[發明專利]基于優化量子蟻群算法的路由規劃方法及系統

有效

• 申請號: 202110336408.6
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113068242B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 董玉民;李想
• 申請（專利權）人: 重慶師范大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W40/08;H04W84/18;G06N3/006
• 代理公司: 重慶強大凱創專利代理事務所(普通合伙) 50217
• 代理人: 康奇剛

本發明涉及無線傳感器網絡領域，具體為基于優化量子蟻群算法的路由規劃方法及系統，其方法包括網絡初始化步驟，路徑尋找步驟，計算最佳路徑步驟，信息素更新步驟，輸出最佳路由步驟，在能夠求得最優的路徑前提下，均衡了節點的能耗，延長了節點死亡時間，從而延長了整個傳感器網絡的生命周期，提高了無線傳感器網絡的整體性能。

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡領域，具體為基于優化量子蟻群算法的路由規劃方法及系統。

背景技術

無線傳感器網絡是一種新興技術，是一項通過多跳無線通信技術把數以萬計的傳感器節點以自由式進行組織與結合進而形成的網絡形式。其中，傳感器節點體積微小，通常是攜帶能力十分有限的小型電池，由于節點數目眾多，成本要求低，分布區域廣，而且放置的地點環境復雜，經常更換電池是不現實的，因此，如何均衡所有節點的能量損耗，延長整個網絡的生命周期是無線傳感器網絡面臨的首要問題。

蟻群算法是一種新型的模擬自然界蟻群行為的進化算法，具有很強的發現解的能力。該算法利用了正反饋原理，在一定程度上可以加快進化過程，而且是一種本質上并行的算法，可以在不同個體之間不斷進行信息交流和傳遞，從而能夠相互協作，這一點與無線傳感器網絡的網絡形式極為相似。所以，將蟻群算法應用于無線傳感器網絡可以一定程度上提高路由信息的傳輸效率。但是，蟻群算法也存在一些缺點：一是由于蟻群中個體的運動是隨機的，當群體規模較大時，要找出一條較好的路徑就需要較長的時間；二是搜索到一定階段后，所有解趨向一致，無法對解空間進一步搜索，不利于發現更好的解。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種無線傳感器網絡路由建立方法及系統，以均衡整個無線傳感器網絡中的能耗，延長整個傳感器網絡的生命周期。

基于優化量子蟻群算法的路由規劃方法，包括步驟：

網絡初始化步驟，初始化算法參數信息，將蟻群置于源節點；

路徑尋找步驟，螞蟻依次選擇下一節點，直至所有螞蟻都抵達目的節點；

計算最佳路徑步驟，根據優化的路由適應度函數從螞蟻所選路徑的組合優化狀態中獲得最佳路由；

信息素更新步驟，使用量子旋轉角策略更新量子概率幅，通過信息素更新機制更新所有路徑上的信息素濃度；

輸出最佳路由步驟，如果迭代次數超過最大迭代次數，則退出循環，輸出傳感器網絡中最佳網絡路由，否則迭代次數加1，將蟻群置于源節點，循環執行路徑尋找步驟至輸出最佳路由步驟；

所述優化的路由適應度函數如下所示：

其中表示在第t次迭代中第k只螞蟻所尋得的最佳路徑，E_aver代表所尋路徑中的節點平均剩余能量，E_{lost_aver}代表所尋路徑中能量損耗的平均值，代表第t次迭代中第k只螞蟻所尋得的路徑長度，表示第t次迭代中第k只螞蟻所尋得的路徑上的節點個數，比較本次迭代過程中所有螞蟻尋得路徑的值最大值即為本次迭代過程中的最佳路由，尋得最佳路徑的螞蟻為最佳路由。

本方案中，螞蟻從源節點到目的節點的所選路徑各自形成一個組合優化狀態，再運用衡量最佳路由的路由適應度函數計算出各個螞蟻的最佳路徑，再通過比較各個螞蟻的最佳路徑得出最佳路由，該適應度函數引入了節點平均剩余能量、能量損耗的平均值、第t次迭代中某只螞蟻的尋徑長度作為衡量指標，將節點能量及其損耗帶入路由計算中，使得選出來的最佳路徑的節點能耗更為均衡，本方案在求得最佳路徑的前提下均衡了節點的耗能，延長了節點的死亡時間，從而延長了整個傳感器網絡的生命周期。

進一步，所述路徑尋找步驟中螞蟻選擇下一節點前會把當前節點記錄到禁忌列表中，螞蟻在選擇節點時會避開禁忌列表中所記錄的節點。