專利名稱：紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法
紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于紫外光通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種優(yōu)化路由的方法，具體涉及一種紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法。
背景技術(shù)：
隨著網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，hternet上的多媒體應(yīng)用層出不窮，如IP電話、視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播(VOD)、遠(yuǎn)程教育等多媒體實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、電子商務(wù)在hternet上傳送等。Internet已逐步從單一的數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)向數(shù)據(jù)、語音、圖像等多媒體信息的綜合傳輸網(wǎng)演化。這些不同的應(yīng)用需要有不同的服務(wù)質(zhì)量(QoS，Quality of Service)要求。QoS路由主要目標(biāo)就是為接入業(yè)務(wù)選擇滿足其服務(wù)質(zhì)量(如帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)和分組丟失率等)要求的傳輸路徑，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用。QoS路由是解決QoS問題的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 無線網(wǎng)絡(luò)中QoS路由問題的研究已有很多，但基于紫外光通信的還很少。
紫外光通信就是把紫外光作為信息傳輸?shù)妮d體，將需要傳輸?shù)男畔⒓虞d到紫外光上，以實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送和接收。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(WMN，Wireless Mesh Networks)是一種高容量、高速率的分布式無線網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)典的WMN主要都是基于無線電頻率段的，但隨著客戶端對各種業(yè)務(wù)需求的增加，現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)在帶寬和傳輸速率上面臨著巨大的挑戰(zhàn)。而紫外光通信由于具有非視距通信、低竊聽率、日盲、可全天候工作以及高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，能夠成為 WMN的理想傳輸介質(zhì)。
蟻群算法(ACA，Ant Colony Algorithm)是在20世紀(jì)90年代，意大利學(xué)者 M. Dorigo等由于受到生物進(jìn)化機(jī)制的啟發(fā)，通過模擬自然界螞蟻搜索食物與蟻穴間路徑的行為，提出來的一種新型模擬進(jìn)化算法，它是一種用來在圖中尋找最優(yōu)化路徑的機(jī)率型算法，并且是群智能理論研究領(lǐng)域的一種主要算法?，F(xiàn)有的WMN路由算法因網(wǎng)絡(luò)大小和用途不同而沒有統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然而蟻群算法由于具有分布式計(jì)算，正反饋，貪婪啟發(fā)式搜索以及較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)良性質(zhì)在研究WMN路由算法中有著光明的應(yīng)用前景。
QoS路由算法是無線網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)之一，主要目的是在分布的網(wǎng)絡(luò)中尋找最優(yōu)路徑，即要求從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，滿足所有的約束條件，達(dá)到花費(fèi)最小或特定的服務(wù)水平。一方面由于無線網(wǎng)絡(luò)自身存在能量和帶寬等資源有限等特點(diǎn)，使得在無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)多約束的QoS業(yè)務(wù)比在有線網(wǎng)絡(luò)中困難；另一方面由于紫外通信特有的特性，例如，紫外光的非視距通信方式會(huì)增加鏈路的通信延時(shí)，紫外光的全方位性造成通信鏈路間的干擾和通信時(shí)發(fā)送接收角度的不同都會(huì)導(dǎo)致誤碼率的增大，紫外光通信中障礙物的阻擋造成單向通信鏈路等等，如
圖1所示為紫外光通信方式圖，視距通信LOS中，發(fā)射端光源以發(fā)散角Φ ！向空間發(fā)出光信號，接收器以視場角Φ2進(jìn)行接收，兩個(gè)角度共同的重疊區(qū)域?yàn)橛行⑸鋮^(qū)域 V;非視距通信NLOS中，發(fā)送端的發(fā)散角為Ct1，發(fā)射仰角為Q1，接收端的視場角φ2，接收仰角為θ 2，發(fā)送端和接收端的距離為r ；這些通信特性使得基于紫外光的無線網(wǎng)絡(luò)中的QoS 路由方法不同于其它的傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)。因此需要結(jié)合紫外光的傳輸特性，設(shè)計(jì)出適合紫外光通信的QoS路由算法。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法，解決了現(xiàn)有QoS路由算法不能直接適用到基于紫外光通信的缺點(diǎn)。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法，具體按照以下步驟實(shí)施
步驟1 初始化網(wǎng)絡(luò)，輸入帶寬、延時(shí)、誤碼率的約束條件，以及迭代次數(shù)和每次螞蟻迭代的個(gè)數(shù)，構(gòu)造基于紫外光通信的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
步驟2 轉(zhuǎn)移概率的設(shè)置；
步驟3 刪減路徑，記錄tabuk表；
步驟4 從源節(jié)點(diǎn)尋找下一跳節(jié)點(diǎn)；
步驟5 從目的節(jié)點(diǎn)開始重新尋找返回源節(jié)點(diǎn)路徑；
步驟6 完成迭代次數(shù)，找到最優(yōu)路徑。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，
其中的步驟1具體按照以下步驟實(shí)施
將無線Mesh網(wǎng)絡(luò)看成無向帶權(quán)連通圖，設(shè)G<V，E>表示無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，其中V表示節(jié)點(diǎn)集，E表示鏈路集，s e V為源節(jié)點(diǎn)，d e V為目的節(jié)點(diǎn)，R+表示正實(shí)數(shù)集；
對于任意鏈路e e E，定義三種度量，分別為
(1)延時(shí)函數(shù)delay(e) :E — R+，延時(shí)指分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所花的時(shí)間，延時(shí)是影響網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量下降的因素；
(2)帶寬函數(shù)bandwidth (e) :E — R+，帶寬指在單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)到另一點(diǎn)所能通過的最高數(shù)據(jù)率，它是減少端到端延遲的決定因素；
(3)誤碼率函數(shù)bit_err0r_rati0 (e) =E — R+，誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)，誤碼率等于傳輸中的誤碼數(shù)與所傳輸總碼數(shù)的比值；
對于給定的源節(jié)點(diǎn)S e V,目的節(jié)點(diǎn)d e V，S到d的路徑P(s，d)存在下列關(guān)系
delay(P(s,d)) = ^ delay{e) ，eeP (s,d)
bandwidth (P (s，d)) = min {bandwidth (e)，e e P(s, d)},
bit—error — ratio{P{s,d)) = I- (1 -bit_error — ratio(e))，eeP (s,d)
紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法約束條件為
(1)帶寬約束 bandwidth (P (s，d))彡 Bmin ；
(2)延時(shí)約束:delay (P(s，d))彡 Dmax ；
(3)誤碼率約束bit_error_ratio (P (s，d)) ( BERmax ；
其中，Bmin，Dmax和BERmax分別是路徑P (s，d)的帶寬，延時(shí)和誤碼率約束，采用6個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)邊的特性用三元組(d，b，ber)描述，其中，d，b，ber分別表示延時(shí)，帶寬和誤碼率，S- > m2與m2- > m4采用非視距通信方式，其它鏈路為視距通信方式。
其中的步驟2具體按照以下步驟實(shí)施
Ρ (0表示在t時(shí)刻螞蟻t由節(jié)點(diǎn)i轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)j的概率，
權(quán)利要求
1.紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法，其特征在于，具體按照以下步驟實(shí)施步驟1 初始化網(wǎng)絡(luò)，輸入帶寬、延時(shí)、誤碼率的約束條件，以及迭代次數(shù)和每次螞蟻迭代的個(gè)數(shù)，構(gòu)造基于紫外光通信的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 步驟2 轉(zhuǎn)移概率的設(shè)置； 步驟3 刪減路徑，記錄tabuk表； 步驟4 從源節(jié)點(diǎn)尋找下一跳節(jié)點(diǎn)； 步驟5 從目的節(jié)點(diǎn)開始重新尋找返回源節(jié)點(diǎn)路徑； 步驟6 完成迭代次數(shù)，找到最優(yōu)路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法，其特征在于，所述的步驟1具體按照以下步驟實(shí)施將無線Mesh網(wǎng)絡(luò)看成無向帶權(quán)連通圖，設(shè)G<V，E>表示無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，其中V表示節(jié)點(diǎn)集，E表示鏈路集，s e V為源節(jié)點(diǎn)，d e V為目的節(jié)點(diǎn)，R+表示正實(shí)數(shù)集； 對于任意鏈路e e E，定義三種度量，分別為(1)延時(shí)函數(shù)delay(e) :E — R+，延時(shí)指分組從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)所花的時(shí)間，延時(shí)是影響網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量下降的因素；(2)帶寬函數(shù)bandwidth(e) :E — R+，帶寬指在單位時(shí)間內(nèi)從網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)到另一點(diǎn)所能通過的最高數(shù)據(jù)率，它是減少端到端延遲的決定因素；(3)誤碼率函數(shù)bit_error_ratio(e):E — R+，誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)，誤碼率等于傳輸中的誤碼數(shù)與所傳輸總碼數(shù)的比值；對于給定的源節(jié)點(diǎn)s e V,目的節(jié)點(diǎn)d e V，s到d的路徑P (s，d)存在下列關(guān)系 delay{P{s,d)) - ^ delay{e)，
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法，其特征在于，所述的步驟2具體按照以下步驟實(shí)施P;⑴表示在t時(shí)刻螞蟻t由節(jié)點(diǎn)i轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)j的概率，
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法，其特征在于，所述的步驟3具體按照以下步驟實(shí)施根據(jù)每條邊(d，b，ber)上的帶寬b刪減不滿足約束條件帶寬約束bandwidth (P(s,d)) ^ Bmin的邊，以及誤碼率ber刪減不滿足約束條件誤碼率約束bit_err0r_rati0(P(S，d))彡BERmax的邊；將源節(jié)點(diǎn)置于tabuk表中，其中k =1,2,…，m，m為網(wǎng)絡(luò)中螞蟻個(gè)數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法，其特征在于，所述的步驟4具體按照以下步驟實(shí)施根據(jù)轉(zhuǎn)移概率選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，重復(fù)本步驟直到m只螞蟻都找到目的節(jié)點(diǎn)或者沒有下一跳節(jié)點(diǎn)可走時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法， 其特征在于，所述的步驟5具體按照以下步驟實(shí)施經(jīng)過At時(shí)刻，m只螞蟻都完成一個(gè)循環(huán)后，從目的節(jié)點(diǎn)開始，在信息素表中查看是否有螞蟻到達(dá)該節(jié)點(diǎn)前一跳的路徑， 若不存在，說明此處存在單向鏈路，廣播螞蟻尋找到達(dá)該節(jié)點(diǎn)前一跳的路徑；依據(jù)概^------ ,7 G alloweak,hit)和信息素增加公式=率轉(zhuǎn)移公式
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法，其特征在于，所述的步驟6具體按照以下步驟實(shí)施清空tabuk表，重新開始讓螞蟻從S節(jié)點(diǎn)出發(fā)， 做以上相同的動(dòng)作，直到達(dá)到設(shè)定的迭代次數(shù)K次迭代都完成，從而找到最優(yōu)路徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群的QoS優(yōu)化路由方法，首先在研究紫外光通信特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了基于紫外光的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；其次，根據(jù)不同的QoS約束條件設(shè)置蟻群算法的概率公式；然后結(jié)合紫外傳輸特性和蟻群算法的分布式計(jì)算，正反饋，貪婪啟發(fā)式搜索以及較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)良性質(zhì)，提出了一種紫外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于蟻群算法的QoS優(yōu)化路由方法；最后在Matlab仿真軟件中分別對新算法和經(jīng)典的最短路徑Dijkstra算法進(jìn)行仿真比較，分析了新方法的性能和優(yōu)勢。本發(fā)明方法解決了現(xiàn)有QoS路由算法不能直接適用到基于紫外光通信的缺點(diǎn)。
文檔編號H04W84/18GK102523162SQ20111042604
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者于曉東, 吳長麗, 柯熙政, 王小瑞, 趙太飛 申請人:西安理工大學(xué)