专利名称：一种无线多跳中继网络中节能路由及功率分配方法
技术领域：
本发明涉及网络通信技术领域，特别涉及一种无线多跳中继网络中节能路由及功率分配方法。
背景技术：
随着无线多跳中继网络的飞速发展，其应用范围越来越广。无线多跳中继网络所指的是一种特定的网络结构，它具有分布式控制、自组织、无中心的特点。并且由于无线多跳中继网络节点的传输范围有限，源节点在向目的节点发送数据时需要其他中继节点的辅助，一直以来，无线多跳中继网络研究的重点和难点主要存在于路由协议的设计上，也是无线多跳中继网络的设计重点。经过多年的研究，无线多跳中继网络路由协议得到了很大的发展，应用于各种特定场景的协议也在不断的被提出和改善。
当前，无线多跳中继网络的路由协议的主要设计目标是满足应用需求的同时尽量降低网络开销，取得资源利用的整体有效性。此类问题属于NP难问题(多项式复杂程度的非确定性问题)，传统的路由算法很难解决，可采用启发式算法来处理，而蚁群算法不依赖于具体问题的数学描述，具有很强的全局优化能力和本质上的并行性，是解决NP难问题的有效方法。
蚁群算法最初是通过对蚂蚁群落的观察，受蚁群行为特征启发而得出的。蚂蚁觅食过程通过个体之间的信息交流与相互协议最终找到从蚁穴到食物源的最短路径，与无线网络路由问题有着惊人的相似之处。因此，结合无线多跳中继网络环境进行引申，将蚂蚁觅食过程中的“蚁穴”和“食物源”当作网络中的源节点和目的节点，将蚂蚁的行为当作网络中的路由建立，蚁群算法中有一个蚂蚁决策表，它包括所有节点选择下一跳中继节点的转移概率和关于节点的本地信息，蚂蚁使用这个表来指导其搜索朝着搜索空间中最有吸引力的区域移动，这正是网络通信中路由表的形成过程。因此，蚁群算法能够应用于无线网络的路由，通过信息素的释放寻找并维护从源节点到达目的节点的最优路由，按照信息素的挥发算法不断对各中继节点的信息素值进行更新，以适应网络动态变化的需要。目前已有许多基于蚁群优化的路由算法被提出，如ARA，ARAMA, AntHocNet等。
目前，网络中出现的典型路由协议其传统的实现机制是在源和宿节点间选择一条固定的路径，在整个传输过程中均使用这条路径传输，直至此次传输完毕。在链路状况比较好的时候，传统的路由机制能够正常工作。但是，无线信道的不稳定性经常会导致节点传输范围的瞬间变化，并且节点的移动或是开关机也会导致下一跳节点不可达，就会导致频繁的MAC层的确认、重传现象，进而引起路由层路由维护过程或路由更新过程，在无线信道质量变差或者节点间相互距离正好处于临界覆盖范围的情况下这种现象更为严重。这种链路的不可靠性和不稳定性会导致很大的路由维护开销，还会造成上层业务出现很大的时延或大量的丢包现象。
此外，随着人们对蚁群算法等启发式算法的深入研究，蚁群算法应用于解决路由问题也越来越多。但是，现有基于蚁群算法的路由协议仍存在 一些缺点第一，当前使用蚁群算法进行路由的主要考虑因素仍是路由跳数，少数路由算法考虑节点剩余能量、节点发射功率、节点间传输干扰和链路传输速率；第二，现有蚁群算法自身存在收敛速度慢和易陷入局部最优解的缺点，降低了路由算法的性能；第三，由于网络层和MAC层是完全脱离的， 网络层无法感知物理层链路的情况，不能在选路时候考虑利用链路的效率、能量及干扰等因素。发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种路由方法，解决无线多跳中继网络存在的网络吞吐量低、功率动态分配和能量使用效率低的问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种无线多跳中继网络中节能路由及功率分配方法，其特征是，该方法包括以下步骤
S1:随机建立初始化路由，对所述初始化路由建立过程中的信息素进行更新，进入步骤S2 ；
S2 :通过设定方法建立路由，对所述路由中的信息素更新；
S3 :重复执行步骤S2第一设定次数后进入步骤S4 ；
S4 :根据所述路由中的信息素得到最优路由，更新所述设定方法的指定参数；若指定参数的更新次数小于第二设定次数，返回步骤S2;否则，此时的最优路由就为最终的路由。
所述信息素通过节点发射功率、链路速率和路径信息求得。
对所述随机路由中的信息素进行更新具体为
Sll :通过贪婪算法对所述节点发射功率和链路速率进行分配；
S12 :在所述节点发射功率和链路速率的基础上得到对应的链路；当所述链路满足发射功率门限和干扰门限时，对所述链路分配节点发射功率和链路速率；
S13:根据所述链路分配节点发射功率和链路速率对所述路径信息进行更新。
所述步骤S2具体为
S21 :通过设定方法建立路由；
S22 :通过贪婪算法对所述节点发射功率和链路速率进行分配；
S23 :在所述节点发射功率和链路速率的基础上得到对应的链路；当所述链路满足发射功率门限和干扰门限时，对所述链路分配节点发射功率和链路速率；
S24:根据所述链路分配节点发射功率和链路速率对所述路径信息进行更新。
根据所述路由中 的信息素得到最优路由，更新所述设定方法的指定参数具体为
S41 :根据所述节点发射功率、链路速率和路径信息计算每条路径的适应度函数值，得到最大的适应度函数值对应的最优路由和该最优路由的节点发射功率和链路速率；
S42 :通过粒子群算法更新所述设定方法的指定参数。
所述设定方法为蚁群算法。
(三)有益效果
本发明通过贪婪算法对所述节点发射功率和链路速率进行分配得到链路；通过发射功率门限和干扰门限条件对链路分配节点发射功率和链路速率；根据链路分配节点发射功率和链路速率对所述路径信息进行更新；根据节点发射功率、链路速率和路径信息计算每条路径的总传输速率，得到最大的总传输速率对应的最优路由。本发明综合考虑了网络节点剩余能量、有限的节点发射功率、节点间干扰及链路传输速率等因素，以最大化全局路由传输速率为优化目标，随着网络环境变化动态地建立路由和调整节点发射功率，从而提高了网络吞吐量与能量使用效率，使得该路由方法更能适应多变的无线多跳中继网路环境，同时达到网络节能的目的。
图1是本发明流程图2是网络拓扑结构图3是本发明的实施例流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为了解决无线多跳中继网络存在的网络吞吐量低、能量使用效率低的问题。本发明提出了一种路由建立与功率分配的联合优化方法。
图1是本发明的流程图，本发明方法包括以下步骤
S1:随机建立初始化路由，对所述初始化路由建立过程中的信息素进行更新，进入步骤S2 ;信息素通过节点发射功率、链路速率和路径信息求得。
Sll :通过贪婪算法对所述节点发射功率和链路速率进行分配；
S12 :在所述节点发射功率和链路速率的基础上得到对应的链路；当所述链路满足发射功率门限和干扰门限时，对所述链路分配节点发射功率和链路速率；
S13:根据所述链路分配节点发射功率和链路速率对所述路径信息进行更新。
S2 :通过设定方法建立路由，对所述路由中的信息素更新；
S21 :通过设定方法建立路由；
S22 :通过贪 婪算法对所述节点发射功率和链路速率进行分配；
S23 :在所述节点发射功率和链路速率的基础上得到对应的链路；当所述链路满足发射功率门限和干扰门限时，对所述链路分配节点发射功率和链路速率；
S24:根据所述链路分配节点发射功率和链路速率对所述路径信息进行更新。
S3 :重复执行步骤S2第一设定次数后进入步骤S4 ；
S4 :根据所述路由中的信息素得到最优路由，更新所述设定方法的指定参数；若指定参数的更新次数小于第二设定次数，返回步骤S2;否则，此时的最优路由就为最终的路由。
S41 :根据所述节点发射功率、链路速率和路径信息计算每条路径的适应度函数值，得到最大的适应度函数值对应的最优路由和该最优路由的节点发射功率和链路速率；
S42 :通过粒子群算法更新所述设定方法的指定参数。
以下通过一个实施例对本发明进行说明
由于实际约束条件以及目标函数的限制，无线多跳中继网络路由和功率控制联合 优化问题是组合优化问题，无法找到复杂度有效的最优解法。为此，本实施例使用混合蚁群 优化算法以及贪婪算法联合求解这类路由建立和功率控制问题。该算法分为两大部分第 一部分，针对蚁群算法中影响算法性能的关键参数使用粒子群算法进行动态调整，通过混 合蚁群算法实现网络路由；第二部分，路由搜索同时结合贪婪算法实现路径上各节点发射 功率控制。1.系统模型本发明主要针对节点自身能量受限和节点间通信干扰约束的无线无线多跳中继 网络路由与功率控制联合优化提出基于混合蚁群的优化算法，以达到优化网络吞吐量和提 高能量使用效率的目的。网络拓扑结构如图2所示，在475mX400m范围内，随机分布N个 节点，由邻居节点连接的可通信链路M条，形成一个网络拓扑结构。本发明假设两两节点之间的信道符合平坦衰落模型，信道增益发射端可知。并考 虑到无线网络环境中的多径衰落现象，设信道增益满足瑞利分布。设Xi，表示路径上两节点通信二进制标志，定义为
权利要求
1.一种无线多跳中继网络中节能路由及功率分配方法，其特征是，该方法包括以下步骤 S1:随机建立初始化路由，对所述初始化路由建立过程中的信息素进行更新，进入步骤S2 ； 52:通过设定方法建立路由，对所述路由中的信息素更新； 53:重复执行步骤S2第一设定次数后进入步骤S4 ； 54:根据所述路由中的信息素得到最优路由，更新所述设定方法的指定参数；若指定参数的更新次数小于第二设定次数，返回步骤S2 ;否则，此时的最优路由就为最终的路由。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述信息素通过节点发射功率、链路速率和路径信息求得。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，对所述随机路由中的信息素进行更新具体为 511:通过贪婪算法对所述节点发射功率和链路速率进行分配； 512:在所述节点发射功率和链路速率的基础上得到对应的链路；当所述链路满足发射功率门限和干扰门限时，对所述链路分配节点发射功率和链路速率； 513:根据所述链路分配节点发射功率和链路速率对所述路径信息进行更新。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述步骤S2具体为 521:通过设定方法建立路由； 522:通过贪婪算法对所述节点发射功率和链路速率进行分配； 523:在所述节点发射功率和链路速率的基础上得到对应的链路；当所述链路满足发射功率门限和干扰门限时，对所述链路分配节点发射功率和链路速率； S24:根据所述链路分配节点发射功率和链路速率对所述路径信息进行更新。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，根据所述路由中的信息素得到最优路由，更新所述设定方法的指定参数具体为 541:根据所述节点发射功率、链路速率和路径信息计算每条路径的适应度函数值，得到最大的适应度函数值对应的最优路由和该最优路由的节点发射功率和链路速率； 542:通过粒子群算法更新所述设定方法的指定参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述设定方法为蚁群算法。
全文摘要
本发明公开了网络通信技术领域中的一种无线多跳中继网络中节能路由及功率分配方法。首先随机建立初始化路由，对所述初始化路由建立过程中的信息素进行更新；其次，在此基础上通过设定方法建立路由，对路由中的信息素更新；根据路由中的信息素得到最优路由，更新设定方法的指定参数；重复上述步骤设定次；最后得到的最优路由就为最终的路由。本发明综合考虑了网络节点剩余能量、有限的节点发射功率、节点间干扰及链路传输速率，全面优化网络吞吐量及能量使用效率，使得该路由算法更能适应多变的无线多跳中继网络环境，同时达到网络节能的目的。
文档编号H04W52/02GK103052129SQ20131000807
公开日2013年4月17日 申请日期2013年1月9日 优先权日2013年1月9日
发明者魏翼飞, 王雅莉, 宋梅, 马跃, 王英赫, 刘宁宁, 雷旭, 满毅, 张勇, 王莉, 滕颖蕾, 刘洋 申请人:北京邮电大学