基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法技术

本发明专利技术涉及一种基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法，属于卫星通信领域，包括以下步骤：S1：根据中小型规模小卫星组网的特点，建立单层覆盖模型；S2：通过预分簇算法进行初始化分簇，将组网规划成若干个簇群；S3：确定每个簇群的簇首；S4：利用簇首的动态竞争半径，完成入簇过程；S5：在簇间数据传输阶段，利用改进的蚁群算法寻找到最优路径。本发明专利技术有效的延长了网络寿命，能够在数据传输阶段有效的降低组网的传输时延。组网的传输时延。组网的传输时延。

【技术实现步骤摘要】
基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法


[0001]本专利技术属于卫星通信领域，涉及一种基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法。

技术介绍

[0002]小卫星组网应用非常广泛，在智能交通、环境检测、全球通信、GPS导航、气象预测、环境与灾难检测、网络资源检测和军事应用等层面都有着非常好的优势。卫星组网的路由协议作为卫星组网通讯的核心，负担着星间数据传输的重任，影响着卫星组网的整体性能。因此，卫星组网路由技术的研究非常必要。
[0003]大规模小卫星组网利用足够多的小卫星，在地球表面形成一张通讯信息网，布置这种大规模小卫星组网费用昂贵。随着时间的推移，卫星硬件措施越来越发达，小卫星组网需要承载不同的功能和任务，因此现在已经趋向于多个小卫星组网协同工作的模式，由不同类型的小卫星组成不同的小卫星组网，分工合作，小卫星组网的规模由大型转向中小型。目前没有针对中小型规模小卫星组网的分簇路由方法。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法，包括以下步骤：
[0007]S1：根据中小型规模小卫星组网的特点，建立单层覆盖模型；
[0008]S2：通过预分簇算法进行初始化分簇，将组网规划成若干个簇群；
[0009]S3：确定每个簇群的簇首；
[0010]S4：利用簇首的动态竞争半径，完成入簇过程；
[0011]S5：在簇间数据传输阶段，利用改进的蚁群算法寻找到最优路径。
[0012]进一步，步骤S1中，针对卫星组网中不同的四种任务模式：源卫星到目的卫星一对一任务模式、源卫星到目的区域一对多任务模式、源区域到目的区域多对多任务模式、源区域到目的卫星多对一任务模式，建立的单层覆盖模型有四种不同的信息传输机制，具体包括：
[0013]一对一任务模式：源卫星a发送数据到目的卫星b，小卫星组网划分为多个区域即分簇，簇内源卫星a将信息发送给簇首卫星A，簇首卫星A将信息发送给簇首卫星E，簇首卫星E将数据发送给簇首卫星C，通过簇首卫星C传输给簇首卫星B，最后交付给目的卫星所在簇群的簇首卫星B，由簇首卫星B交付给目的卫星b；
[0014]一对多任务模式：源卫星a所监控的地面信息，需要发送给簇群Y中所有的卫星；小卫星组网划分为多个区域即分簇，源卫星a将信息发送给簇首卫星A，簇首卫星A将信息发送给簇首卫星E，簇首卫星E将数据发送给簇首卫星C，通过簇首卫星C传输给簇首卫星B，最后
交付给簇群Y的簇首卫星B，由簇首卫星B交付给区域内所有卫星；
[0015]多对一任务模式：簇群X中每个卫星所监控的地面信息，需要进行综合处理，处理完毕需要交付给簇群Y中的目的卫星b；小卫星组网划分为多个区域即分簇，簇群X中每个卫星所掌控的信息都传输给簇群X的簇首卫星A，由簇首卫星A进行综合处理，然后通过其他簇首卫星进行数据传输，最后交付给簇群Y的簇首卫星B，由卫星B交付给目的卫星b；
[0016]多对多任务模式：簇群X中每个卫星所监控的地面信息，需要进行综合处理，处理完毕需要交付给簇群Y中的每个卫星；小卫星组网划分为多个区域即分簇，簇群X中每个卫星所掌控的信息都传输给簇群X的簇首卫星A，由簇首卫星A进行综合处理，然后通过其他簇首卫星进行数据传输，最后交付给簇群Y的簇首卫星B，由卫星B交付给簇群中的每个卫星。
[0017]进一步，步骤S2中，根据卫星能量损耗模型得到最佳簇首数C
best
：
[0018][0019]式中，N为组网的卫星数量；M为小卫星组网的规模边长；ε
fs
表示自由模式传播模型能耗；ε
amp
表示多路径衰减模式传播模型的能耗；d
LM
表示低轨卫星到地面接收端的距离；
[0020]通过最佳簇首数C
best
，确定组网最合适的簇群数量，然后通过预分簇算法，将组网进行初始区域划分，避免出现簇首节点分布不均匀的问题。
[0021]进一步，所述预分簇算法步骤如下：
[0022]S21：将中小型规模的小卫星组网视作二维平面图，根据最佳簇首数量确定簇群数量，在图上划分出2C
best
个大小相等的正方形区域，进行一个初始分区，所述正方形区域的对角线长度不超过卫星信息传输直径，同时通过设定簇内成员的最大数MaxNum以及成员的最小数MinNum来控制簇内成员的数量：
[0023][0024][0025][0026]式中，N为组网的卫星数量；C
best
为小卫星组网的最佳簇首数量；a和b为加权因子；
[0027]S22：对初始簇群进行扩展，设定条件限制新形成的簇群，直到所有卫星都分区完成；
[0028]S23：将所有簇群放入到集合M＝{C1，C2，C3，C4…
}中，然后对初始分簇后卫星节点数目进行调整。
[0029]进一步，步骤S23中所述对初始分簇后卫星节点数目进行调整，具体步骤如下：
[0030]S231：遍历集合M，找出簇内成员个数小于MinNum的簇群，若找到C
i
中成员节点的个数小于MinNum，则进行步骤S232并在M中删去C
i
；找不到则退出；
[0031]S232：从C
i
的邻居簇群集合K＝{C
a
，C
b
，C
c
，C
d
…
}中，按照簇群内卫星数从大到小的顺序选择一个簇群C
j
；在K中删去C
j
，进行步骤S233；若K中没有集合，则回到步骤S231；
[0032]S233：检查C
j
的成员个数，若C
i
与C
j
的成员个数Num
i
+Num
j
＞MaxNum，进行步骤S232，若C
i
与C
j
的成员个数Num
i
+Num
j
＜MaxNum，进行步骤S234；
[0033]S234：检查簇群区域长度，如果C
i
与C
j
合并后边长不符合对于边长的限制条件，进行步骤S232，如果C
i
与C
j
合并后边长符合对于边长的限制条件，进行步骤S235；
[0034]S235：合并C
i
与C
j
，更新C
i
＝C
i
+C
j
；在M中删去C
j
，若C
i
与C
j
的成员个数Num
i
+Num
j
＜MinNum，回本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：根据中小型规模小卫星组网的特点，建立单层覆盖模型；S2：通过预分簇算法进行初始化分簇，将组网规划成若干个簇群；S3：确定每个簇群的簇首；S4：利用簇首的动态竞争半径，完成入簇过程；S5：在簇间数据传输阶段，利用改进的蚁群算法寻找到最优路径。2.根据权利要求1所述的基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法，其特征在于：步骤S1中，针对卫星组网中不同的四种任务模式：源卫星到目的卫星一对一任务模式、源卫星到目的区域一对多任务模式、源区域到目的区域多对多任务模式、源区域到目的卫星多对一任务模式，建立的单层覆盖模型有四种不同的信息传输机制，具体包括：一对一任务模式：源卫星a发送数据到目的卫星b，小卫星组网划分为多个区域即分簇，簇内源卫星a将信息发送给簇首卫星A，簇首卫星A将信息发送给簇首卫星E，簇首卫星E将数据发送给簇首卫星C，通过簇首卫星C传输给簇首卫星B，最后交付给目的卫星所在簇群的簇首卫星B，由簇首卫星B交付给目的卫星b；一对多任务模式：源卫星a所监控的地面信息，需要发送给簇群Y中所有的卫星；小卫星组网划分为多个区域即分簇，源卫星a将信息发送给簇首卫星A，簇首卫星A将信息发送给簇首卫星E，簇首卫星E将数据发送给簇首卫星C，通过簇首卫星C传输给簇首卫星B，最后交付给簇群Y的簇首卫星B，由簇首卫星B交付给区域内所有卫星；多对一任务模式：簇群X中每个卫星所监控的地面信息，需要进行综合处理，处理完毕需要交付给簇群Y中的目的卫星b；小卫星组网划分为多个区域即分簇，簇群X中每个卫星所掌控的信息都传输给簇群X的簇首卫星A，由簇首卫星A进行综合处理，然后通过其他簇首卫星进行数据传输，最后交付给簇群Y的簇首卫星B，由卫星B交付给目的卫星b；多对多任务模式：簇群X中每个卫星所监控的地面信息，需要进行综合处理，处理完毕需要交付给簇群Y中的每个卫星；小卫星组网划分为多个区域即分簇，簇群X中每个卫星所掌控的信息都传输给簇群X的簇首卫星A，由簇首卫星A进行综合处理，然后通过其他簇首卫星进行数据传输，最后交付给簇群Y的簇首卫星B，由卫星B交付给簇群中的每个卫星。3.根据权利要求1所述的基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法，其特征在于：步骤S2中，根据卫星能量损耗模型得到最佳簇首数C
best
：式中，N为组网的卫星数量；M为小卫星组网的规模边长；ε
fs
表示自由模式传播模型能耗；ε
amp
表示多路径衰减模式传播模型的能耗；d
LM
表示低轨卫星到地面接收端的距离；通过最佳簇首数C
best
，确定组网最合适的簇群数量，然后通过预分簇算法，将组网进行初始区域划分，避免出现簇首节点分布不均匀的问题。4.根据权利要求1所述的基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法，其特征在于：所述预分簇算法步骤如下：S21：将中小型规模的小卫星组网视作二维平面图，根据最佳簇首数量确定簇群数量，在图上划分出2C
best
个大小相等的正方形区域，进行一个初始分区，所述正方形区域的对角
线长度不超过卫星信息传输直径，同时通过设定簇内成员的最大数MaxNum以及成员的最小数MinNum来控制簇内成员的数量：数MinNum来控制簇内成员的数量：数MinNum来控制簇内成员的数量：式中，N为组网的卫星数量；C
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为小卫星组网的最佳簇首数量；a和b为加权因子；S22：对初始簇群进行扩展，设定条件限制新形成的簇群，直到所有卫星都分区完成；S23：将所有簇群放入到集合M＝{C1,C2,C3,C4…
}中，然后对初始分簇后卫星节点数目进行调整。5.根据权利要求4所述的基于分簇结构和改进蚁群算法的分簇路由方法，其特征在于：步骤S23中所述对初始分簇后卫星节点数目进行调整，具体步骤如下：S231：遍历集合M，找出簇内成员个数小于MinNum的簇群，若找到C
i
中成员节点的个数小于MinNum，则进行步骤S232并在M中删去C
i
；找不到则退出；S232：从C
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的邻居簇群集合K＝{C
a
,C
b
,C
c
,C
d
…
}中，按照簇群内卫星数从大到小的顺序选择一个簇群C
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；在K中删去C
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，进行步骤S233；若K中没有集合，则回到步骤S231；S233：检查C
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的成员个数，若C
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与C
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的成员个数Num
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+Num
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>MaxNum，进行步骤S232，若C
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与C
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的成员个数Num
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+Num
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<MaxNum，进行步骤S234；S234：检查簇群区域长度，如果C
i
与C
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合并后边长不符合对于边长的限制条件，进行步骤S232，如果C
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与C
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合并后边长符合对于边长的限制条件，进行步骤S235；S235：合并C
i
与C
j
，更新C
i
＝C
i
+C
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【专利技术属性】
技术研发人员：苏畅，谢显中，严杨志，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：