一种基于北斗定位系统的新型无线传感器网络路由算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感器网络路由设计，具体说是基于北斗定位系统的新型无线传 感器网络路由算法。
【背景技术】
[0002] 作为一种新的信息获取方式和处理模式，无线传感器网络（简称WSN)正受到越来 越多的关注，其应用已经由最初的军事领域扩展到反恐、防爆、环境监测等其他众多领域， 能完成传统系统无法完成的任务。随着对无线传感器网络研究和应用的深入，不同业务对 网络服务范围和质量（QoS)提出了不同的要求。因此，多约束QoS路由是解决该问题的关 键技术之一。
[0003] 蚁群优化算法（AC0)是利用信息素来正反馈的原理寻得最优路径，将蚁群优化算 法应用到多约束QoS路由中能减少控制包的发送量，节约能量开销。
[0004] 蚂蚁的运动方向不受拥挤度的限制，将鱼群算法中的拥挤度的概念引入到蚁群算 法中，提出了基于蚁群和鱼群的混合优化算法，提高了收敛速度。同时，由于蚁群和鱼群的 混合优化算法的初始收敛慢的主要原因在于搜索方向的盲目性，造成大量的无效搜索。我 国北斗定位系统的主要功能就是快速定位，在服务区域内能全天候、高精度快速确定用户 所在的地理位置。因此，将北斗定位系统用于获取蚁群和鱼群的混合优化算法的方向因子， 提高了算法的收敛速度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是在现有的无线传感器网络路由算法的基础之上，提供了一种基于 北斗定位系统的新型无线传感器网络路由算法。
[0006] 本发明的目的是按以下方式实现的，首先将无线传感器网络路由用无向赋权图 G (V，E)表示，其中项点集合V表示网络节点，边集合表示网络中的连接节点的通信链路集， 采用蚁群优化算法设计出无线传感器网络路由布局；其次，对蚁群优化算法进行改进，主要 是将应用北斗卫星获取方向因子和传递簇间路由信息，对蚁族进行优化改进，并将改进生 的蚁群优化算法应用到无线传感器网络路由中。具体算法如下：
[0007] -个无线传感网络可用一无向赋权图G(V，E)表示，其中顶点表示网络节点，边表 示网络中链接节点的通信链路集。设P = P (s，d)为从源节点s到目的节点d的一条路径， e为路径P上的一条链路。
[0008] 首先，确定无线传感器网络的目标函数
[0010] f\(e)，f2(e)，f3(e)，f4(e)分别为链路e上的时延、成本、丢包率和带宽。
[0011] Wl，i = 1，2, 3,4,分别为延时、成本、丢包率和带宽的权重系数。
[0012] 其次，设计网络拓扑图。
[0013] 初始化，分簇布撒传感器，并指定簇首，且节点通过北斗导航系统定位。删除该网 络中单条链路中不满足A (e) < Si要求的链路（如删去网络中不满足最小带宽的链路）， 得到一个新的网络拓扑图A，然后基于&开始搜索。
[0014] 最后，应用改进的蚁群优化算法设计路由。
[0015] 改进的蚁群优化算法如下：
[0016] 步骤1 :令r = 0时，对所有路段上的信息素给定初始值τ ^ (〇) = A (A为常数）；
[0017] 设定最大搜索周期数为R，固定迭代次数为I，蚂蚁个数为n，一次搜索的最多时间 约束为T，最优目标数值为Y，为无穷大，解集为空。
[0018] 步骤2 :确实转移概率如下所示：
[0019] 集合allowedk= {0,1，. . .，n-l}_tabu 1<表示蚂蚁k下一步允许选择的节点集， 七&13叫表示蚂蚁k在本次循环中已经走过节点的集合，该集合随进化过程动态调整；
[0020] τ 为第t个搜索周期内节点i，j之间的路段上的信息素，代表最优解的趋 向；
[0021] 将北斗卫星获取网络节点i和网络节点j在整个网络拓扑中的位置，得到公式（1) 中的参数njt)和Cosby
[0022] ruJt)为启发函数，有 ，其中屯表示第i个节点到第j个节点之间的距 离；
[0023] cos^j, it= ijit/(| ij | | it|)，表示当前节点i到下一个节点j与当前节点i到下 一个节点t两个方向的夹角的余弦值。
[0024] α表示轨迹的相对重要性，反映了蚂蚁在运动过程中所积累的信息在蚂蚁运动时 所起的作用；β表示能见度的相对重要性，反映了蚂蚁在运动过程汇总启发式因子在蚂蚁 选择路径中的重视程度。
[0025] 步骤3 :将鱼群的拥挤度应用到蚁群算法中，ΒΡ :
[0026] 蚂蚁按照上述转移概率选择预计转移路径后，计算该路径当时的拥挤度q1]:
[0028] 如果qi ] (t) < δ (t)，则表示路径不太拥挤，蚂蚁选择该路径从位置i转移到位置 j ;否则，表示该路径过于拥挤，蚂蚁则在可行领域内重新随机选择一条路径进行转移。
[0029] 其中δ⑴表示t时刻的拥挤度阀值，并按下式进行更新：δ⑴=1-2 "，其中， c为阀值变换系数。
[0030] 步骤4 :每只蚂蚁经过η个时刻访问完所有节点后，对信息素浓度进行更新，即
[0031] 其中Ρ表示原信息素浓度保留程度；
[0032] 表示蚂蚁k在本次循环中在路径ij上留下的信息素浓度。当蚂蚁k在本次循 环中经过ij，则
其中Q为常数；
[0033] 1^表示蚂蚁k在本次循环中选择的路径长度，如果蚂蚁k在本次循环中未经过i j， 则
[0034] 步骤5 :计算本周期内所有蚂蚁走过的路径的目标函数值y (pk)，k = 1，2, . . .，n， 其中
[0035] #为本次循环中第k只蚂蚁从源节点到目的节点所走的路径。
[0036] 步骤6:求出
[0037] 若到目前为止迭代的次数是固定迭代次数1的整数倍，则用全局最优路径来更新 解集；否则，从本次迭代所产生的路径中选出目标函数值最小的路径，根据路径来更新解 集。
[0038] 步骤7 :令r = r+Ι，当r < R时，转到步骤三，继续进行下一轮搜索；否则，算法终 止。
[0039] 步骤8 :输出解集中的路径，即为QoS请求的最优路径。若Y为无穷大，则该QoS请 求的路径不存在。
[0040] 本发明的优异效果如下：该发明采用分簇布撒传感器节点的方法，一方面应用中 国北斗二号导航定位系统的定位功能获得节点地理信息，另一方向利用北斗的通信功能实 现簇间远距离通信，从而减少了搜索的盲目性和控制包发送的信息量，节省了消耗。
【附图说明】
[0041] 本发明有如下附图：
[0042] 图1 :北斗卫星作为分簇路由帧中继的拓扑结构；图2 :网络拓扑图。
【具体实施方式】
[0043] 参照说明书附图对本发明作以下详细地说明。
[0043] 本发明是基于北斗定位系统的新型无线传感器网络路由算法，工作原理是将无线 传感器网络路由用无向赋权图G(V，E)表示，其中顶点集合V表示网络节点，边集合表示网 络中的连接节点的通信链路集。将改进的蚁群优化算法应用到无线网络传感器网络中，从 而减少搜索盲目性，提高路由效率。
[0045] 该发明包括三部分内容，其一是应用北斗定位系统对蚁群优化算法进行改进，其 二是将改进后的蚁群优化算法用于无线传感器网络路由中。其三是采用分簇路由，簇间信