基于改進(jìn)蟻群算法的無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M

連和謬

(閩南理工學(xué)院，福建 石獅 362700)

0 引言

無線通信網(wǎng)絡(luò)是采用無線傳感節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，無線通信網(wǎng)絡(luò)承載著大量的數(shù)據(jù)信息，需要對無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組，構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，降低無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)穆窂介_銷，提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力.研究無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計方法，對提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力方面具有重要意義[1]，相關(guān)的無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計研究受到人們的極大關(guān)注.對無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計是建立在網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化組網(wǎng)設(shè)計基礎(chǔ)上，采用構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點拓?fù)淠Ｐ?，能實現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)存儲和高寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸，當(dāng)前，對無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M方法主要有最短路徑方法[2]，該方法對大規(guī)模的無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重組的開銷較大，自適應(yīng)性不好.對此，提出基于改進(jìn)蟻群算法的無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M方法.構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，采用4元組模型構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點的線性結(jié)構(gòu)分解采用改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M，實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布式優(yōu)化設(shè)計，提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能.最后進(jìn)行仿真實驗分析，得出有效性結(jié)論.

1 初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型和節(jié)點部署

1.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型

為了實現(xiàn)對無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M設(shè)計，首先采用四元組模型構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型，通過對無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的傳輸鏈路結(jié)構(gòu)重組，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點的自適應(yīng)優(yōu)化部署，構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)的信息組合模型，采用最短路徑尋優(yōu)方法[3]，進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點的優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，假設(shè)無線通信網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點的初始位置為Z，節(jié)點的鏈路開銷采用4元組表示為：{S1,S2,…,SL}，無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用無向圖G=(V,E)設(shè)計，用dG(u,v)表示無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖G中從u到v的歐式距離，輸出層初始權(quán)值為Rz，以輸出層初始權(quán)值為鏈路通信的帶寬進(jìn)行自適應(yīng)尋優(yōu)，結(jié)合模糊特征提取方法進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)分簇節(jié)點傳輸控制，簇頭節(jié)點v=head(e)表示整個無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路e的頭，設(shè)計無線通信網(wǎng)絡(luò)無向圖G=(V,E,W)，用dG(u,v)表示無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DG中從u到v最小跳數(shù)，在連通圖區(qū)域內(nèi)，構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G，V表示無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點集，V2表示任意兩點邊集，得到無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的在重組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的信息覆蓋集Si(i=1,2,…,L)滿足以下條件：

Si∩Sj=φ，?i≠j.

(1)

(2)

上式中，MIS為無線通信網(wǎng)絡(luò)在信息覆蓋區(qū)域S產(chǎn)生的路徑開銷，在無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層中進(jìn)行節(jié)點最優(yōu)選擇設(shè)計，根據(jù)簇頭節(jié)點的吞吐量，得到各個節(jié)點單獨傳送數(shù)據(jù)的消耗能量為：

(3)

假設(shè)傳輸路徑中第i個節(jié)點的路徑開銷具有確定性，在無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，若vi是vj的子節(jié)點，利用圖1所示的線性結(jié)構(gòu)進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布式部署設(shè)計，得到節(jié)點vi到sink的最大跳數(shù)hop_count_max(vi,v0).

在圖1所示的無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點初始節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型中，假設(shè)無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挒棣?γ，在sink周圍節(jié)點，可靠鄰居協(xié)作的控制模型滿足：

(4)

采用4元組模型構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點的線性結(jié)構(gòu)分解，Sink收集的能量記為：

(5)

將無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r間T等分為N+1個時間段，基于歷史數(shù)據(jù)和可靠鄰居節(jié)點部署的方法，進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)設(shè)計[4].

1.2 節(jié)點優(yōu)化部署

構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點優(yōu)化部署模型，建立時空協(xié)作評估模型，實現(xiàn)對無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的融合聚類處理[5]，得到節(jié)點的聚合模型如圖2所示.

圖1 無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布的線性結(jié)構(gòu)圖2 無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的聚合模型

令無線通信網(wǎng)絡(luò)鏈路模型中的輸出功率損失為pi，pk和pk+1，對應(yīng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的傳輸速率分別表述為ri，rk和rk+1，構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路的優(yōu)化控制模型，采用自適應(yīng)鏈路尋優(yōu)方法，進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓?fù)渲亟M，得到信道結(jié)構(gòu)關(guān)系：

(6)

(7)

(8)

根據(jù)差量閾值進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組，假設(shè)N個節(jié)點隨機部署在預(yù)定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點輸出的離散頻譜為：

R1(k)=R2(k)exp(-jω0Tp/2),k=0,1,…,(N-3)/2.

(9)

R2(k)=Akexp(jφk),k=0,1,…,(N-3)/2.

(10)

當(dāng)無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點中的發(fā)射功率趨于恒定值，節(jié)點歷史數(shù)據(jù)與可靠鄰居數(shù)據(jù)的協(xié)作量減少，節(jié)點間的邊集為：

(11)

構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)混合匯聚節(jié)點離散控制模型，當(dāng)均衡調(diào)度因子mj小于1，提取無線網(wǎng)絡(luò)混合匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)的空間波譜，得到數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸?shù)母怕拭芏群瘮?shù)為：

(12)

根據(jù)提取的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸混合匯聚節(jié)點的關(guān)聯(lián)特征量，采用頻譜波束形成方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中的增益控制，實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點優(yōu)化部署和拓?fù)渲亟M，提高網(wǎng)絡(luò)輸出的穩(wěn)定性[6].

2 無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M優(yōu)化

2.1 特征提取

在上述采用4元組模型構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行節(jié)點優(yōu)化部署設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M設(shè)計提取無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的關(guān)聯(lián)特征量，采用頻譜特征分解方法進(jìn)行線性結(jié)構(gòu)重組，由于無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點Va與Ca相互獨立，計算Source節(jié)點的傳輸比特率，采用空間網(wǎng)格劃分方法[7]，得到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r延Ta和均值ta：

(13)

(14)

(15)

采用頻譜特征分解方法，得到無線通信網(wǎng)絡(luò)的空間分配模型為：

(16)

(17)

構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾x散特征分布序列為x，采用無線擴頻技術(shù)進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募訖?quán)融合，得到輸出信息融合結(jié)果為：

(18)

在閉環(huán)區(qū)域中計算描述無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的關(guān)聯(lián)特征量[8]，得到無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組的最優(yōu)迭代函數(shù)為：

(19)

采用頻譜相關(guān)性檢測方法，得到無線通信網(wǎng)絡(luò)混合鏈路開銷：

(20)

采用分組檢測方法，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的自適應(yīng)傳輸和穩(wěn)定性控制，得到信道的輸出容量向量為y=[y1,y2,…,yN]T，定義 State(vi) 表示節(jié)點狀態(tài)，得到無線通信網(wǎng)絡(luò)可靠鄰居的樣本空間重構(gòu)模型為：

(21)

其中，x(t)=[x1(t),x2(t),…,xt(t)]T是無線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)特征量，根據(jù)提取的無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的關(guān)聯(lián)特征量，采用頻譜特征分解方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M[9].

2.2 蟻群算法尋優(yōu)

采用改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M，實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布式優(yōu)化設(shè)計，假設(shè)蟻群的初始位置為：

(22)

其中個體極值pbest，對無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組的蟻群個體全局極值解為：

(23)

(24)

蟻群在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組過程中更新自身的速度和位置：

(25)

xt=xt-1+vt.

(26)

其中：vt是螞蟻當(dāng)前的速度，xt是螞蟻的適應(yīng)度值.c1和c2是操作算子常數(shù)，μ值的選取應(yīng)滿足：

(27)

(28)

考慮全局優(yōu)化問題min{f(x)}，采用蟻群算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M的問題轉(zhuǎn)化為：

(29)

綜上分析，采用改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M，實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布式優(yōu)化設(shè)計，提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能[10].

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了驗證該方法在實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲亟M和優(yōu)化傳輸?shù)男阅埽M(jìn)行仿真實驗分析，實驗采用Matlab設(shè)計，無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布區(qū)域為600 m×600 m的均勻線陣區(qū)域，無線通信網(wǎng)絡(luò)混合匯聚節(jié)點數(shù)目設(shè)定為200，蟻群算法的模因組數(shù)10個，蟻群個體數(shù)為1 200，通信網(wǎng)絡(luò)的載波頻率為600 KHz，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓?fù)涞倪\行迭代12 000次，根據(jù)上述仿真參量設(shè)定，進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲亟M，得到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇a元分布3所示.

以圖3的數(shù)據(jù)為研究對象，進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點的線性結(jié)構(gòu)分解，提取無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的關(guān)聯(lián)特征量，實現(xiàn)節(jié)點的結(jié)構(gòu)重組，得到重組后的能量開銷對比如圖4所示.

分析圖4得知，采用改進(jìn)方法進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M的輸出能量開銷較小，測試輸出誤碼和傳輸時延，得到對比結(jié)果如圖5所示.

分析上述仿真結(jié)果得知，采用該方法進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M能提高網(wǎng)絡(luò)的連通性，輸出穩(wěn)定性較好，傳輸誤碼率較低.

圖3 無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇a元分布圖4 拓?fù)渲亟M的能量開銷對比

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M的輸出性能對比

4 結(jié)語

構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，降低無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)穆窂介_銷，提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力.提出基于改進(jìn)蟻群算法的無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M方法.構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，采用4元組模型構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的初始拓?fù)浞植冀Y(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點的線性結(jié)構(gòu)分解，提取無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的關(guān)聯(lián)特征量，采用頻譜特征分解方法，實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，采用改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M，實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的分布式優(yōu)化設(shè)計，提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能.仿真結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲亟M能提高網(wǎng)絡(luò)的連通性，輸出穩(wěn)定性較好，傳輸誤碼率較低，具有很好的應(yīng)用性.