野战地域通信网蚁群路由算法研究

论文摘要

野战地域通信网是由移动节点和无线链路组成的通信网络,是战术网的移动子网。为了确保战场信息的可靠快速传输,野战地域通信网对路由算法有很高的要求。比如要能自适应网络拓扑的动态变化,快速建立路由,解决单向链路,无环路由等,尤其由于其节点能量有限,应该使各节点能量负载均衡,延长网络的整体生存时间。蚁群优化算法是一种从自然界中蚂蚁觅食行为受到启发,发展而来的一种群集智能搜索算法。由于它具有分布式计算、单个智能体实现简单、自适应性强等特点,特别适合作为野战地域通信网的路由算法。本文主要研究将蚁群优化算法应用于野战地域通信网的路由问题。针对野战地域通信网的实际需求,提出了一种主动路由和按需路由相结合的蚁群路由算法,给出了算法的理论分析,证明了算法的收敛性,对算法中参数的取值范围进行了论证,结果对实际应用中参数的选取有指导意义。针对野战地域通信网的特点,本文主要在以下几个方面展开研究:首先,为了使能量消耗均衡从而延长整个网络的生存时间,把节点的剩余能量作为启发式信息。本算法在前向蚂蚁寻路时优先选择剩余能量大的节点,在逆向蚂蚁沿原路返回更新信息素时,也根据这条路径的能量值来计算要更新的信息素的变化量。仿真结果表明,本算法的网络节点能量消耗比AODV算法更加均衡。其次,野战地域通信网路径中断频繁,因此数据传输的丢包率和重传率很高。本算法用两节点之间的距离来预测链路的稳定性,距离越短稳定性越强。在前向蚂蚁寻路时,把链路的稳定性作为启发式信息,选择稳定性强的链路,延长了新建路径的生存时间。并且针对链路的不稳定性,提出了链路中断检测和路由修复机制。仿真结果表明,本算法的平均时延优于AODV算法。最后,野战环境下各个节点受发送功率或地形的影响,存在着大量的单向链路。本算法在邻居节点管理过程中主动探测单向链路,把存在单向链路的节点剔除在邻居节点表之外。解决了在单向链路上前向蚂蚁找到路径后,逆向蚂蚁无法沿原路返回的问题,提高了算法建立路由的效率。本文在完成算法设计之后,在网络仿真工具NS-2中实现了上述基于蚁群优化的路由算法,命名为AntRoute。并在多个场景下对该算法进行仿真实验,验证了算法设计的正确性,与AODV算法的比较结果显示了所设计算法的良好性能,更适合用于战场环境下的无线移动通信。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及相关概念
• 1.1.1 野战地域通信网简介
• 1.1.2 移动自组网技术简介
• 1.1.3 蚁群优化算法简介
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 论文结构
• 第二章 移动自组网路由技术
• 2.1 表驱动路由协议
• 2.1.1 目的节点序列距离矢量路由协议（DSDV）
• 2.1.2 优化链路状态路由协议（OLSR）
• 2.2 按需路由协议
• 2.2.1 动态源路由协议（DSR）
• 2.2.2 按需距离矢量路由协议（AODV）
• 2.3 表驱动与按需路由协议的比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 蚁群优化元启发式算法
• 3.1 ACO 算法数学模型的建立
• 3.1.1 解的状态转移规则
• 3.1.2 信息素更新规则
• 3.2 使用ACO 算法求解问题的步骤
• 3.3 ACO 算法在路由问题上的应用
• 3.3.1 ACO 算法适用于求解路由问题的特征
• 3.3.2 蚁群路由算法的基本模型
• 3.3.3 蚁群路由算法的应用实例
• 3.4 本章小结
• 第四章 适用于野战地域通信网的蚁群路由算法设计
• 4.1 算法的主要思想
• 4.1.1 基本数据结构
• 4.1.2 路径概率选择公式
• 4.1.3 信息素的更新规则
• 4.1.4 数据包传输路径公式
• 4.2 算法的策略和规则
• 4.2.1 邻居节点管理
• 4.2.2 邻居节点信息素赋初值
• 4.2.3 链路的稳定性度量
• 4.2.4 单向链路的处理
• 4.2.5 无环路由
• 4.2.6 链路中断检测
• 4.3 算法收敛性证明
• 4.4 参数取值范围的讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 野战地域通信网蚁群路由算法仿真与性能分析
• 5.1 算法仿真实验设计
• 5.1.1 路由建立过程
• 5.1.2 路由维护与探索
• 5.1.3 链路中断与修复
• 5.1.4 定时器设置
• 5.2 参数设置及性能评价指标
• 5.2.1 仿真的环境及参数设置
• 5.2.2 节点的移动模型
• 5.2.3 性能评价指标
• 5.3 实验结果及比较分析
• 5.3.1 不同更新周期下蚁群路由算法性能比较
• 5.3.2 有无路径修复机制时蚁群路由算法性能比较
• 5.3.3 不同移动速度下蚁群路由算法与AODV 性能比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士期间发表的论文