一種基于北斗定位系統的新型無線傳感器網絡路由算法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線傳感器網絡路由設計，具體說是基于北斗定位系統的新型無線傳 感器網絡路由算法。
【背景技術】
[0002] 作為一種新的信息獲取方式和處理模式，無線傳感器網絡（簡稱WSN)正受到越來 越多的關注，其應用已經由最初的軍事領域擴展到反恐、防爆、環境監測等其他眾多領域， 能完成傳統系統無法完成的任務。隨著對無線傳感器網絡研究和應用的深入，不同業務對 網絡服務范圍和質量（QoS)提出了不同的要求。因此，多約束QoS路由是解決該問題的關 鍵技術之一。
[0003] 蟻群優化算法（AC0)是利用信息素來正反饋的原理尋得最優路徑，將蟻群優化算 法應用到多約束QoS路由中能減少控制包的發送量，節約能量開銷。
[0004] 螞蟻的運動方向不受擁擠度的限制，將魚群算法中的擁擠度的概念引入到蟻群算 法中，提出了基于蟻群和魚群的混合優化算法，提高了收斂速度。同時，由于蟻群和魚群的 混合優化算法的初始收斂慢的主要原因在于搜索方向的盲目性，造成大量的無效搜索。我 國北斗定位系統的主要功能就是快速定位，在服務區域內能全天候、高精度快速確定用戶 所在的地理位置。因此，將北斗定位系統用于獲取蟻群和魚群的混合優化算法的方向因子， 提高了算法的收斂速度。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是在現有的無線傳感器網絡路由算法的基礎之上，提供了一種基于 北斗定位系統的新型無線傳感器網絡路由算法。
[0006] 本發明的目的是按以下方式實現的，首先將無線傳感器網絡路由用無向賦權圖 G (V，E)表示，其中項點集合V表示網絡節點，邊集合表示網絡中的連接節點的通信鏈路集， 采用蟻群優化算法設計出無線傳感器網絡路由布局；其次，對蟻群優化算法進行改進，主要 是將應用北斗衛星獲取方向因子和傳遞簇間路由信息，對蟻族進行優化改進，并將改進生 的蟻群優化算法應用到無線傳感器網絡路由中。具體算法如下：
[0007] -個無線傳感網絡可用一無向賦權圖G(V，E)表示，其中頂點表示網絡節點，邊表 示網絡中鏈接節點的通信鏈路集。設P = P (s，d)為從源節點s到目的節點d的一條路徑， e為路徑P上的一條鏈路。
[0008] 首先，確定無線傳感器網絡的目標函數
[0010] f\(e)，f2(e)，f3(e)，f4(e)分別為鏈路e上的時延、成本、丟包率和帶寬。
[0011] Wl，i = 1，2, 3,4,分別為延時、成本、丟包率和帶寬的權重系數。
[0012] 其次，設計網絡拓撲圖。
[0013] 初始化，分簇布撒傳感器，并指定簇首，且節點通過北斗導航系統定位。刪除該網 絡中單條鏈路中不滿足A (e) < Si要求的鏈路（如刪去網絡中不滿足最小帶寬的鏈路）， 得到一個新的網絡拓撲圖A，然后基于&開始搜索。
[0014] 最后，應用改進的蟻群優化算法設計路由。
[0015] 改進的蟻群優化算法如下：
[0016] 步驟1 :令r = 0時，對所有路段上的信息素給定初始值τ ^ (〇) = A (A為常數）；
[0017] 設定最大搜索周期數為R，固定迭代次數為I，螞蟻個數為n，一次搜索的最多時間 約束為T，最優目標數值為Y，為無窮大，解集為空。
[0018] 步驟2 :確實轉移概率如下所示：
[0019] 集合allowedk= {0,1，. . .，n-l}_tabu 1<表示螞蟻k下一步允許選擇的節點集， 七&13叫表示螞蟻k在本次循環中已經走過節點的集合，該集合隨進化過程動態調整；
[0020] τ 為第t個搜索周期內節點i，j之間的路段上的信息素，代表最優解的趨 向；
[0021] 將北斗衛星獲取網絡節點i和網絡節點j在整個網絡拓撲中的位置，得到公式（1) 中的參數njt)和Cosby
[0022] ruJt)為啟發函數，有 ，其中屯表示第i個節點到第j個節點之間的距 離；
[0023] cos^j, it= ijit/(| ij | | it|)，表示當前節點i到下一個節點j與當前節點i到下 一個節點t兩個方向的夾角的余弦值。
[0024] α表示軌跡的相對重要性，反映了螞蟻在運動過程中所積累的信息在螞蟻運動時 所起的作用；β表示能見度的相對重要性，反映了螞蟻在運動過程匯總啟發式因子在螞蟻 選擇路徑中的重視程度。
[0025] 步驟3 :將魚群的擁擠度應用到蟻群算法中，ΒΡ :
[0026] 螞蟻按照上述轉移概率選擇預計轉移路徑后，計算該路徑當時的擁擠度q1]:
[0028] 如果qi ] (t) < δ (t)，則表示路徑不太擁擠，螞蟻選擇該路徑從位置i轉移到位置 j ;否則，表示該路徑過于擁擠，螞蟻則在可行領域內重新隨機選擇一條路徑進行轉移。
[0029] 其中δ⑴表示t時刻的擁擠度閥值，并按下式進行更新：δ⑴=1-2 "，其中， c為閥值變換系數。
[0030] 步驟4 :每只螞蟻經過η個時刻訪問完所有節點后，對信息素濃度進行更新，即
[0031] 其中Ρ表示原信息素濃度保留程度；
[0032] 表示螞蟻k在本次循環中在路徑ij上留下的信息素濃度。當螞蟻k在本次循 環中經過ij，則
其中Q為常數；
[0033] 1^表示螞蟻k在本次循環中選擇的路徑長度，如果螞蟻k在本次循環中未經過i j， 則
[0034] 步驟5 :計算本周期內所有螞蟻走過的路徑的目標函數值y (pk)，k = 1，2, . . .，n， 其中
[0035] #為本次循環中第k只螞蟻從源節點到目的節點所走的路徑。
[0036] 步驟6:求出
[0037] 若到目前為止迭代的次數是固定迭代次數1的整數倍，則用全局最優路徑來更新 解集；否則，從本次迭代所產生的路徑中選出目標函數值最小的路徑，根據路徑來更新解 集。
[0038] 步驟7 :令r = r+Ι，當r < R時，轉到步驟三，繼續進行下一輪搜索；否則，算法終 止。
[0039] 步驟8 :輸出解集中的路徑，即為QoS請求的最優路徑。若Y為無窮大，則該QoS請 求的路徑不存在。
[0040] 本發明的優異效果如下：該發明采用分簇布撒傳感器節點的方法，一方面應用中 國北斗二號導航定位系統的定位功能獲得節點地理信息，另一方向利用北斗的通信功能實 現簇間遠距離通信，從而減少了搜索的盲目性和控制包發送的信息量，節省了消耗。
【附圖說明】
[0041] 本發明有如下附圖：
[0042] 圖1 :北斗衛星作為分簇路由幀中繼的拓撲結構；圖2 :網絡拓撲圖。
【具體實施方式】
[0043] 參照說明書附圖對本發明作以下詳細地說明。
[0043] 本發明是基于北斗定位系統的新型無線傳感器網絡路由算法，工作原理是將無線 傳感器網絡路由用無向賦權圖G(V，E)表示，其中頂點集合V表示網絡節點，邊集合表示網 絡中的連接節點的通信鏈路集。將改進的蟻群優化算法應用到無線網絡傳感器網絡中，從 而減少搜索盲目性，提高路由效率。
[0045] 該發明包括三部分內容，其一是應用北斗定位系統對蟻群優化算法進行改進，其 二是將改進后的蟻群優化算法用于無線傳感器網絡路由中。其三是采用分簇路由，簇間信