一种基于混合信息素蚁群优化的无人蜂群分簇路由方法

本发明属于信息和通信，具体而言，涉及一种基于混合信息素蚁群优化的无人蜂群分簇路由方法。

背景技术：

1、近年来，蜂机的协同作业或对抗受到较多关注，蜂机自组网设计是未来蜂机集群协同执行任务的重要研究内容。现有的蜂机集群通信大多采用自组织网络(蜂机ad hoc网络)，其特点在于不完全依赖于地面控制站或者卫星等固定基础通信设施。每架蜂机都可作为移动网络节点，各节点依靠无线通信设备模块实现无线通信的自主管理。而无人蜂群网络以体积小、实时性高、能量有限、带宽需求小等特点，相对比manet对数据信息的可靠高速传输有较高要求，但囿于成本和ad hoc网络无线多跳路由、网络拓扑结构多变、带宽有限等特性，无法具有基础设施网络中较为稳定的通讯能力和较大的带宽设置。因此，传统的路由协议无法满足无人蜂群网络的基本需求。

2、同时，飞行自组网络的路由协议已经呈现多样化发展以适应不同的蜂机集群、不同的复杂环境。在整个网络中，节点维护的路由信息都是一致的，为了作为一致性，节点往往要周期性地向整个网络广播更新路由信息，时刻维护网络的拓扑结构和路由信息。表驱动路由的优点在于有数据发送的时候能够查找路由表快速做出反应，保证了传输数据的低时延性和更好的通信质量。

3、传统的按需路由协议，源节点会按照路由协议中的方法寻路，由于不需要定期维护网络中的路由信息和拓扑信息，所以路由的开销小，节省网络资源；如果源节点需要通信，源路由和中间节点在活跃路由中没有到达目的地的节点时，数据传输之前将重新启动路由发现过程，影响信息传递的时效性；混合路由协议需要同时具备两种路由的能力，对硬件的要求更高，同时要求更复杂的算力和更高的节点性能，依然无法解决无人蜂群网络的路由开销大的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本专利的目的是设计一种基于混合信息素蚁群优化的无人蜂群分簇路由方法。该方法针对无人蜂群自组网节点移动性强、网络拓扑变化频繁等情况的问题。先将蚁群算法引入到被动路由协议中，通过引用一种混合信号强度，然后计算网络密度的大小和节点移动的速度各种重要参数的信息素，然后改进无人蜂群网络mac层协议，结合聚类分簇改进传统蚁群优化算法，形成新算法kapsr。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于混合信息素蚁群优化的无人蜂群分簇路由方法，主要包括以下步骤：

4、步骤1：将蚁群算法引入到被动路由协议中。它需要整合跳点数、负载、hello消息信号强度和节点能量等信息来构建一个信息素参数，通过返回的rrep路由控制信息进行选择。为了解决路由漏洞的问题，该节点可以存储多条路由到目标节点。

5、步骤2：引用一种混合信号强度方法，计算网络密度的大小和节点移动的速度各种重要参数的信息素。无人蜂群网络由于所执行任务的不同，但可以划分为低密度和高密度任务。同时改进无人蜂群网络mac层协议，改进自适应hello间隔算法。由于无人蜂群网络的特点，在确定hello时间间隔时，必须考虑节点速度的影响。

6、步骤3：结合聚类分簇改进传统蚁群优化算法，形成新算法kapsr。为了改进k-means算法在特定情况下的弊端，可以采取一系列策略以提升其性能和效果。首先，k-means算法对于初始聚类中心的敏感性可能导致收敛到局部最优解。为应对此问题，可以进行多次运行k-means，每次采用不同的随机初始聚类中心，然后选取最小代价函数值所对应的聚类结果，从而降低对初始值的依赖。

7、进一步，所述步骤1中，将蚁群算法引入到被动路由协议，每次通过一条路由成功发送数据后，接收到目的节点返回的ack消息后增加该路由对应的信息素值，以模拟蚂蚁释放信息素的作用。在下次发送时，选择信息素值较高的路由。

8、根据蚁群算法，通过一条路径的次数越多，代表此路径的开销。然而，蚂蚁的数量对路径本身没有影响。在无人蜂群网络中，路由使用的次数越多，路由上节点的能量消耗就会越多，这将缩短节点的使用寿命。因此，节点的所剩的能量占比，也是选路的侧重点，节点能量占比，变相降低节点的信息浓度。

9、同时，节点应具有自保护机构。当其能量低于平均节点能量后，应避免从其他节点转发数据的任务。尽可能延长其工作时间。

10、为了模拟蚂蚁分泌的信息素，首先定义了几个描述节点能量和负荷的参数

11、定义1：nerp(节点功率剩余百分比)表示节点剩余能量的百分比，可通过式计算：

12、nerp＝ecu/efu×100％

13、pcu表示节点的当前剩余能量的状态；efu表示节点满载能量的状态。

14、定义2：aerp(平均nerp)表示路由中所有节点的nerp的平均值。

15、应该更改rrep和rreq以添加aerp字段。因此，当这些数据包到达一个节点时，它将从源节点获得所有以前节点的aerp值。然后，在数据包转发之前，应该用以下公式更新aerp值。

16、

17、式中，aerpi-1为前一个rreq或rrep得到的aprp值，aprpi为本轮要计算的值，nprp为节点本身剩余功率的百分比；hopcount为源节点的跳数，该值记录在rreq和rrep中，每个节点转发更新。

18、定义3：bur(高速缓存利用率)：表示节点的负载。当节点处于重负载状态时，其缓存必须填充等待传输的数据包。因此，节点的bur(高速缓存利用率)的值高于链路其他节点将影响整个路由的传输能力。具有最大bur值的节点是路由的传输能力的瓶颈，因此一个最大bur可以表示整个路由的负载情况。

19、bur＝ubl/bl

20、ubl表示“已使用的缓存大小”，bl表示“缓存大小”。

21、动态路由链路变化频繁，本文对节点ni进行周期性测量，如在t时间内测量n次的表达式为：

22、

23、定义4：物理层链路层信道切换时，除idle状态下，其余五个状态都是忙碌状态，以此判断该时间段内各个节点的忙碌状态，通过时间计数器，周期得对各个节点进行测量，

24、节点状态sn在竞争信道得时候会出现非常多的状态信息，节点状态忙碌状态越频繁，说明节点当前时刻的任务越重，本文设蜂机节点将状态信息记录在单片机存储区上，通过节点计时器对sn的值进行连续测量，得到的节点一个平均的负载情况：

25、

26、通过对节点的使用缓存比例和节点忙碌状态的综合考量：

27、

28、从源节点到目的节点得选路过程中，节点拥塞度最大的往往会成为考量这条链路的关键。

29、定义5：pi表示接收到第i个节点的信号强度。根据自由空间衰落模型，当前蜂机节点收到距离为d的邻居节点i的hello消息的信号强度：

30、nrssi＝10 log 10(receive_signal_strength)

31、

32、下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗：

33、los＝32.44+20lgd(km)+20lgf(mhz)

34、由此公式自由空间中电波传播损耗(亦称衰减)只与工作频率f和传播距离d有关，无线通信不考虑外界因素的影响下，在理想的自由空间下，将参考值计入上式中，即可计算出通信距离。

35、通过确定最大的传输距离，节点可以根据本节点已知信息和邻居节点hello消息中包含的信息计算出接收信号强度临界值，并与当前实测的信号强度进行对比，对当前链路的稳定性进行评判。

36、

37、每一次发送或转发rreq路由控制信息包后，都要重新计算路线的信息素水平(pheromone level of a route)，如下：

38、

39、依据不同的感知就可以用上面定义的参数来计算信息素。

40、本发明的有益效果在于：通过使用k-means聚类的方法以减少寻路网络洪泛对网络资源的使用，同时依照节点多态感知，对路径中的节点剩余功率的百分比、高速缓存利用率、节点间的信号强度作为信息素对选路进行联合判断，同时在活跃路由上依据无人蜂群网络密度设置自适应hello消息间隔作为部分信息素数据的提取，使其在不影响数据投递率的情况下，降低端到端时延、路由开销和能量消耗，延长网络生存时间。