)；(3)根据蚁群模型，构建自由空间光网络的蚂蚁系统：(3a)源节点S按照蚁群模型的状态转移规则，向八个互成45度的方向范围内的中间节点发送若干个前向蚂蚁数据包；(3b)中间节点记录接收到的前向蚂蚁数据包，并判断前向蚂蚁数据包中目的节点的ID是否为该中间节点的ID，若是，执行步骤(5)，否则，中间节点对前向蚂蚁数据包进行定向半洪泛，直到目的节点D收到该前向蚂蚁数据包，并执行步骤(3c)；(3c)目的节点D对收到的前向蚂蚁数据包中的路径时延、可用带宽和跳数进行归一化，并对归一化结果进行拟合，得到信息素增量值；(3d)目的节点D利用信息素增量值生成后向蚂蚁数据包，并删除前向蚂蚁数据包，再沿前向蚂蚁数据包经过的路径反向发送后向蚂蚁数据包，同时按照蚁群模型的信息素增加规则，对沿途各节点信息素值进行更新，得到更新后的信息素表；(3e)所有节点按照蚁群模型的信息素挥发规则，对所有节点更新后的信息素表中信息素值进行挥发，并根据挥发后的信息素值判断信息素值变化频率是否低于0.1，若是，得到自由空间光网络的蚂蚁系统，并执行步骤(4)，否则执行步骤(3a)；(4)源节点S按照蚁群模型的信息素最大规则，在自由空间光网络的蚂蚁系统中选择最优路径，得到源节点S到目的节点D的最优路径；(5)源节点S按照其到目的节点D的最优路径，建立源节点S到目的节点D的连接并向目的节点D传输数据。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：苗佳智，尚韬，高妍，李谷峰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61