CN113347677B - 一种基于粒子群算法的多节点通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于粒子群算法的多节点通信方法，解决现有多节点通信网络由于随机性和无意识信息传输方式，增加信道负载和竞争风险的问题。该方法包括步骤：1)加载预设参数；2)所有节点接入网络并发送广播报文；3)生成起始节点与目标节点；4)起始节点随机指定已知节点为中继节点并发送信息；被指定的中继节点接收信息后，继续指定下一级中继节点并向其发送信息；节点间依次传，直至到达目标节点；5)计算路径适应度；6)将适应度高的路径更新为个体最优路径；7)判决路径探索能力。本发明通过粒子群算法的路径优化技术，对多节点网路中点对点信息传递路径进行优化，在保证传输可靠性的前提下，减少信道占用时间，提高信息传递效率。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于粒子群算法的多节点通信方法。
背景技术
多节点通信网络凭借其多跳互联和网络拓扑特性，已成为家庭、社区、企业和城域网络等无线接入网络的有效解决方案。多节点通信网络实施中，点对点的信息传递路径规划策略直接影响信道利用率。普通的多节点通信网络多为随机性或无意识信息传输方式，从而便增加了信道负载和竞争风险，降低了带宽利用率，缺乏较高的性能及价值。因此，如何减轻信道负载，减少竞争和退避所浪费的带宽是衡量网络性能和价值的核心关注点。
发明内容
为了解决现有多节点通信网络由于随机性或无意识信息传输方式，增加信道负载和竞争风险，降低带宽利用率的技术问题，本发明提供了一种基于粒子群算法的多节点通信方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于粒子群算法的多节点通信方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)初始化参数
节点设备开机后，加载预设参数，所述预设参数包括最优路径失效门限Tmax、链路质量权重因子c1、路径最优权重因子c2和适应度返回生存时间TIL；
2)初始化节点位置
所有节点接入网络，并依次发送广播报文；每个节点根据收到的广播信息，记录其它节点位置及通信链路质量；其中，网络中节点数n≥3；
3)任务发布
根据实际信息传输任务，生成起始节点与目标节点；或在网络空闲时，随机生成具有探索能力的起始节点和目标节点；
4)路径搜索
起始节点随机指定其他未被指定过的已知节点为中继节点，并发送信息；被指定的中继节点接收信息后，继续指定下一级中继节点并向其发送信息；节点间依次传递，直至到达目标节点；
5)返回路径适应度
目标节点收到信息后，按照原路径返回路径信息；随后起始节点根据以下适应度函数计算该路径的适应度Fit：
其中：qi为两节点间链路质量量化值，i＝3,…,n；
m为路径经过的节点个数；
若起始节点在TIL时间内未收到目标节点返回的路径信息，则判定该路径通信失败，返回步骤4)；
6)更新个体最优路径
起始节点记录当前路径及对应适应度，并与个体历史最佳路径的适应度作比较，若当前路径适应度高于个体历史最佳路径适应度，则更新当前路径为个体最优路径；若当前路径适应度等于或低于个体历史最佳路径适应度，则保持原有个体最优路径；
7)判决路径探索能力
判断起始节点是否完成对已知所有节点指定为中继节点的操作，若是，则暂时取消其路径搜索能力，直到某次该节点按照最优路径传递信息时适应度下降超过最优路径失效门限Tmax，重新赋予该节点的路径搜索能力；若起始节点仍有已知节点未指定为中继节点，则保持该节点的路径搜索能力,用以探索是否存在其它更优路径；
判决完毕后，返回步骤3)；直至设备需要关机或者收到停止命令，路径探索工作终止。
进一步地，步骤4)中，指定中继节点的原则为：
A)不能选择上级节点的同级节点为下一级中继节点；
B)中继节点均按照其个体最优路径自主选择下一级中继节点；
C)当中继节点没有到目标节点的最优路径时，优先选择通信质量好的下级节点。
进一步地，步骤1)中，所述链路质量权重因子c1为路径内节点间链路质量量化均值所占比重，0.5＜c1＜2；
所述路径最优权重因子c2为路径内节点个数所占比重，0.5＜c2＜2。
进一步地，步骤2)中，发送广播报文以时分的方式发送。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明多节点通信方法通过粒子群算法的路径优化技术，对多节点网路中点对点信息传递路径进行优化，减少碰撞几率，提高信道利用率。
2、本发明多节点通信方法搜索的最优路径考虑了传输链路质量，保证传输的可靠性，减少重传几率；同时也考虑到路径上的节点个数，较少的中继节点能够使信息更加快速的达到目标节点，从而提高了各节点之间信息传递效率，降低了信息传输的时延。
3、本发明多节点通信方法是在已有节点接入和碰撞躲避机制下加入路径优化算法，因此并不需要修改原有传输方案，直接使用本发明方法即可确定最优传输路径。
4、本发明多节点通信方法的适应度计算公式简洁有效，相较于其他常规计算函数，具有计算量小、易于实现的优点。
附图说明
图1是本发明基于粒子群算法的多节点通信方法的流程图；
图2是发明实施例中信息传递路径优化流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
粒子群算法是一种仿生算法，其通过群体中粒子间的协同合作产生智能优化搜索。在多节点通信网络中，每个节点都可以看作是网络中的一个粒子，而通过节点间的信息交互，搜索到任意两节点信息传递的最佳路径。因此，本发明在已有节点接入和碰撞退避机制的多节点通信网络基础上，提供一种基于粒子群算法思想的多节点通信方法。
本发明多节点通信方法包括以下步骤：
1)初始化参数
节点设备开机，节点设备一旦处于开机状态，立刻加载预设参数，预设参数包括最优路径失效门限Tmax、链路质量权重因子c1、路径最优权重因子c2和适应度返回生存时间TIL；
最优路径失效门限Tmax：当节点完成路径搜索后，按照最优路径传递信息时，该路径适应度允许降低的最大值；
链路质量权重因子c1：路径内节点间链路质量量化均值所占比重。该取值越大，链路质量在路径搜索时越重要，本实施例中，0.5＜c1＜2；
路径最优权重因子c2：路径内节点个数所占比重。该取值越大，路径所经过的节点个数越重要，本实施例中，0.5＜c2＜2。
2)初始化节点位置
初始化网络(网络中节点数n≥3)。所有节点按照接入规则进入网络，以时分的方式依次发送包含自身位置信息的广播报文，使网络内所有节点均能够获知与自身通信的其他节点位置。每个节点根据收到的广播信息，记录其它节点位置及通信链路质量。
3)任务发布
根据实际信息传输任务，生成起始节点与目标节点，在有效信息传递过程中记录路径信息；或在网络空闲时，随机生成具有探索能力的起始节点和目标节点，用于路径搜索，尝试是否存起其他更有路径。
4)路径搜索
在信息传递过程中，起始节点随机指定其他未被指定过的已知节点(能够正常通信的其他节点)为中继节点，并发送信息，进行点对点的信息传输；被指定的中继节点接收信息后，继续指定下一级中继节点并向其发送信息；节点间依次传递，直至到达目标节点。
其中，选择下一级中继节点需遵守的原则为：
a)不能选择上级节点的同级节点为下一级中继节点，避免产生冗余路径；以图2中节点位置举例说明，假设当前任务的起始节点为节点1，目标节点为节点8，同时定义节点1与节点2的距离为单位传输距离，每个节点能够与近似单位传输距离的相邻节点通信。信息传输路径由起始节点1传递至节点2，再传递至节点5。其中，节点5的上一级节点为节点2，而节点2及节点4均可作为节点1的下一级节点，二者属于同级节点，为了避免产生冗余路线，此时节点5允许传递至节点7或节点6，但不能选择上级节点2的同级节点4为下一级中继节点。
b)为了实现所有节点的信息共享，中继节点均按照其个体最优路径自主选择下一级中继节点。
c)链路质量是评价适应度的一个重要指标，当中继节点未有到目标节点的最优路径时，应当优先选择通知质量较好的下一级节点，优先选择通信质量较好的下级节点，以提高传输可靠性。
5)返回路径适应度
目标节点收到信息后，按照原路径返回路径信息。随后起始节点根据适应度函数，计算该路径的适应度。路径中，起始节点到达目标节点传递的节点数越少，通信质量越高，则该路径的适应度越高；反之，该节点的适应度越低。路径适应度由当前速度、经过节点个数和链路质量量化值共同计算得出，适应度Fit计算公式如下：
其中，qi为两节点间链路质量量化值，i＝3,…,n；m为路径经过的节点个数。
若起始节点在TIL时间内未收到目标节点返回的路径信息，则判定该路径通信失败，返回步骤4)；
6)更新个体最优路径
起始节点记录当前路径及对应适应度，并与个体历史最佳路径的适应度(pbest)作比较：
若当前路径适应度高于个体历史最佳路径适应度，则更新当前路径为个体最优路径；
若当前路径适应度低于个体历史最佳路径适应度，则不更新，保持原有个体最优路径。
7)判决路径探索能力
判断起始节点是否完成对已知所有节点指定为中继节点的操作，若起始节点已经指定过所有已知节点，则暂时取消其路径搜索能力；直到某次该节点按照最优路径传递信息时，适应度变化(降低)超过最优路径失效门限Tmax时，重新赋予该节点的路径搜索能力。若起始节点仍有未指定的已知节点，则保持该节点的路径搜索能力,尝试其他路径是否更优路径；
判决完毕后(失效节点与其它节点公平竞争，随着探索的进行，保留探索能力的节点越来越少，失效的节点随机成为起始节点的几率越高)，返回步骤3)；直至设备需要关机或者收到停止命令，路径探索工作终止。
本发明方法对于多节点通信网络，加入点对点信息传递路径优化方法，在众多杂乱的传输路线中搜索到唯一最优路径，从而避免了低效的信道占用情况发生，提高通讯效率。
图2中，网络内含有9个节点，当前传递任务为节点1到节点8，图中标出的3条路径，是剔除掉不合理路径后，较为有效的传递路径。其中，路径1经过了4个节点，路径2经过了2个节点，路径3经过了3个节点，如果假设3条路径的通信链路质量相似，而路径2经过的节点数最少，因此路径2即为最优路径。
本发明方法在已有节点接入和碰撞躲避机制下加入路径优化算法，因此并不需要修改原有传输方案，仅需加入该方法即可使用。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (3)
1.一种基于粒子群算法的多节点通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)初始化参数
节点设备开机后，加载预设参数，所述预设参数包括最优路径失效门限Tmax、链路质量权重因子c1、路径最优权重因子c2和适应度返回生存时间TIL；
其中，所述链路质量权重因子c1为路径内节点间链路质量量化均值所占比重，该取值越大，链路质量在路径搜索时越重要；所述路径最优权重因子c2为路径内节点个数所占比重，该取值越大，路径所经过的节点个数越重要；
2)初始化节点位置
所有节点接入网络，并依次发送广播报文；每个节点根据收到的广播信息，记录其它节点位置及通信链路质量；其中，网络中节点数n≥3；
3)任务发布
根据实际信息传输任务，生成起始节点与目标节点；或在网络空闲时，随机生成具有探索能力的起始节点和目标节点；
4)路径搜索
起始节点随机指定其他未被指定过的已知节点为中继节点，并发送信息；被指定的中继节点接收信息后，继续指定下一级中继节点并向其发送信息；节点间依次传递，直至到达目标节点；
指定中继节点的原则为：
A)不能选择上级节点的同级节点为下一级中继节点；
B)中继节点均按照其个体最优路径自主选择下一级中继节点；
C)当中继节点没有到目标节点的最优路径时，优先选择通信质量好的下级节点；
5)返回路径适应度
目标节点收到信息后，按照原路径返回路径信息；随后起始节点根据以下适应度函数计算该路径的适应度Fit：
其中：qi为两节点间链路质量量化值，i＝3,…,n；
m为路径经过的节点个数；
若起始节点在TIL时间内未收到目标节点返回的路径信息，则判定该路径通信失败，返回步骤4)；
6)更新个体最优路径
起始节点记录当前路径及对应适应度，并与个体历史最佳路径的适应度作比较，若当前路径适应度高于个体历史最佳路径适应度，则更新当前路径为个体最优路径；若当前路径适应度等于或低于个体历史最佳路径适应度，则保持原有个体最优路径；
7)判决路径探索能力
判断起始节点是否完成对已知所有节点指定为中继节点的操作，若是，则暂时取消其路径搜索能力，直到某次该节点按照最优路径传递信息时适应度下降超过最优路径失效门限Tmax，重新赋予该节点的路径搜索能力；若起始节点仍有已知节点未指定为中继节点，则保持该节点的路径搜索能力,用以探索是否存在其它更优路径；
判决完毕后，返回步骤3)；直至设备需要关机或者收到停止命令，路径探索工作终止。
2.根据权利要求1所述基于粒子群算法的多节点通信方法，其特征在于：步骤1)中，0.5＜c1＜2；0.5＜c2＜2。
3.根据权利要求2所述基于粒子群算法的多节点通信方法，其特征在于：步骤2)中，发送广播报文以时分的方式发送。
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