专利名称：紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法
紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法技术领域
本发明属于紫外光通信技术领域，涉及一种优化路由的方法，具体涉及一种紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法。
背景技术：
随着网络多媒体技术的飞速发展，hternet上的多媒体应用层出不穷，如IP电话、视频会议、视频点播(VOD)、远程教育等多媒体实时业务、电子商务在hternet上传送等。Internet已逐步从单一的数据传送网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。这些不同的应用需要有不同的服务质量(QoS，Quality of Service)要求。QoS路由主要目标就是为接入业务选择满足其服务质量(如带宽、时延、时延抖动和分组丢失率等)要求的传输路径，同时保证网络资源的有效利用。QoS路由是解决QoS问题的一项关键技术。 无线网络中QoS路由问题的研究已有很多，但基于紫外光通信的还很少。
紫外光通信就是把紫外光作为信息传输的载体，将需要传输的信息加载到紫外光上，以实现信息的发送和接收。无线网状网络(WMN，Wireless Mesh Networks)是一种高容量、高速率的分布式无线网络。经典的WMN主要都是基于无线电频率段的，但随着客户端对各种业务需求的增加，现有的无线网络在带宽和传输速率上面临着巨大的挑战。而紫外光通信由于具有非视距通信、低窃听率、日盲、可全天候工作以及高速传输等优点，能够成为 WMN的理想传输介质。
蚁群算法(ACA，Ant Colony Algorithm)是在20世纪90年代，意大利学者 M. Dorigo等由于受到生物进化机制的启发，通过模拟自然界蚂蚁搜索食物与蚁穴间路径的行为，提出来的一种新型模拟进化算法，它是一种用来在图中寻找最优化路径的机率型算法，并且是群智能理论研究领域的一种主要算法。现有的WMN路由算法因网络大小和用途不同而没有统一的评价标准，然而蚁群算法由于具有分布式计算，正反馈，贪婪启发式搜索以及较强的鲁棒性等优良性质在研究WMN路由算法中有着光明的应用前景。
QoS路由算法是无线网络研究的重点之一，主要目的是在分布的网络中寻找最优路径，即要求从源节点到达目的节点，满足所有的约束条件，达到花费最小或特定的服务水平。一方面由于无线网络自身存在能量和带宽等资源有限等特点，使得在无线网络中实现多约束的QoS业务比在有线网络中困难；另一方面由于紫外通信特有的特性，例如，紫外光的非视距通信方式会增加链路的通信延时，紫外光的全方位性造成通信链路间的干扰和通信时发送接收角度的不同都会导致误码率的增大，紫外光通信中障碍物的阻挡造成单向通信链路等等，如
图1所示为紫外光通信方式图，视距通信LOS中，发射端光源以发散角Φ ！向空间发出光信号，接收器以视场角Φ2进行接收，两个角度共同的重叠区域为有效散射区域 V;非视距通信NLOS中，发送端的发散角为Ct1，发射仰角为Q1，接收端的视场角φ2，接收仰角为θ 2，发送端和接收端的距离为r ；这些通信特性使得基于紫外光的无线网络中的QoS 路由方法不同于其它的传统无线网络。因此需要结合紫外光的传输特性，设计出适合紫外光通信的QoS路由算法。发明内容
本发明的目的是提供一种紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法，解决了现有QoS路由算法不能直接适用到基于紫外光通信的缺点。
本发明所采用的技术方案是，紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法，具体按照以下步骤实施
步骤1 初始化网络，输入带宽、延时、误码率的约束条件，以及迭代次数和每次蚂蚁迭代的个数，构造基于紫外光通信的无线Mesh网络拓扑结构；
步骤2 转移概率的设置；
步骤3 删减路径，记录tabuk表；
步骤4 从源节点寻找下一跳节点；
步骤5 从目的节点开始重新寻找返回源节点路径；
步骤6 完成迭代次数，找到最优路径。
本发明的特点还在于，
其中的步骤1具体按照以下步骤实施
将无线Mesh网络看成无向带权连通图，设G<V，E>表示无线Mesh网络，其中V表示节点集，E表示链路集，s e V为源节点，d e V为目的节点，R+表示正实数集；
对于任意链路e e E，定义三种度量，分别为
(1)延时函数delay(e) :E — R+，延时指分组从源节点通过网络到达目的节点所花的时间，延时是影响网络传输质量下降的因素；
(2)带宽函数bandwidth (e) :E — R+，带宽指在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率，它是减少端到端延迟的决定因素；
(3)误码率函数bit_err0r_rati0 (e) =E — R+，误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标，误码率等于传输中的误码数与所传输总码数的比值；
对于给定的源节点S e V,目的节点d e V，S到d的路径P(s，d)存在下列关系
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)
紫外无线Mesh网络的基于蚁群的QoS优化路由方法约束条件为
(1)带宽约束 bandwidth (P (s，d))彡 Bmin ；
(2)延时约束:delay (P(s，d))彡 Dmax ；
(3)误码率约束bit_error_ratio (P (s，d)) ( BERmax ；
其中，Bmin，Dmax和BERmax分别是路径P (s，d)的带宽，延时和误码率约束，采用6个节点的网络结构模型，网络中各个边的特性用三元组(d，b，ber)描述，其中，d，b，ber分别表示延时，带宽和误码率，S- > m2与m2- > m4采用非视距通信方式，其它链路为视距通信方式。
其中的步骤2具体按照以下步骤实施
Ρ (0表示在t时刻蚂蚁t由节点i转移到节点j的概率，
权利要求
1.紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施步骤1 初始化网络，输入带宽、延时、误码率的约束条件，以及迭代次数和每次蚂蚁迭代的个数，构造基于紫外光通信的无线Mesh网络拓扑结构； 步骤2 转移概率的设置； 步骤3 删减路径，记录tabuk表； 步骤4 从源节点寻找下一跳节点； 步骤5 从目的节点开始重新寻找返回源节点路径； 步骤6 完成迭代次数，找到最优路径。
2.根据权利要求1所述的紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法，其特征在于，所述的步骤1具体按照以下步骤实施将无线Mesh网络看成无向带权连通图，设G<V，E>表示无线Mesh网络，其中V表示节点集，E表示链路集，s e V为源节点，d e V为目的节点，R+表示正实数集； 对于任意链路e e E，定义三种度量，分别为(1)延时函数delay(e) :E — R+，延时指分组从源节点通过网络到达目的节点所花的时间，延时是影响网络传输质量下降的因素；(2)带宽函数bandwidth(e) :E — R+，带宽指在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率，它是减少端到端延迟的决定因素；(3)误码率函数bit_error_ratio(e):E — R+，误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标，误码率等于传输中的误码数与所传输总码数的比值；对于给定的源节点s e V,目的节点d e V，s到d的路径P (s，d)存在下列关系 delay{P{s,d)) - ^ delay{e)，
3.根据权利要求1所述的紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法，其特征在于，所述的步骤2具体按照以下步骤实施P;⑴表示在t时刻蚂蚁t由节点i转移到节点j的概率，
4.根据权利要求1所述的紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法，其特征在于，所述的步骤3具体按照以下步骤实施根据每条边(d，b，ber)上的带宽b删减不满足约束条件带宽约束bandwidth (P(s,d)) ^ Bmin的边，以及误码率ber删减不满足约束条件误码率约束bit_err0r_rati0(P(S，d))彡BERmax的边；将源节点置于tabuk表中，其中k =1,2,…，m，m为网络中蚂蚁个数。
5.根据权利要求1所述的紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法，其特征在于，所述的步骤4具体按照以下步骤实施根据转移概率选择下一跳节点，重复本步骤直到m只蚂蚁都找到目的节点或者没有下一跳节点可走时。
6.根据权利要求1所述的紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法， 其特征在于，所述的步骤5具体按照以下步骤实施经过At时刻，m只蚂蚁都完成一个循环后，从目的节点开始，在信息素表中查看是否有蚂蚁到达该节点前一跳的路径， 若不存在，说明此处存在单向链路，广播蚂蚁寻找到达该节点前一跳的路径；依据概^------ ,7 G alloweak,hit)和信息素增加公式=率转移公式
7.根据权利要求1所述的紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法，其特征在于，所述的步骤6具体按照以下步骤实施清空tabuk表，重新开始让蚂蚁从S节点出发， 做以上相同的动作，直到达到设定的迭代次数K次迭代都完成，从而找到最优路径。
全文摘要
本发明公开了紫外无线Mesh网络中基于蚁群的QoS优化路由方法，首先在研究紫外光通信特性的基础上，构造了基于紫外光的无线Mesh网络拓扑结构图；其次，根据不同的QoS约束条件设置蚁群算法的概率公式；然后结合紫外传输特性和蚁群算法的分布式计算，正反馈，贪婪启发式搜索以及较强的鲁棒性等优良性质，提出了一种紫外无线Mesh网络中基于蚁群算法的QoS优化路由方法；最后在Matlab仿真软件中分别对新算法和经典的最短路径Dijkstra算法进行仿真比较，分析了新方法的性能和优势。本发明方法解决了现有QoS路由算法不能直接适用到基于紫外光通信的缺点。
文档编号H04W84/18GK102523162SQ20111042604
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者于晓东, 吴长丽, 柯熙政, 王小瑞, 赵太飞 申请人:西安理工大学