一种基于植物群落行为的无线传感器网络路由算法制造技术

一种基于植物群落行为的无线传感器网络路由算法，通过模拟植物群落的播种、生长、开花、结果的行为来优化无线传感器网络路由，包括以下步骤：步骤1，植物群落对无线传感器网络路由进行初始化；步骤2，植物群落在无线传感器网络中进行播种操作并计算植物植株的路由评价目标函数；步骤3，植物群落在无线传感器网络中进行生长操作并对路由进行随机搜索；步骤4，植物群落在无线传感器网络中进行开花操作并随机选择邻居植株的路由进行组合；步骤5，植物群落在无线传感器网络中进行结果操作并互相交换多个路由信息；步骤6，植物群落输出无线传感器网络最优路由并结束算法。本算法计算资源要求低、算法效率高、能量消耗低、拓展性好。拓展性好。拓展性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于植物群落行为的无线传感器网络路由算法


[0001]本专利技术属于计算机网络和人工智能领域，具体涉及一种基于植物群落行为的无线传感器网络路由算法。

技术介绍

[0002]无线传感器网络的节点之间以无线方式进行通信，采用自组织方式进行数据远程传输。无线传感器网络路由算法用于将源节点的数据包逐跳传输到目的节点，包括两个主要任务，即规划源节点和目的节点之间的最优单跳或多跳路径，并在该优化路径的网络节点上依次转发数据。任一无线传感器网络节点均具备恢复链路连接、位置定位、拓扑发现和路由决策能力，既可以感知环境、采集数据，也可以转发、中继数据。无线传感器网络中的路由算法应当是分布式的，路由策略包括单跳路由、多跳路由和全路径路由。
[0003]无线传感器网络路由算法能够发现是从源节点到目的节点之间的最优路径，数据包沿着该路由准确、高效、快速地到达目的节点。路由算法的策略和工作方法对无线传感器网络的性能具有极其显著的影响。通常将无线传感器网络路由算法分为几大类：拓扑结构路由、地理位置、层次路由、机会路由、数据中心路由和QoS感知路由。
[0004]基于拓扑结构的路由算法需要每个节点维护一张路由信息表，节点路由决策快，在网络稳定时可确保数据包的服务质量稳定可靠。但需要定期更新路由表以适应无线传感器网络拓扑的动态变化，从而产生更多的路由开销。
[0005]基于地理位置的路由算法无需节点存储全局路由信息，存储和处理开销较低，易于实现，可扩展性好。每个网络节点维护一张包含邻居节点位置信息的信息表，并定期更新该表，路由决策时主要通过共享网络节点的位置信息，可有效快速响应动态变化的网络拓扑。但使用地理信息进行数据转发对网络能源效率会产生负面影响。
[0006]层次路由又称为簇路由，即将若干传感节点划分为簇。每个簇根据特定的规则选择一个节点作为簇头，由簇头负责数据聚合、路由决策和数据转发等功能。簇内其他节点负责环境感知和数据采集任务。层次路由算法扩展性好，能效较高，包括LEACH和TEEN等算法。
[0007]机会路由是从邻居节点中选择一组节点，并按照特定规则从中选择一个节点进行发送数据，如发送成功则继续下一跳，如不成功则选择组内的另一个节点发送，直到数据成功传输或达到最大发送次数。机会路由提高了数据传输的可靠性，包括ExOR、EEOR、EDOR等算法。
[0008]数据中心路由算法依据属性命名来聚合数据，可消除数据冗余，降低能耗，包括泛洪路由、Gossiping路由、RUMO路由、定向传播路由和SPIN路由等。
[0009]QoS感知路由对无线传感网络设置QoS量化指标需求，包括端到端网络延迟，数据包优先级等。QoS感知路由可以获得更佳的传输质量，满足特定领域的路由QoS需求，包括SPEED感知路由算法等。
[0010]传统的无线传感器网络路由算法，具有以下缺点：
[0011]1、计算资源要求高。复杂的路由算法需要维持复杂的路由表，路由表的维护和更
新需要较多的计算资源。而无线传感器网络节点由于计算能力和存储容量的限制，难以承担复杂的路由计算，全网路由信息表也难以保存。
[0012]2、算法效率低。无线传感器网络路由算法在设计、运行、优化过程中所要考虑的因素比较多，包括节点能源限制、发射能量、局部拓扑信息、动态变化、可扩展性、复杂度、路由更新策略。设计不好的话，很容易影响算法的效率。
[0013]3、能量消耗大。复杂的路由算法往往需要消耗更多的能量，而无线传感器网络的能量受限，传感器节点多由电池提供能量，通常没有外部能源补充。因此，无线传感器网络路由算法需要考虑能量效率。
[0014]4、拓扑复杂。无线传感器网络拓扑会随着节点的动态加入、退出、失效而变化。无线传感器网络往往节点数量多，且网络节点通信范围有限，网络节点通常只保留局部拓扑信息。常规的路由算法并不适用于无线传感器网络，特别是大规模的无线传感器网络。

技术实现思路

[0015]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出了一种基于植物群落行为的无线传感器网络路由算法，设计合理，解决了现有技术的不足，不维护复杂的路由表，使用概率式启发算法，在提高算法效率的同时，降低了能量消耗和计算资源要求。
[0016]一种基于植物群落行为的无线传感器网络路由算法，它包括以下步骤：
[0017]步骤1，由植物群落对无线传感器网络路由进行初始化；采集无线传感器网络的路由参数作为植物群落算法的输入数据，用户根据路由计算任务要求初始化植物群落参数，并选择路由评价目标函数对植物群落算法的输出进行评估；
[0018]步骤2，由植物群落在无线传感器网络中进行播种操作并计算植物植株的路由评价目标函数；植物群落随机产生一组植物群落个体并分别编码成无线传感器网络路由的若干个可行解，每个可行解使用一系列二进制位串表示选择或未选择与二进制位对应的传感器节点；
[0019]步骤3，由植物群落在无线传感器网络中进行生长操作并对路由进行随机搜索；植物群落个体分别随机搜索新的传感器节点，并重新编码成无线传感器网络路由的若干个可行解，即修改植物群落个体的一部分二进制位；
[0020]步骤4，由植物群落在无线传感器网络中进行开花操作并随机选择邻居植株的路由进行组合；计算植物植株个体的路由评价目标函数，按路由评价目标函数对植物植株个体进行排序，并选择路由评价目标函数较优的植物植株个体；
[0021]步骤5，由植物群落在无线传感器网络中进行结果操作并互相交换多个路由信息；植物植株个体互相学习和交换传感器节点信息，并重新编码成无线传感器网络路由的若干个可行解，即互相交换植物群落个体的一部分二进制位；
[0022]步骤6，由植物群落输出无线传感器网络最优路由并结束算法；植物群落算法通过步骤2至步骤6的迭代计算，选择路由评价函数最优的植物植株个体作为无线传感器网络的最优路由。
[0023]在步骤1中，包括以下子步骤：
[0024]子步骤1
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1，初始化无线传感器网络路由参数和评价目标函数，包括无线传感器网络的节点数量，节点类型，节点的能量，节点发射功率，节点发射距离；清空无线传感器网络
的路由信息和路由评价目标函数；
[0025]子步骤1
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2，初始化植物群落参数，包括植物群落中植株种群的大小，植物植株个体的数值类型和数值大小，植物植株的路由评价目标函数，植物群落的生长变异概率，开花概率，结果概率；
[0026]植物群落种群大小，即植物群落中植物植株个体的数量；植株个体的数值类型，包括数值的整型，浮点型，布尔型，有符号数或无符号数，数据结构类型；植株个体的数值大小，即数值的表示范围，正数或负数；植物植株的路由评价目标函数，用于对无线传感器网络的路由绩效进行评估，包括无线传感器网络的传播距离，工作能耗，能源效率，带宽，数据传输率，丢包率，误码率，QoS，客户满意度，客户体验质量，可靠性；植物群落的生长变异概率，指植物植株在生长操作过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于植物群落行为的无线传感器网络路由算法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤1，由植物群落对无线传感器网络路由进行初始化；采集无线传感器网络的路由参数作为植物群落算法的输入数据，用户根据路由计算任务要求初始化植物群落参数，并选择路由评价目标函数对植物群落算法的输出进行评估；步骤2，由植物群落在无线传感器网络中进行播种操作并计算植物植株的路由评价目标函数；植物群落随机产生一组植物群落个体并分别编码成无线传感器网络路由的若干个可行解，每个可行解使用一系列二进制位串表示选择或未选择与二进制位对应的传感器节点；步骤3，由植物群落在无线传感器网络中进行生长操作并对路由进行随机搜索；植物群落个体分别随机搜索新的传感器节点，并重新编码成无线传感器网络路由的若干个可行解，即修改植物群落个体的一部分二进制位；步骤4，由植物群落在无线传感器网络中进行开花操作并随机选择邻居植株的路由进行组合；计算植物植株个体的路由评价目标函数，按路由评价目标函数对植物植株个体进行排序，并选择路由评价目标函数较优的植物植株个体；步骤5，由植物群落在无线传感器网络中进行结果操作并互相交换多个路由信息；植物植株个体互相学习和交换传感器节点信息，并重新编码成无线传感器网络路由的若干个可行解，即互相交换植物群落个体的一部分二进制位；步骤6，由植物群落输出无线传感器网络最优路由并结束算法；植物群落算法通过步骤2至步骤6的迭代计算，选择路由评价函数最优的植物植株个体作为无线传感器网络的最优路由。2.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，在步骤1中，包括以下子步骤：子步骤1
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1，初始化无线传感器网络路由参数和评价目标函数，包括无线传感器网络的节点数量，节点类型，节点的能量，节点发射功率，节点发射距离；清空无线传感器网络的路由信息和路由评价目标函数；子步骤1
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2，初始化植物群落参数，包括植物群落中植株种群的大小，植物植株个体的数值类型和数值大小，植物植株的路由评价目标函数，植物群落的生长变异概率，开花概率，结果概率；子步骤1
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3，清空数据集合，包括清空植物植株个体的路由节点集合，植物植株播种集合，植物群落开花集合，植物群落结果邻居对集合，具有最高排序优先级的植物植株；子步骤1
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4，初始化植物群落算法起始条件和终止条件，包括计算开始时间，计算结束时间或迭代计算次数限制，结束误差判断阈值。3.根据权利要求2所述的算法，其特征在于，所述植物群落种群大小，即植物群落中植物植株个体的数量；植株个体的数值类型，包括数值的整型，浮点型，布尔型，有符号数或无符号数，数据结构类型；植株个体的数值大小，即数值的表示范围，正数或负数；植物植株的路由评价目标函数，用于对无线传感器网络的路由绩效进行评估，包括无线传感器网络的传播距离，工作能耗，能源效率，带宽，数据传输率，丢包率，误码率，QoS，客户满意度，客户体验质量，可靠性；植物群落的生长变异概率，指植物植株在生长操作过程中数值有一定概率发生突变；植物群落的开花概率，指植物植株在开花操作过程中数值有一定概率被选择进行开花操作；植物群落的结果概率，指植物植株在结果过程中数值有一定概率互相学习
进行结果操作；植物植株播种集合，表示进行播种操作的植物植株个体集合；植物群落开花集合，表示进行开花操作的植物植株个体集合；植物群落结果邻居对集合，表示进行结果操作的多个植物植株个体配对的集合；具有最高排序优先级的植物植株，表示对应的植物植株个体具有最高的路由评价目标函数值。4.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，在步骤2中，包括以下子步骤：子步骤2
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1，随机生成植物群落中植株个体的初始值；按植物群落种群大小，随机生成一个植物植株播种集合，播种集合元素的个数即为植物群落种群大小，集合中每个元素即为植物植株个体；植物群落中植株个体的数值表示植物植株个体的路由节点集合，即为一种无线传感器网络路由，表示无线传感器网络中若干网络节点的拓扑连接方式，包括源节点和目的节点；子步骤2
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2，计算植物群落中植物植株个体的路由评价目标函数；子步骤2
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3，不断循环，直至植物群落中所有植物植株的路由评价目标函数计算完成；子步骤2
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4，对植物群落中所有植物植株的路由评价目标函数进行排序；优选地，路由评价目标函数计算数值较高的，具有较高的排序优先级；反之，路由评价目标函数计算数值较低的，具有较低的排序优先级；子步骤2
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5，选出具有最高排序优先级的植物植株，并根据其数值更新整个无线传感器网络路由信息。5.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，在步骤3中，包括以下子步骤：子步骤3
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1，单个植物植株个体按植物群落生长变异概率在无线传感器网络中随机搜索一个网络节点；子步骤3
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2，单个植物植株个体搜索能够连通该网络节点的新路由，并将该网络节点和新路由上的所有网络节点添加到该植物植株个体的路由节点集合中；子步骤3
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3，不断循环子步骤3
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1和子步骤3
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2，直至植物群落中所有植株完成一次随机搜索，每个植物植株均添加新路由和对应网络节点到各自的植物植株个体的路...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡政英，江珊，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：