基于改進(jìn)蟻群算法的傳感路由低負(fù)載方法.docVIP

基于改進(jìn)蟻群算法的傳感路由低負(fù)載方法 摘要：無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)采用無線信號(hào)完成通信，會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，實(shí)時(shí)傳遞能量較低，限制多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。提出一種基于改進(jìn)蟻群算法的無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，根據(jù)改進(jìn)蟻群算法，設(shè)計(jì)無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由模塊的硬件構(gòu)造，改進(jìn)無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化過程，通過改進(jìn)基本蟻群算法中的轉(zhuǎn)移概率模型，對(duì)蟻群移動(dòng)概率進(jìn)行完善，確保負(fù)載的均衡，實(shí)現(xiàn)路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所提方法對(duì)無線多媒體網(wǎng)絡(luò)中的路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，均衡了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量更多，提高無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。關(guān)鍵詞：無線多媒體；傳感網(wǎng)絡(luò)；路由結(jié)構(gòu)；優(yōu)化：TN926?34：A：1004?373X（xx）10?0120?04Sensorroutinglow?loadmethodbasedonimprovedantcolonyalgorithmLIYangbo，ZHANGHao（HenanInstituteofTechnology，Xinxiang453000，China）Abstract：Thewirelessmultimediasensorworkusesthewirelesssignaltomunicate，whichislimitedbytheworkbandwidth，soitresultsinlowreal?timetransferenergy，andlimitsthemultimediadatatransmission.Aroutingstructureoptimizationmethodofwirelessmultimediasensorworkbasedonimprovedantcolonyalgorithmisproposed.Onthebasisoftheimprovedantcolonyalgorithm，thehardwarestructureofthewirelessmultimediasensorworkroutingmodulewasdesigned，andtheoptimizationprocessofthewirelessmultimediasensorworkroutingwasimproved.Thetransitionprobabilitymodeloftheimprovedbasicantcolonyalgorithmisemployedtoperfecttheantcolonymovementprobability，ensuretheloadbalance，andrealizetheroutingstructureoptimizationdesign.Theexperimentalresultsindicatethattheproposedmethodusedtoimprovetheroutingstructureinwirelessmultimediaworkcanbalancetheworkenergyconsumption，increasetheaverageresidualenergyofthewirelesssensorworknodes，andimprovetherunningperiodofthewirelessmultimediasensorwork.Keywords：wirelessmultimedia；sensorwork；routingstructure；optimization0引言無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，是由較多擁有無線通信性能的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)能夠獲取圖像、視頻以及音頻等多媒體信息。構(gòu)建高質(zhì)量的路由結(jié)構(gòu)，可確保多媒體信息在一定的規(guī)范要求下，準(zhǔn)確地從源節(jié)點(diǎn)傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，繼而增強(qiáng)多媒體信息流傳遞質(zhì)量1?2。而無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)采用無線信號(hào)完成通信，會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，實(shí)時(shí)傳遞能量較低，限制多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。因此，要求多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu)，在流量調(diào)整和節(jié)點(diǎn)的負(fù)載等方面進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而滿足多媒體數(shù)據(jù)傳遞的要求3?5。當(dāng)前存在較多面向多媒體傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸路由機(jī)制的科研貢獻(xiàn)，如文獻(xiàn)6提出一種依據(jù)數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)的路由算法，該種方法通過數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)完成地理信息的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信，但是該種方法存在誤差高的缺陷。文獻(xiàn)7分析了基于視頻圖像關(guān)聯(lián)性的感知路由算法，其按照?qǐng)D像關(guān)聯(lián)性的編碼方案，依據(jù)負(fù)載均衡的思想，將視頻數(shù)據(jù)劃分到相關(guān)的路徑上，完成無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)的傳遞。文獻(xiàn)8提出的依據(jù)服務(wù)區(qū)分的多路徑QoS路由協(xié)議，按照不同服務(wù)的數(shù)據(jù)，采用分片編碼的手段，將具備不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，分割到不同路徑中完成傳遞，提高網(wǎng)絡(luò)的總體吞吐量。文獻(xiàn)9提出的基于服務(wù)質(zhì)量的路由結(jié)構(gòu)規(guī)劃方法，其在塑造路由表過程中，使得各節(jié)點(diǎn)的資源消耗增大，具有一定的局限性。為了解決上述方法存在的問題，提出一種基于改進(jìn)蟻群算法的無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，根據(jù)改進(jìn)蟻群算法，描述無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化模塊的硬件構(gòu)造，分析無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所提方法對(duì)無線多媒體網(wǎng)絡(luò)中的路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，均衡了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，提高了無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。1路由硬件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)新一代的路由硬件設(shè)計(jì)模塊由多個(gè)模塊共同參與構(gòu)成，其中包括：控制模塊、隨機(jī)數(shù)模塊、存儲(chǔ)單元模塊、檢索下步節(jié)點(diǎn)集模塊、選擇下一步節(jié)點(diǎn)模塊、狀態(tài)調(diào)整模塊、信息素調(diào)整模塊、最優(yōu)路徑選擇模塊以及多路選擇模塊。模塊工作流程如下：控制模塊：擔(dān)任將命令傳達(dá)到每一個(gè)模塊的工作，確保所有的模塊都能夠井井有條的運(yùn)行；隨機(jī)數(shù)模塊：每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘周期，都需向其中呈遞一個(gè)10位的二進(jìn)制代碼；存儲(chǔ)單元模塊：ROM構(gòu)成此項(xiàng)模塊，其中存在延時(shí)鄰接矩陣（delay），它可以將所有節(jié)點(diǎn)間的延時(shí)信息進(jìn)行存儲(chǔ)；檢索下步節(jié)點(diǎn)集模塊：它可以提供還沒有被螞蟻遍歷過的所有節(jié)點(diǎn)；選擇下一步節(jié)點(diǎn)模塊：依照狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率公式，指導(dǎo)螞蟻選擇的方向，從而決定接下來的節(jié)點(diǎn)；狀態(tài)調(diào)整模塊：主要是及時(shí)掌握螞蟻的最新情況，包括路徑、跳數(shù)、禁忌列表等情況；信息素調(diào)整模塊：整個(gè)路徑內(nèi)的信息素，通過一次遍歷后將會(huì)形成新的部署；最優(yōu)路徑選擇模塊：等到迭代完成時(shí)，該模塊擔(dān)任起抉擇最佳路徑的任務(wù)。融入蟻群算法后的模塊硬件圖如圖1所示。1.1基于轉(zhuǎn)移概率模型的蟻群算法的改進(jìn)因?yàn)橄伻核惴ㄟM(jìn)行路由規(guī)則改進(jìn)過程存在較大缺陷，引入一種轉(zhuǎn)移概率模型，對(duì)基本蟻群算法的路由信道移動(dòng)規(guī)則進(jìn)行完善，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的均衡，轉(zhuǎn)移概率模型為：Pkij圖3節(jié)點(diǎn)平均剩余能量隨輪數(shù)的波動(dòng)圖4描述了通過100輪數(shù)據(jù)發(fā)送后，不同方法下無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量，從圖4中能夠看出，基于服務(wù)區(qū)分的多路徑路由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中各節(jié)點(diǎn)的剩余能量呈現(xiàn)顯著波動(dòng)，而本文方法改進(jìn)的無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu)下的各節(jié)點(diǎn)剩余能量，具有較低的變化，各傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗較為均衡，并且高于服務(wù)區(qū)分方法，說明本文方法可提高無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。4結(jié)論本文提出一種基于改進(jìn)蟻群算法的無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，根據(jù)改進(jìn)蟻群算法，描述無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化模塊的硬件構(gòu)造，分析無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化過程，通過改進(jìn)基本蟻群算法中的轉(zhuǎn)移概率模型，對(duì)蟻群移動(dòng)概率進(jìn)行完善，確保螞蟻負(fù)載的均衡，防止出現(xiàn)部分最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所提方法對(duì)無線多媒體網(wǎng)絡(luò)中的路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，均衡了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量更多，提高了無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。圖4100輪數(shù)據(jù)發(fā)送后各節(jié)點(diǎn)的剩余能量參考文獻(xiàn)1趙麗萍.基于蟻群優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法J.傳感器與微系統(tǒng)，xx，33（4）：112?114.2胡青霞，丁香乾，侯瑞春.基于物聯(lián)技術(shù)的MES可視化系統(tǒng)研究J.現(xiàn)代電子技術(shù)，xx，36（16）：49?51.3陳長(zhǎng)英，楊秀紅，付勇，等.無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展J.山東科學(xué)，xx，26（3）：48?53.4李強(qiáng).無線多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究及應(yīng)用D.北京：北京郵電大學(xué)，xx.5楊光友，黃森茂，馬志艷，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量?jī)?yōu)化策略綜述J.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，xx，28（2）：53?57.6朱曉娟，陸陽(yáng)，邱述威，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性研究綜述J.計(jì)算機(jī)科學(xué)，xx，40（9）：1?7. 摘要：無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)采用無線信號(hào)完成通信，會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，實(shí)時(shí)傳遞能量較低，限制多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。提出一種基于改進(jìn)蟻群算法的無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，根據(jù)改進(jìn)蟻群算法，設(shè)計(jì)無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由模塊的硬件構(gòu)造，改進(jìn)無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化過程，通過改進(jìn)基本蟻群算法中的轉(zhuǎn)移概率模型，對(duì)蟻群移動(dòng)概率進(jìn)行完善，確保負(fù)載的均衡，實(shí)現(xiàn)路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所提方法對(duì)無線多媒體網(wǎng)絡(luò)中的路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，均衡了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量更多，提高無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。關(guān)鍵詞：無線多媒體；傳感網(wǎng)絡(luò)；路由結(jié)構(gòu)；優(yōu)化：TN926?34：A：1004?373X（xx）10?0120?04Sensorroutinglow?loadmethodbasedonimprovedantcolonyalgorithmLIYangbo，ZHANGHao（HenanInstituteofTechnology，Xinxiang453000，China）Abstract：Thewirelessmultimediasensorworkusesthewirelesssignaltomunicate，whichislimitedbytheworkbandwidth，soitresultsinlowreal?timetransferenergy，andlimitsthemultimediadatatransmission.Aroutingstructureoptimizationmethodofwirelessmultimediasensorworkbasedonimprovedantcolonyalgorithmisproposed.Onthebasisoftheimprovedantcolonyalgorithm，thehardwarestructureofthewirelessmultimediasensorworkroutingmodulewasdesigned，andtheoptimizationprocessofthewirelessmultimediasensorworkroutingwasimproved.Thetransitionprobabilitymodeloftheimprovedbasicantcolonyalgorithmisemployedtoperfecttheantcolonymovementprobability，ensuretheloadbalance，andrealizetheroutingstructureoptimizationdesign.Theexperimentalresultsindicatethattheproposedmethodusedtoimprovetheroutingstructureinwirelessmultimediaworkcanbalancetheworkenergyconsumption，increasetheaverageresidualenergyofthewirelesssensorworknodes，andimprovetherunningperiodofthewirelessmultimediasensorwork.Keywords：wirelessmultimedia；sensorwork；routingstructure；optimization0引言無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，是由較多擁有無線通信性能的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)能夠獲取圖像、視頻以及音頻等多媒體信息。構(gòu)建高質(zhì)量的路由結(jié)構(gòu)，可確保多媒體信息在一定的規(guī)范要求下，準(zhǔn)確地從源節(jié)點(diǎn)傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，繼而增強(qiáng)多媒體信息流傳遞質(zhì)量1?2。而無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)采用無線信號(hào)完成通信，會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，實(shí)時(shí)傳遞能量較低，限制多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。因此，要求多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu)，在流量調(diào)整和節(jié)點(diǎn)的負(fù)載等方面進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而滿足多媒體數(shù)據(jù)傳遞的要求3?5。當(dāng)前存在較多面向多媒體傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸路由機(jī)制的科研貢獻(xiàn)，如文獻(xiàn)6提出一種依據(jù)數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)的路由算法，該種方法通過數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)完成地理信息的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信，但是該種方法存在誤差高的缺陷。文獻(xiàn)7分析了基于視頻圖像關(guān)聯(lián)性的感知路由算法，其按照?qǐng)D像關(guān)聯(lián)性的編碼方案，依據(jù)負(fù)載均衡的思想，將視頻數(shù)據(jù)劃分到相關(guān)的路徑上，完成無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)的傳遞。文獻(xiàn)8提出的依據(jù)服務(wù)區(qū)分的多路徑QoS路由協(xié)議，按照不同服務(wù)的數(shù)據(jù)，采用分片編碼的手段，將具備不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，分割到不同路徑中完成傳遞，提高網(wǎng)絡(luò)的總體吞吐量。文獻(xiàn)9提出的基于服務(wù)質(zhì)量的路由結(jié)構(gòu)規(guī)劃方法，其在塑造路由表過程中，使得各節(jié)點(diǎn)的資源消耗增大，具有一定的局限性。為了解決上述方法存在的問題，提出一種基于改進(jìn)蟻群算法的無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的路由結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，根據(jù)改進(jìn)蟻群算法，描述無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化模塊的硬件構(gòu)造，分析無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所提方法對(duì)無線多媒體網(wǎng)絡(luò)中的路由結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，均衡了網(wǎng)絡(luò)能量消耗，提高了無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。1路由硬件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)新一代的路由硬件設(shè)計(jì)模塊由多個(gè)模塊共同參與構(gòu)成，其中包括：控制模塊、隨機(jī)數(shù)模塊、存儲(chǔ)單元模塊、檢索下步節(jié)點(diǎn)集模塊、選擇下一步節(jié)點(diǎn)模塊、狀態(tài)調(diào)整模塊、信息素調(diào)整模塊、最優(yōu)路徑選擇模塊以及多路選擇模塊。模塊工作流程如下：控制模塊：擔(dān)任將命令傳達(dá)到每一個(gè)模塊的工作，確保所有的模塊都能夠井井有條的運(yùn)行；隨機(jī)數(shù)模塊：每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘周期，都需向其中呈遞一個(gè)10位的二進(jìn)制代碼；存儲(chǔ)單元模塊：ROM構(gòu)成此項(xiàng)模塊，其中存在延時(shí)鄰接矩陣（delay），它可以將所有節(jié)點(diǎn)間的延時(shí)信息進(jìn)行存儲(chǔ)；檢索下步節(jié)點(diǎn)集模塊：它可以提供還沒有被螞蟻遍歷過的所有節(jié)點(diǎn)；選擇下一步節(jié)點(diǎn)模塊：依照狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率公式，指導(dǎo)螞蟻選擇的方向，從而決定接下來的節(jié)點(diǎn)；狀態(tài)調(diào)整模塊：主要是及時(shí)掌握螞蟻的最新情況，包括路徑、跳數(shù)、禁忌列表等情況；信息素調(diào)整模塊：整個(gè)路徑內(nèi)的信息素，通過一次遍歷后將會(huì)形成新的部署；最優(yōu)路徑選擇模塊：等到迭代完成時(shí)，該模塊擔(dān)任起抉擇最佳路徑的任務(wù)。融入蟻群算法后的模塊硬件圖如圖1所示。1.1基于轉(zhuǎn)移概率模型的蟻群算法的改進(jìn)因?yàn)橄伻核惴ㄟM(jìn)行路由規(guī)則改進(jìn)過程存在較大缺陷，引入一種轉(zhuǎn)移概率模型，對(duì)基本蟻群算法的路由信道移動(dòng)規(guī)則進(jìn)行完善，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)負(fù)載的均衡，轉(zhuǎn)移概率模型為：Pkij圖3節(jié)點(diǎn)平均剩余能量隨輪數(shù)的波動(dòng)圖4描述了通過100輪數(shù)據(jù)發(fā)送后，不同方法下無線多媒體傳感網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余