CN110932758A - 一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法，通过非交叠分簇方法将大规模节点网络分成多个子网络，然后利用蚁群算法构建子网络之间通信路由，从而建立低压电力线分层通信网络路由模型。它具有如下优点：大大减少了蚁群算法需要通信路由的节点数，解决了蚁群算法时间效率低的问题，从而使整个网络构建更快，实时性更强。

Description

一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法
技术领域
本发明涉及一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法。
背景技术
蚁群算法(ant colony optimization,ACO)是通过模拟自然界中蚂蚁集体觅食的行为而提出来的一种基于种群寻优的启发式仿生类算法。蚁群算法有两个主要步骤，即路径构建和信息素的更新，两者的相互配合使蚁群算法具有正反馈性，同时使蚂蚁收敛于最优解。
目前，将蚁群算法应用于低压电力线载波动态路由中是目前的研究热点之一。但蚁群算法存在收敛速度慢、时间效率低的问题，因此出现存在一些方案对蚁群算法进行了优化，如通过遗传算法、粒子群算法等，目前这些算法还是存在收敛时间长、最优解并非最优等问题。
发明内容
本发明提供了一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法，通过非交叠分簇方法将大规模节点网络分成多个子网络，然后利用蚁群算法构建子网络之间通信路由，从而建立低压电力线分层通信网络路由模型。
一实施例之中：所述非交叠分簇方法包括如下步骤：
步骤1，集中器/簇头广播组网请求，若终端节点侦听到该请求，发送应答报文给集中器/簇头，集中器/簇头从信号强度大于阈值β的节点中选择k个簇头，簇头选取策略为根据节点信号强度大小顺序分为k个梯度段，选取每个梯度段中信号强度最强的节点作为簇头节点；
步骤2，簇头节点发出构建子网络请求，将与簇头节点之间信号强度大于阈值β的节点加入到该子网络中；
步骤3，当存在节点加入到多个子网络中，利用子网络节点个数和信号强度信息去除交叠节点，实现非交叠分簇，节点vj加入到ci子网络的目标函数如下：
Figure BDA0002294312160000021
其中，N(Ci)代表簇头为Ci所在的子网络节点个数，
Figure BDA0002294312160000022
代表vj与簇头节点ci的信号强度，λ1是子网络节点个数的权重因子，λ2是的权重因子；
比较交叠节点在其所在子网络的目标函数F(vj)的值，取F(vj)最大值对应的子网络作为该交叠节点最终所在的子网络。
一实施例之中：还包括步骤4，簇头节点发送组网请求，若存在新的节点收到广播，则重复步骤1-3,若未有新的节点收到广播，则说明构建子网络完成。
一实施例之中：所述构建子网络之间通信路由的蚁群算法中的启发函数为：
F(s,d)＝α1Trans_delay(s,d)+α2Packet_loss(s,d)+α3N(s,d)
其中，α1是传输时延的权重因子，α2是丢包率的权重因子，α3为节点个数的权重因子；
Trans_delay(s,d)＝∑delay(Ti,Tj)+∑delay(pn)
其中，∑delay(Ti,Tj)是源节点s到达目标节点d的时延中在路径Ti到Tj之间传输消耗的累计时延，∑delay(pn)是源节点到达目标节点的时延中的中继节点的处理时延：
Packet_loss(s,d)＝1-Π(1-packet_loss(Ti,Tj))
其中，packet_loss(Ti,Tj)是源节点s到达目标节点d路径上Ti与Tj之间的丢包率；
N(s,d)＝∑N(vi)
N(vi)是源节点s到达目标节点d路径上所经过的各簇头节点vi所在的子网络节点个数。
一实施例之中：保存各节点到其他节点之间的信号强度值，当通过所述分层蚁群路由算法得到的最优路径在某一时刻发生通信中断，则不进行重新计算最优路径，而将中断的两个节点之间的通信路径由该两个节点之间其余通信路径中信号强度最强的路径替代。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1)本专利提出一种非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由算法，通过非交叠分簇方法将大规模节点网络分为多个子网络，大大减少了蚁群算法需要通信路由的节点数，解决了蚁群算法时间效率低的问题，从而使整个网络构建更快，实时性更强。
2)为了更好适应低压电力线载波通信特征，本专利将节点的丢包率、时延以及负载均衡作为蚁群算法的启发信息因子，负载均衡可避免重载节点通信流量过大而导致延时较长，有利于改善低压电力线系统的实时性，较低的时延以及丢包率保障节点间通信路由的可靠性。
3)针对蚁群算法最优路径通信中断的情况，提出一种基于信号强度因子选择路径方法，提高网络传输的实时性和网络自愈性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为非交叠分簇方法的步骤流程图。
图2为一较佳实例中各节点的网络通信结构图。
具体实施方式
一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法，通过非交叠分簇方法将大规模节点网络分成多个子网络，然后利用蚁群算法构建子网络之间通信路由，从而建立低压电力线分层通信网络路由模型。
请查阅图1，该非交叠分簇方法包括如下步骤：
步骤1，集中器/簇头广播组网请求，若终端节点侦听到该请求，发送应答报文给集中器/簇头，集中器/簇头从信号强度大于阈值β的节点中选择k个簇头，簇头选取策略为根据节点信号强度大小顺序分为k个梯度段，选取每个梯度段中信号强度最强的节点作为簇头节点；
步骤2，簇头节点发出构建子网络请求，将与簇头节点之间信号强度大于阈值β的节点加入到该子网络中；
步骤3，当存在节点加入到多个子网络中，利用子网络节点个数和信号强度信息去除交叠节点，实现非交叠分簇，节点vj加入到ci子网络的目标函数如下：
Figure BDA0002294312160000041
其中，N(Ci)代表簇头为Ci所在的子网络节点个数，
Figure BDA0002294312160000042
代表vj与簇头节点ci的信号强度，λ1是子网络节点个数的权重因子，λ2是的权重因子；
比较交叠节点在其所在子网络的目标函数F(vj)的值，取F(vj)最大值对应的子网络作为该交叠节点最终所在的子网络，实现非交叠分簇。
还包括步骤4，簇头节点发送组网请求，若存在新的节点收到广播，则重复步骤1-3，若未有新的节点收到广播，则说明构建子网络完成。
非交叠分簇算法完成将节点网络分割为多个簇，每个簇代表一个子网络，接下来利用蚁群算法构建子网络之间的通信路由，目前大部分蚁群算法没有考虑低压电力线载波的时变性、强干扰性等特性，选择路由的跳数作为启发函数因子，导致寻优出来的路径不一定最优的路径，因此本专利对蚁群算法的启发函数进行改进。
在本专利中分层蚁群算法中，每一个簇头节点代表一个子网络，一个子网络包含多个节点，子网络的节点通过簇头与其他子网络进行通信，因此我们必须要考虑负载均衡，以免使部分簇头节点负载过大，导致网络性能大幅下降；另外针对低压电力线载波特点，蚁群算法还采用时延和丢包率作为启发函数因子。
本专利中，所述构建子网络之间通信路由的蚁群算法中的启发函数为：
F(s,d)＝α1Trans_delay(s,d)+α2Packet_loss(s,d)+α3N(s,d)
其中，α1是传输时延的权重因子，α2是丢包率的权重因子，α3为节点个数的权重因子；
Trans_delay(s,d)＝∑delay(Ti,Tj)+∑delay(pn)
其中，∑delay(Ti,Tj)是源节点s到达目标节点d的时延中在路径Ti到Tj之间传输消耗的累计时延，∑delay(pn)是源节点到达目标节点的时延中的中继节点的处理时延：
Packet_loss(s,d)＝1-∏(1-packet_loss(Ti,Tj))
其中，packet_loss(Ti,Tj)是源节点s到达目标节点d路径上Ti与Tj之间的丢包率；
N(s,d)＝∑N(vi)
N(vi)是源节点s到达目标节点d路径上所经过的各簇头节点vi所在的子网络节点个数。
在蚁群算法中，由于低压电力线载波信道时变性，导致迭代出来的最优路径在某一时刻会出现通信中断的情况，这时蚁群算法需要重新迭代，再次选择一条最优路径，会耗费大量的时间，而且最优路径在上一时刻通信中断，而在下一时刻通信可能恢复，这时可以继续使用该最优路径，无需迭代，针对这种情况，本专利提出一种在最优路径通信中断情况下基于信号强度因子选择路径策略，提高网络传输的实时性和网络自愈性。
本专利针对通信中断的情况，采取的措施如下：保存各节点到其他节点之间的信号强度值，当通过所述分层蚁群路由算法得到的最优路径在某一时刻发生通信中断，则不进行重新计算最优路径，而将中断的两个节点之间的通信路径由该两个节点之间其余通信路径中信号强度最强的路径替代。
一较佳实例中，如图2所示，保存节点到其他节点的信号强度，节点C保存C->E信号强度信息P(C,E)，节点B保存C->B、D->B、I->B以及E->B信号强度，E->B信号强度取E->C->B、E->D->B以及E->I->B路径信号强度最大值，并保存该信号强度最大值的路径，其中，B->D->E为蚁群算法选择的最优路径，当B->D路径通信中断后，我们不进行迭代选择B->E最优路径，而是在B节点中选择一条信号强度次大的路径进行通信，这样即保障实时性又保证网络通信可靠性，当B->D通信回复后，可以继续使用该最佳路径进行通信。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法，其特征在于：通过非交叠分簇方法将大规模节点网络分成多个子网络，然后利用蚁群算法构建子网络之间通信路由，从而建立低压电力线分层通信网络路由模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法，其特征在于：所述非交叠分簇方法包括如下步骤：
步骤1，集中器/簇头广播组网请求，若终端节点侦听到该请求，发送应答报文给集中器/簇头，集中器/簇头从信号强度大于阈值β的节点中选择k个簇头，簇头选取策略为根据节点信号强度大小顺序分为k个梯度段，选取每个梯度段中信号强度最强的节点作为簇头节点；
步骤2，簇头节点发出构建子网络请求，将与簇头节点之间信号强度大于阈值β的节点加入到该子网络中；
步骤3，当存在节点加入到多个子网络中，利用子网络节点个数和信号强度信息去除交叠节点，实现非交叠分簇，节点vj加入到ci子网络的目标函数如下：
Figure FDA0002294312150000011
其中，N(Ci)代表簇头为Ci所在的子网络节点个数，
Figure FDA0002294312150000012
代表vj与簇头节点ci的信号强度，λ1是子网络节点个数的权重因子，λ2是的权重因子；
比较交叠节点在其所在子网络的目标函数F(vj)的值，取F(vj)最大值对应的子网络作为该交叠节点最终所在的子网络。
3.根据权利要求2所述的一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法，其特征在于：
还包括步骤4，簇头节点发送组网请求，若存在新的节点收到广播，则重复步骤1-3，若未有新的节点收到广播，则说明构建子网络完成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法，其特征在于：所述构建子网络之间通信路由的蚁群算法中的启发函数为：
F(s,d)＝α1Trans_delay(s,d)+α2Packet_loss(s,d)+α3N(s,d)
其中，α1是传输时延的权重因子，α2是丢包率的权重因子，α3为节点个数的权重因子；
Trans_delay(s,d)＝∑delay(Ti,Tj)+∑delay(pn)
其中，∑delay(Ti,Tj)是源节点s到达目标节点d的时延中在路径Ti到Tj之间传输消耗的累计时延，∑delay(pn)是源节点到达目标节点的时延中的中继节点的处理时延：
Packet_loss(s,d)＝1-Π(1-packet_loss(Ti,Tj))
其中，packet_loss(Ti,Tj)是源节点s到达目标节点d路径上Ti与Tj之间的丢包率；
N(s,d)＝∑N(vi)
N(vi)是源节点s到达目标节点d路径上所经过的各簇头节点vi所在的子网络节点个数。
5.根据权利要求4所述的一种基于非交叠分簇的低压电力线分层蚁群路由方法，其特征在于：保存各节点到其他节点之间的信号强度值，当通过所述分层蚁群路由算法得到的最优路径在某一时刻发生通信中断，则不进行重新计算最优路径，而将中断的两个节点之间的通信路径由该两个节点之间其余通信路径中信号强度最强的路径替代。
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