基于改进蚁群算法的传感路由低负载方法

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  • 更新时间2016-06-02
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摘 要: 无线多媒体传感网络采用无线信号完成通信,会受到网络带宽的限制,实时传递能量较低,限制多媒体数据的传输。提出一种基于改进蚁群算法的无线多媒体传感网络的路由结构优化方法,根据改进蚁群算法,设计无线多媒体传感网络路由模块的硬件构造,改进无线多媒体传感网络路由优化过程,通过改进基本蚁群算法中的转移概率模型,对蚁群移动概率进行完善,确保负载的均衡,实现路由结构优化设计。实验结果说明,所提方法对无线多媒体网络中的路由结构进行改进后,均衡了网络能量消耗,使得无线传感网络节点的平均剩余能量更多,提高无线多媒体传感网络的运转周期。 
  关键词: 无线多媒体; 传感网络; 路由结构; 优化 
  中图分类号: TN926?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2016)10?0120?04 
  Sensor routing low?load method based on improved ant colony algorithm 
  LI Yangbo, ZHANG Hao 
  (Henan Institute of Technology, Xinxiang 453000, China) 
  Abstract: The wireless multimedia sensor network uses the wireless signal to communicate, which is limited by the network bandwidth, so it results in low real?time transfer energy, and limits the multimedia data transmission. A routing structure optimization method of wireless multimedia sensor network based on improved ant colony algorithm is proposed. On the basis of the improved ant colony algorithm, the hardware structure of the wireless multimedia sensor network routing module was designed, and the optimization process of the wireless multimedia sensor network routing was improved. The transition probability model of the improved basic ant colony algorithm is employed to perfect the ant colony movement probability, ensure the load balance, and realize the routing structure optimization design. The experimental results indicate that the proposed method used to improve the routing structure in wireless multimedia network can balance the network energy consumption, increase the average residual energy of the wireless sensor network nodes, and improve the running period of the wireless multimedia sensor network. 
  Keywords: wireless multimedia; sensor network; routing structure; optimization 
  0 引 言 
  无线多媒体传感器网络,是由较多拥有无线通信性能的节点构成的自组织网络,节点能够获取图像、视频以及音频等多媒体信息。构建高质量的路由结构,可确保多媒体信息在一定的规范要求下,准确地从源节点传递到目标节点,继而增强多媒体信息流传递质量[1?2]。而无线多媒体传感网络采用无线信号完成通信,会受到网络带宽的限制,实时传递能量较低,限制多媒体数据的传输。因此,要求多媒体传感网络路由结构,在流量调整和节点的负载等方面进行优化,进而满足多媒体数据传递的要求[3?5]。当前存在较多面向多媒体传感网数据传输路由机制的科研贡献,如文献[6]提出一种依据数据包优先级的路由算法,该种方法通过数据包优先级完成地理信息的标定,实现网络节点通信,但是该种方法存在误差高的缺陷。文献[7]分析了基于视频图像关联性的感知路由算法,其按照图像关联性的编码方案,依据负载均衡的思想,将视频数据划分到相关的路径上,完成无线多媒体传感网络视频数据的传递。文献[8]提出的依据服务区分的多路径QoS路由协议,按照不同服务的数据,采用分片编码的手段,将具备不同优先级的数据,分割到不同路径中完成传递,提高网络的总体吞吐量。文献[9]提出的基于服务质量的路由结构规划方法,其在塑造路由表过程中,使得各节点的资源消耗增大,具有一定的局限性。为了解决上述方法存在的问题,提出一种基于改进蚁群算法的无线多媒体传感网络的路由结构优化方法,根据改进蚁群算法,描述无线多媒体传感网络路由优化模块的硬件构造,分析无线多媒体传感网络路由优化过程。实验结果说明,所提方法对无线多媒体网络中的路由结构进行改进后,均衡了网络能量消耗,提高了无线多媒体传感网络的运转周期。 
  1 路由硬件结构的改进与实现 新一代的路由硬件设计模块由多个模块共同参与构成,其中包括:控制模块、随机数模块、存储单元模块、检索下步节点集模块、选择下一步节点模块、状态调整模块、信息素调整模块、最优路径选择模块以及多路选择模块。模块工作流程如下: 
  控制模块:担任将命令传达到每一个模块的工作,确保所有的模块都能够井井有条的运行; 
  随机数模块:每当出现一个时钟周期,都需向其中呈递一个10位的二进制代码; 
  存储单元模块:ROM构成此项模块,其中存在延时邻接矩阵(delay),它可以将所有节点间的延时信息进行存储; 
  检索下步节点集模块:它可以提供还没有被蚂蚁遍历过的所有节点; 
  选择下一步节点模块:依照状态转移概率公式,指导蚂蚁选择的方向,从而决定接下来的节点; 
  状态调整模块:主要是及时掌握蚂蚁的最新情况,包括路径、跳数、禁忌列表等情况; 
  信息素调整模块:整个路径内的信息素,通过一次遍历后将会形成新的部署; 
  最优路径选择模块:等到迭代完成时,该模块担任起抉择最佳路径的任务。 
  融入蚁群算法后的模块硬件图如图1所示。 
  1.1 基于转移概率模型的蚁群算法的改进 
  因为蚁群算法进行路由规则改进过程存在较大缺陷,引入一种转移概率模型,对基本蚁群算法的路由信道移动规则进行完善,可实现节点负载的均衡,转移概率模型为:[Pkij图3 节点平均剩余能量随轮数的波动 
  图4描述了通过100轮数据发送后,不同方法下无线多媒体传感网络中各传感器节点的剩余能量,从图4中能够看出, 基于服务区分的多路径路由结构设计方法中各节点的剩余能量呈现显著波动,而本文方法改进的无线多媒体传感网络路由结构下的各节点剩余能量,具有较低的变化,各传感器节点的能耗较为均衡,并且高于服务区分方法,说明本文方法可提高无线多媒体传感网络的运转周期。 
  4 结 论 
  本文提出一种基于改进蚁群算法的无线多媒体传感网络的路由结构优化方法,根据改进蚁群算法,描述无线多媒体传感网络路由优化模块的硬件构造,分析无线多媒体传感网络路由优化过程,通过改进基本蚁群算法中的转移概率模型,对蚁群移动概率进行完善,确保蚂蚁负载的均衡,防止出现部分最优解,实现路由结构优化设计。实验结果说明,所提方法对无线多媒体网络中的路由结构进行改进后,均衡了网络能量消耗,使得无线传感网络节点的平均剩余能量更多,提高了无线多媒体传感网络的运转周期。 
   
  图4 100轮数据发送后各节点的剩余能量 
  参考文献 
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