高 靜，朱永利，李麗芬

（華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定 071003）

基于蟻群算法的長鏈狀無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法

高 靜，朱永利，李麗芬

（華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定 071003）

針對輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的特點(diǎn)，提出了一種用于線路監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)的帶信息素負(fù)增長的蟻群算法。該算法中不需要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)維護(hù)全局信息，但需要賦予唯一的編號。啟發(fā)函數(shù)計(jì)及了鏈路的時(shí)延、收包率和距離匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，并經(jīng)過試驗(yàn)增加了以參數(shù)α的不同選取可以調(diào)整跳數(shù)在整個(gè)選擇過程中所占的重要程度。算法還為當(dāng)前不可行和擁塞節(jié)點(diǎn)設(shè)置定時(shí)器，超時(shí)后可重新參與路由選擇。仿真結(jié)果表明，相比基本蟻群算法，該算法能夠找到具有更好性能的路由。

長鏈狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；輸電線路監(jiān)測；蟻群算法；路由

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線介質(zhì)連接構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，它采用Ad Hoc方式配置大量微型的智能傳感節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)的協(xié)同工作來采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的目標(biāo)信息［1，3］，它可被部署在各種非布線區(qū)、電源供給困難和人員不易到達(dá)的區(qū)域?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)是一門多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的新興技術(shù)［2］，其網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般為長鏈輻射狀，這種傳感器網(wǎng)絡(luò)多具有集中式數(shù)據(jù)接收、多跳傳輸、多對一流量模式等特征。

目前人們對于這種長鏈狀無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究比較少，對于長鏈狀輸電線路監(jiān)測用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究就更少，文獻(xiàn)［7］中提出的路由算法是基于固定簇頭的分層路由，采用匯聚節(jié)點(diǎn)查詢的方式，簇頭對簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并轉(zhuǎn)發(fā)，但并不適合事件驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用。PAGASIS（Power－EfficientGathering in Sensor Information Systems）［6］協(xié)議是一種典型的基于鏈狀結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議，該算法的核心思想是利用貪婪算法生成一條由所有節(jié)點(diǎn)組成的單鏈，鏈上的節(jié)點(diǎn)只與自己的鄰居節(jié)點(diǎn)通信。該協(xié)議追求的目標(biāo)是節(jié)點(diǎn)能耗的均衡和網(wǎng)絡(luò)壽命的延長，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)鏈過長時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延將會急劇增長，不適合實(shí)時(shí)應(yīng)用。因此，雖然結(jié)構(gòu)和本系統(tǒng)有相似之處，但是卻不滿足本系統(tǒng)的性能要求。文獻(xiàn)［8］提出一種基于云模型的多蟻群路由優(yōu)化算法，利用多規(guī)則云發(fā)生器來調(diào)整信息素殘留系數(shù)，利用多蟻群來同時(shí)找到多條路徑；文獻(xiàn)［11］提出一種將蟻群算法與遺傳算法結(jié)合的路由優(yōu)化算法，提高了最優(yōu)解的質(zhì)量，但算法對于性能較弱的傳感器節(jié)點(diǎn)來說稍顯復(fù)雜。

文獻(xiàn)［5］提出一種信息素負(fù)反饋的機(jī)制，通過在較好的路徑上留下正信息素，在較差的路徑上留下負(fù)信息素，從而提高了算法的性能和效率。筆者在以上算法的基礎(chǔ)上，提出一種用于線路監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)的帶信息素負(fù)增長的蟻群算法，算法為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置編號，用于指引螞蟻的行動(dòng)，從而避免環(huán)路的產(chǎn)生。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了算法具有較好的路由性能。

1 輸電線路監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)簡介

1.1 輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型

架空輸電線路的距離長，中途有眾多的掛有絕緣子的桿塔，每個(gè)桿塔的每相上設(shè)置一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，在每組輸電線上設(shè)置一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，用于收集該站各條出線的所有傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并與線路監(jiān)控中心服務(wù)器相連，用于保存各絕緣子泄漏電流的歷史數(shù)據(jù)。抽象出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。三個(gè)節(jié)點(diǎn)為一組，表示線路的三相，節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過無線鏈路進(jìn)行多跳傳輸，采用全向天線，通信范圍能達(dá)到2－3跳。

1.2 基于輸電線路監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

基于輸電線路監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）節(jié)點(diǎn)部署相對規(guī)則，部署后不再移動(dòng)；（2）區(qū)域節(jié)點(diǎn)密度比較小，相鄰桿塔相距幾十米到幾百米，有的甚至上千米；（3）節(jié)點(diǎn)能量不受限，通過在輸電線路上套裝可開口的特制互感器，并在二次側(cè)對感應(yīng)電流進(jìn)行整流、穩(wěn)壓即可取得電源；（4）節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步可通過安裝GPS來解決；（5）數(shù)據(jù)傳輸對實(shí)時(shí)性、可靠性有較高的要求；（6）匯聚節(jié)點(diǎn)及其附近節(jié)點(diǎn)除了要傳輸自身的數(shù)據(jù)還需轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，任務(wù)量比較重，較易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。

1.3 節(jié)點(diǎn)編號

節(jié)點(diǎn)的輻射狀規(guī)則部署給節(jié)點(diǎn)的編號帶來了方便。本文采用給節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號的方式來表明節(jié)點(diǎn)離匯聚節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近，從而在路由建立過程中對節(jié)點(diǎn)的選擇提供參考。由于本文只對一段線路進(jìn)行研究，故編號采用兩段的方式，匯聚節(jié)點(diǎn)編號為0－0，離匯聚節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的一層節(jié)點(diǎn)由上到下依次編號為1－1，1－2，1－3，次遠(yuǎn)層的節(jié)點(diǎn)編號為2－1，2－2，2－3。編號的前一段表示離匯聚節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近，編號越大，離匯聚節(jié)點(diǎn)越近，編號的后一段表示同層節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系。

圖1 輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

2 線路監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)的帶信息素負(fù)反饋路由算法的提出

像螞蟻這類群居昆蟲，雖然沒有視覺，卻能找到由蟻穴到食物源的最短路徑。人們經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)，螞蟻在運(yùn)動(dòng)過程中，能夠在它所經(jīng)過的路徑上留下一種稱之為信息素（pheromone）的物質(zhì)，螞蟻傾向于朝著該物質(zhì)強(qiáng)度高的方向移動(dòng)，于是表現(xiàn)出一種信息正反饋現(xiàn)象：某一路徑上走過的螞蟻越多，則后者選擇該路徑的概率越大。通過這種正反饋性，螞蟻依據(jù)轉(zhuǎn)移概率由位置i轉(zhuǎn)移到位置j，算法通過多次迭代收斂到最優(yōu)結(jié)果［4］，蟻群算法已經(jīng)被用于求解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的QOS路由［10，11］等問題。

文獻(xiàn)［5］提出了一種信息素負(fù)反饋的機(jī)制，按照解的好壞對蟻群進(jìn)行排序，設(shè)置一個(gè)比例參數(shù)φ∈（0，1］，排名前m×φ的螞蟻將有權(quán)在其經(jīng)過的路徑上留下正信息素，此信息素有吸引同伴的作用，排名在m×φ之后的螞蟻在其經(jīng)過的路徑上留下負(fù)信息素，此信息素將警告同伴不要走這條路徑。

2.1 路由建立過程

2.1.1 準(zhǔn)備工作

（a）借助GPS定位系統(tǒng)獲得節(jié)點(diǎn)的地理位置信息并對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一編號，設(shè)節(jié)點(diǎn)的編號為n1－n2；

（b）通過HELL0包周期性向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自己的信息。在HELL0包中除了包含節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息以外，還包括時(shí)間戳，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會獲得相鄰節(jié)點(diǎn)的地理位置信息，并從收發(fā)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差中減去接收節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)間，就可以獲得鄰節(jié)點(diǎn)的通信延時(shí)，來表示網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載情況，設(shè)通信延時(shí)為delay；

（c）計(jì)算鏈路收包率（packet reception rate，PRR），PRR＝Lr／Ls，Lr為成功接收到的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，Ls為鏈路發(fā)送的總數(shù)據(jù)包數(shù)。

（d）設(shè)置公告板，用于記錄每個(gè)源節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，初始化為空；

（e）集合DE（Died End）用于放置不可行和擁塞的節(jié)點(diǎn)，初始化為空，當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重時(shí)，向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送反向壓力信標(biāo)，并將自己放在集合DE中，集合中每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，超時(shí)即被解禁，從本集合中移除，重新成為活躍節(jié)點(diǎn)，參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張鄰節(jié)點(diǎn)情況表，用于記錄鄰節(jié)點(diǎn)的編號、延時(shí)和鏈路收包率。

設(shè)置延時(shí)和鏈路質(zhì)量的約束條件：

2.1.2 建立過程

（a）初始化網(wǎng)絡(luò)中每一條邊的信息素為1；在每一次迭代中，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)s都有Ant＿Count只目的節(jié)點(diǎn)為sink的正向螞蟻Fs－＞sink出發(fā)，它的任務(wù)是找到一條通往sink節(jié)點(diǎn)的高性能的可行路徑；正向螞蟻與逆向螞蟻采用比數(shù)據(jù)分組更高優(yōu)先級的鏈路隊(duì)列，從而加快路徑建立的速度；

（b）在每個(gè)節(jié)點(diǎn)i上，集合NC為節(jié)點(diǎn)i的所有鄰節(jié)點(diǎn)集合中滿足約束條件（1）和（2）的節(jié)點(diǎn)集合，將不屬于DE集合并且節(jié)點(diǎn)的n1編號大于i的n1編號的節(jié)點(diǎn)，即相對比節(jié)點(diǎn)i離sink節(jié)點(diǎn)更近的鄰節(jié)點(diǎn)放入集合NC1中。

（1）如果｜NC1｜＞0，則螞蟻依據(jù)轉(zhuǎn)移概率在鄰節(jié)點(diǎn)中選擇下一個(gè)要遍歷的節(jié)點(diǎn)，選擇相鄰節(jié)點(diǎn)j作為下一個(gè)遍歷結(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移概率Pij定義如下：

啟發(fā)式函數(shù)綜合考慮了鏈路質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)對之間的時(shí)延和距離匯聚節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，以期選擇出滿足實(shí)時(shí)性和可靠性要求的路徑。

（2）如果｜NC1｜＝0，即不存在比節(jié)點(diǎn)i離sink節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)，則螞蟻回退一步，并將節(jié)點(diǎn)i放入集合DE中；

（3）到達(dá)sink結(jié)點(diǎn)后，前向螞蟻Fs－＞sink將生成另一個(gè)逆向螞蟻Bsink－＞s，它把自己的所有記憶轉(zhuǎn)移給逆向螞蟻，而自身將被刪除。如果在到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)前，正向螞蟻的生存時(shí)間超過了最大生存時(shí)間max＿life，那么這個(gè)螞蟻將被刪除。逆向螞蟻行進(jìn)的路徑與它對應(yīng)的正向螞蟻完全相同，但是行進(jìn)的方向卻正好相反，負(fù)責(zé)信息素的更新，其更新規(guī)則如下：

從以上公式可以看出：所選路徑的總延時(shí)越小，包成功率越高，則相應(yīng)路徑的信息素增長越多，即信息素的增長與路徑的質(zhì)量成正比。

（4）更新公告板，如果當(dāng)前求出的最優(yōu)路徑比公告板上記錄的更優(yōu)秀，則將其替換為本次求出的路徑。

（5）達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)算法結(jié)束。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸過程

數(shù)據(jù)依據(jù)2.1節(jié)找到的最優(yōu)路徑進(jìn)行傳送，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列過長時(shí)，為保證轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)性，該節(jié)點(diǎn)發(fā)出警告信息alert，該alert消息記錄了該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號n1－n2，并通過洪泛將該消息通知給其它節(jié)點(diǎn)，之后放入集合DE中。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到該alert消息時(shí)，判斷該節(jié)點(diǎn)編號n1－n2是否在自己的路徑列表中，如果在則n1－n2的上一跳節(jié)點(diǎn)根據(jù)2.1節(jié)路由算法重新尋找除n1－n2以外的新的下一跳節(jié)點(diǎn)。

3 算法分析及仿真結(jié)果

3.1 算法分析

本文算法為分布式的算法，螞蟻從各個(gè)源節(jié)點(diǎn)出發(fā)并行工作查找到sink節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，算法同時(shí)考慮了信息素濃度、節(jié)點(diǎn)間延時(shí)、鏈路的質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)距離sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)。由公式（2）可以看出，鏈路的收包率越高，節(jié)點(diǎn)之間的延時(shí)越小，距離匯聚節(jié)點(diǎn)越近，則選擇概率越大，從而可以很好地保證可靠性和實(shí)時(shí)性，并能盡量快速地、少跳數(shù)地形成到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的路由。算法引入負(fù)反饋機(jī)制，提高了解的質(zhì)量，但卻因?yàn)橐判虮容^而增加了算法的計(jì)算量，因排序而增加的比較次數(shù)為：n（n－fix（n＊φ）），復(fù)雜度為O（n）。另外，算法通過對每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，有效地避免了環(huán)路的產(chǎn)生。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

本文用仿真軟件MATLAB 7.1作為仿真平臺，仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)采用如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中鏈路的時(shí)延、包成功接收率的值由系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生，時(shí)延在1～10ms，包成功接收率在0.85～1之間，其中D＝9.5ms，R＝0.9。依據(jù)文獻(xiàn)［5］的參數(shù)選擇，α＝1，β＝4.5，ρ＝0.2，Q＝0.1，φ＝0.9，r表示節(jié)點(diǎn)的通信半徑（單位為跳數(shù)），m表示本長鏈的節(jié)點(diǎn)層數(shù)。

圖2和圖3是在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)為100，節(jié)點(diǎn)的通信半徑為3跳的情況下進(jìn)行的，其中性能的評價(jià)依據(jù)公式（8）計(jì)算。從圖中可以看出，當(dāng)α＝0時(shí)，所選出的最優(yōu)路徑性能值最小，路徑總跳數(shù)最多。這是因?yàn)閱l(fā)函數(shù)中并沒有考慮到跳數(shù)這個(gè)參數(shù)，所以盡管所選路徑的單跳時(shí)延和鏈路包成功率最優(yōu)，但因總路徑的跳數(shù)更多，從而影響總路徑的性能；當(dāng)α＝1／r時(shí)，所選出的最優(yōu)路徑性能值最大，總跳數(shù)最少；而當(dāng)α＝1／（r＊r）時(shí)，所選出的最優(yōu)路徑性能值和總跳數(shù)居中。原因就在于跳數(shù)在α＝1／r中所占得比重更大，但是過分增大α的值將會導(dǎo)致跳數(shù)掩蓋掉其他兩個(gè)參數(shù)。由圖3看出，當(dāng)α＝1／r時(shí)所選路徑的總跳數(shù)在37到50之間，并沒有導(dǎo)致參數(shù)跳數(shù)覆蓋掉其他兩個(gè)參數(shù)，所以本論文中取α＝1／r。

圖2 不同α取值下最優(yōu)路徑性能變化情況

圖3 不同α取值下所選路徑總跳數(shù)的變化情況

圖4 兩算法最優(yōu)路徑性能變化情況

圖4是在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)為100，節(jié)點(diǎn)的通信半徑為2跳，迭代次數(shù)t為400，每個(gè)源節(jié)點(diǎn)的螞蟻數(shù)量為6的情況下進(jìn)行的，其中性能的評價(jià)依據(jù)公式（8）計(jì)算。從圖2中可以看出，相比基本蟻群（Base Ant Algorithm，BAA）算法，帶信息素負(fù)增長的蟻群算法（Base Ant Algorithm With Negative pheromone growth，BAWN）能找出性能更優(yōu)秀的路徑，這與文獻(xiàn)［5］中的結(jié)論也是相一致的。

由圖5可以看出，增加在每個(gè)源節(jié)點(diǎn)放置螞蟻的數(shù)量，能夠加快獲得最優(yōu)解的速度，但是隨著迭代的進(jìn)行，這種優(yōu)勢越來越弱。增加螞蟻的數(shù)量會增加因排序而進(jìn)行的比較次數(shù)，所以應(yīng)該根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的能力來選擇合適的螞蟻數(shù)量。

圖5 源節(jié)點(diǎn)放置不同螞蟻數(shù)量下最優(yōu)路徑性能變化情況

4 結(jié)論

本文以輸電線路監(jiān)測為應(yīng)用背景，針對系統(tǒng)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的特點(diǎn)，提出了一種用于線路監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)的帶信息素負(fù)增長的蟻群算法，通過對每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，有效地避免了環(huán)路。在算法中，距離匯聚節(jié)點(diǎn)越近，延時(shí)越小，可靠性越高的節(jié)點(diǎn)被選擇的可能性越大，反向壓力信標(biāo)用來緩解某個(gè)節(jié)點(diǎn)任務(wù)過重的情況，從而預(yù)防擁塞的發(fā)生，定時(shí)器的設(shè)定可以使優(yōu)秀節(jié)點(diǎn)在經(jīng)過一個(gè)時(shí)間段的休眠后重新成為活躍節(jié)點(diǎn)，這也是對網(wǎng)絡(luò)整體性能的一個(gè)考慮。對于啟發(fā)函數(shù)中的參數(shù)α，本文是通過實(shí)驗(yàn)選取的，當(dāng)α＝1／r時(shí)，相比較α＝0和α＝1／（r＊r）時(shí)在所選路徑的性能上更優(yōu)秀，但本文并沒有給出α的最優(yōu)表現(xiàn)形式。仿真實(shí)驗(yàn)表明，帶信息素負(fù)增長的蟻群算法能夠獲得更高質(zhì)量的解，因此該算法相比基本蟻群算法更適合于長鏈狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

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The algorithm based on an ant colony algorithm for wireless sensor networks with long－chain structure

GAO Jing，ZHU Yong－li，LI Li－fen

（SchoolofControl＆ComputerEngineering，NorthChinaElectricPowerUniversity，BaodingHebei071003，China）

With the high demand of real－time and reliability of monitoring system of power transmission lines，an ant colony algorithm with negative information growth is presented.Each node is no need to maintain the global information，but the only number must be given.The timer is set for the current not feasible and congestion nodes.nodes can participate in routing when the timer is overtime.The simulation results show that the proposed algorithm can obtain better performance than basic Ant Colony algorithm.

Long－chain of wireless sensor network；Transmission line monitoring system；Ant colony algorithm；Routing

TP301

：A

1001－9383（2011）03－0019－06

2011－06－30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60974125）

高 靜（1985－），女，河北廊坊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò).