摘 要：在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、建筑傳統(tǒng)的蟻群算法的路由容易能量孔的影響，網(wǎng)絡(luò)的生命周期和整體性能。本文提出了一種新的蟻群劃分聚類(lèi)算法。主要的思想是，選擇下一跳是抽象為裝配規(guī)劃問(wèn)題的最短路徑和最小費(fèi)用流。實(shí)驗(yàn)表明，相比于其它蟻群聚類(lèi)算法，該方法來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，減少數(shù)據(jù)包遺失率。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器；網(wǎng)絡(luò)路由；蟻群分簇；能量；負(fù)載均衡

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212

網(wǎng)絡(luò)的生命周期可以被定義為從網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始，隨著時(shí)間的流逝，用光第一能源節(jié)點(diǎn)和死亡的這段時(shí)間[1]。蟻群的聚類(lèi)算法是一種智能優(yōu)化方法的成熟和高效，應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的聚類(lèi)蟻群算法，一般是使用啤酒花或歐氏距離來(lái)計(jì)算下一跳節(jié)點(diǎn)，按照現(xiàn)有的算法，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量少在高濃度的信息素鏈接，那么節(jié)點(diǎn)過(guò)早死亡，形成能洞在這里，當(dāng)能量洞出現(xiàn)在水槽節(jié)點(diǎn)、能源孔外圍傳感器數(shù)據(jù)將無(wú)法傳送到水槽節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)不可用。

1 相關(guān)工作

在本文中，作者改進(jìn)了蟻群的聚類(lèi)算法，提出了EEABR（節(jié)能路由算法）算法的中心思想的算法是改進(jìn)信息素，信息素更新過(guò)程中，信息素更新不單依賴于節(jié)點(diǎn)的數(shù)量在路徑（hop）來(lái)衡量，也參考路徑的能量。但是仍然有考慮不足的地方在這篇文章中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量更少可能仍然是在一個(gè)更高的平均剩余能量路徑，因此節(jié)點(diǎn)會(huì)過(guò)早死亡，減少了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。針對(duì)上述方法的局限性，提出了一種基于蟻群算法的模型（蟻群優(yōu)化聚類(lèi)蟻群優(yōu)化算法——BEACO基于能源和蟻群Opitimization）。

2 基于剩余能量的負(fù)載均衡的蟻群分簇算法

2.1 下一跳節(jié)點(diǎn)選擇

首先，sink節(jié)點(diǎn)到所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播消息，消息記錄在跳數(shù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收一條消息，它會(huì)計(jì)算你的到來(lái)，我們使用sink節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)來(lái)衡量每個(gè)節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)距離。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)按照一定的概率，概率和節(jié)點(diǎn)sink、剩余能量的節(jié)點(diǎn)概率是一個(gè)組合的規(guī)劃問(wèn)題的最小費(fèi)用流，計(jì)算公式如下：

2.2 關(guān)于能量的評(píng)估

在本文中，我們引入一個(gè)新集群模型。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有一個(gè)準(zhǔn)確的計(jì)算，包括發(fā)送能量和剩余能量。我們首先指定的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中有三個(gè)操作模式——空閑的，傳輸（發(fā)送）、接收器（接收）。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包，它會(huì)消耗一部分能量，在這種情況下，消息大小直接關(guān)系到能源消費(fèi)多少。消費(fèi)的各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換的能量是固定的。我們使用馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)的能量，每一種操作模式代表了一個(gè)鏈接模式。我們使用如下概率矩陣：

其中，Pkj代表當(dāng)前狀態(tài)為k，下一個(gè)狀態(tài)為j的概率。為了算出Pkj，我們根據(jù)節(jié)點(diǎn)處于k狀態(tài)的次數(shù)，來(lái)估計(jì)節(jié)點(diǎn)從k狀態(tài)轉(zhuǎn)換到j(luò)狀態(tài)的次數(shù)。預(yù)計(jì)在接下來(lái)T個(gè)時(shí)間段中的能量消耗為：

假設(shè)最初，一個(gè)節(jié)點(diǎn)j能量，一個(gè)，根據(jù)Ej上述公式，它可以很容易判斷出他們的狀態(tài)轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的能源消耗，能源消費(fèi)的EP必將大于自己的殘余能量，否則，節(jié)點(diǎn)不能有足夠的精力去完成轉(zhuǎn)移，將節(jié)點(diǎn)死亡。

3 仿真結(jié)果

本文的模擬仿真環(huán)境為NS-2。各仿真參數(shù)為：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量Ej，a（j=1，2，3……）為50J；傳感器節(jié)點(diǎn)的最大傳輸距離為50m-60m；每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)每秒鐘產(chǎn)生和發(fā)送數(shù)據(jù)大小為100bits；其中能量消耗參數(shù)為5×10-8J/bit節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域?yàn)?00m×500m。其中sink節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的最右側(cè)。詳細(xì)參數(shù)參見(jiàn)表1：

為了驗(yàn)證改進(jìn)的效果在蟻群的聚類(lèi)算法，分析的基礎(chǔ)上，從多個(gè)角度的協(xié)議，并與其他協(xié)議。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，BEACO算法的性能更優(yōu)越，它把一個(gè)小通信和計(jì)算成本有更長(zhǎng)的生命周期和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

如圖1所示，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在300年的節(jié)點(diǎn)尺寸線傳感器網(wǎng)絡(luò)，蟻群的最大長(zhǎng)度集群路由或之前很多螞蟻聚類(lèi)算法改進(jìn)的路由平均約6跳，改變路由算法和長(zhǎng)度的再保險(xiǎn)螞蟻將是動(dòng)態(tài)的，一個(gè)逐漸增加的趨勢(shì)，可以達(dá)到最大長(zhǎng)度為11跳，因?yàn)樗呛侠淼?，以避免一些?jié)點(diǎn)在死亡的邊緣。盡管路由長(zhǎng)度增加數(shù)據(jù)傳輸在網(wǎng)絡(luò)延遲，但無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是不可靠的，可以被容忍的，可以充分利用網(wǎng)絡(luò)能源，增加數(shù)量的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖2給出了一個(gè)路由改變樣本長(zhǎng)度數(shù)據(jù)傳輸。源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)，中間。過(guò)程中的選擇初始路由，路由（5）被選中，它顯然是第一個(gè)最低成本路由，但隨著時(shí)間的推移，一些節(jié)點(diǎn)的路徑能量耗盡，所以，它迅速綜合能源和距離水槽節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)整路由，這是第二個(gè)路徑，二世（9）。隨著時(shí)間的不斷進(jìn)步，能源消耗將此節(jié)點(diǎn)快速路徑，路由將動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，一個(gè)路徑（11）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)λ和埃塔值很小，例如0.1，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包徘徊在一些節(jié)點(diǎn)和不能結(jié)轉(zhuǎn)到目的節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致大量的丟包率，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，我們得出，當(dāng)λ=0.7和η=0.5，封包遺失率幾乎是最低，網(wǎng)絡(luò)延遲是基本和最小，所以我們將lambda和埃塔值分別為0.7倍和0.5倍。在這個(gè)時(shí)候，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，我們建立了最優(yōu)綜合蟻群模型。

4 小結(jié)

基于蟻群優(yōu)化方法聚類(lèi)，提出了一種新穎的蟻群集群路由算法基于剩余能量：BEACO，主要特征的算法是在選擇下一跳節(jié)點(diǎn)和更新信息素的過(guò)程，參照殘余能量。該算法有很多優(yōu)勢(shì)，它改善了網(wǎng)絡(luò)的性能從幾個(gè)方面。首先，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，有效解決能源孔問(wèn)題在個(gè)體節(jié)點(diǎn)在一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)；其次，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，而不是一些節(jié)點(diǎn)超載現(xiàn)象；第三，通過(guò)參考能源，避免了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包發(fā)送到殘余能量小，從而減少了丟包率；最后，它提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

參考文獻(xiàn)：

[1]何文德，楊鳳年，劉光燦.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在文物保護(hù)中的應(yīng)用[J].安防科技，2007，07.

[2]劉海波，鄒濤，翁哲.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)勤槍械定位中的應(yīng)用[J].安防科技，2009，09.

[3]張開(kāi)風(fēng)，胡艷軍，許耀華.WSN與GPRS結(jié)合的遠(yuǎn)程圖像等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，04.