本發(fā)明屬于通信技術領域，涉及一種通信網(wǎng)絡的路由方法，具體涉及一種基于蟻群模型的自由空間光網(wǎng)絡的路由方法，可用于高移動性自由空間光網(wǎng)絡。

背景技術：

自由空間激光通信(free-space-opticalcommunication，fso)是指在寬闊無障礙物的空間內(如大氣和海洋等),利用無線激光作為通信載體，對多種形式的通信業(yè)務(如語音、視頻、數(shù)據(jù)等)進行交流的一種通信手段。fso有帶寬高，無需頻率許可，抗電磁干擾，保密性高，成本低廉的優(yōu)點。自由空間光網(wǎng)絡(fson，free-space-opticalcommunicationnetwork)是由多個fso節(jié)點構成，通過fso鏈路來滿足多業(yè)務傳輸?shù)男枨蟮木W(wǎng)絡。fson不僅繼承了fso的優(yōu)勢，而且結合了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(如mesh和ad-hoc網(wǎng)絡)自組織性和獨立組網(wǎng)的特點。此外，fson采用波長較短的光波(典型值為266nm、850nm、1064nm、1550nm)為載波，通常其頻帶寬度比傳統(tǒng)微波頻帶寬出數(shù)萬倍，極具開發(fā)潛力；光束發(fā)散角很小，僅為10urad～1mrad，比微波束散角小3～5個數(shù)量級，光束集中，無旁瓣和尾瓣、方向性好，實際應用中擁有很高的能量密度也很難探測到鏈路的位置，除非通信鏈路被截斷，否則數(shù)據(jù)難以外泄。fson廣泛應用于星際通信系統(tǒng)、地面商用系統(tǒng)和軍事通信系統(tǒng)。路由是指在網(wǎng)絡中快速準確尋找源節(jié)點s到目的節(jié)點d之間最佳通信路徑并建立通信連接的技術。fson路由是指在fson中確定通信最佳路徑的技術。目前，fson中路由技術分為三類：主動式路由、按需式路由和混合式路由。主動式路由又稱表驅動路由，拓撲變化時對全網(wǎng)廣播，不論是否有通信需求都要定時交換路徑信息。按需式路由也被稱作反應式路由，相對于主動式路由，按需式路由是一種相對被動的方式，只有在有通信需求的情況下進行路由發(fā)現(xiàn)、路由選擇、路由維護等步驟。這種方法不需要維護大量的路由表項，在犧牲了一定路由延遲的代價下極大的增加了網(wǎng)絡的可擴展性，適用于動態(tài)移動性網(wǎng)絡。混合式路由本質上結合了主動式路由和按需式路由的特點，當網(wǎng)絡規(guī)模增大時對網(wǎng)絡進行分簇，簇內采用主動式路由，簇間采用按需式路由，適用于大規(guī)模網(wǎng)絡。在fson路由中，由于無線光鏈路點對點連接的特殊性，導致fson鏈路變化頻繁，通常選擇動態(tài)適應性較好的按需式路由。例如：johnson等人在“dsr:thedynamicsourceroutingprotocolformulti-hopwirelessadhocnetworks”(adhocnetworking，2002:139—172)中，提出一種動態(tài)源路由dsr協(xié)議的按需路由方式，該協(xié)議路由原理基于按需式路由，只在有新的通信需求時啟動路由，路由步驟分為路由尋找和路由維護，在路由尋找階段源節(jié)點確定傳輸路徑并記錄在數(shù)據(jù)包中，在路由維護階段，源節(jié)點避免了路由中重復出現(xiàn)相同的轉發(fā)節(jié)點，保證了路由的開環(huán)特性，支持了不對稱鏈路存在。但是在節(jié)點高速移動情況下，dsr協(xié)議中對數(shù)據(jù)包洪泛的方式，增加了路由的時間延遲，導致網(wǎng)絡吞吐量極其低下。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提出了一種適用于自由空間光網(wǎng)絡路由方法，用于解決現(xiàn)有技術中存在的因無法適應高速移動節(jié)點導致的時間延遲高和吞吐量低的技術問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案包括如下步驟：

(1)自由空間光網(wǎng)絡中的每個節(jié)點，利用鄰居發(fā)現(xiàn)算法尋找其通信范圍內的節(jié)點，并將找到的節(jié)點的信息儲存在鄰居路由表中；

(2)源節(jié)點s判斷其鄰居路由表中是否存在最優(yōu)路徑，若是，執(zhí)行步驟(5)，否則，執(zhí)行步驟(3)；

(3)根據(jù)蟻群模型，構建自由空間光網(wǎng)絡的螞蟻系統(tǒng)：

(3a)源節(jié)點s按照蟻群模型的狀態(tài)轉移規(guī)則，向八個互成45度的方向范圍內的中間節(jié)點發(fā)送若干個前向螞蟻數(shù)據(jù)包；

(3b)中間節(jié)點記錄接收到的前向螞蟻數(shù)據(jù)包，并判斷前向螞蟻數(shù)據(jù)包中目的節(jié)點的id是否為該中間節(jié)點的id，若是，執(zhí)行步驟(5)，否則，中間節(jié)點對前向螞蟻數(shù)據(jù)包進行定向半洪泛，直到目的節(jié)點d收到該前向螞蟻數(shù)據(jù)包，并執(zhí)行步驟(3c)；

(3c)目的節(jié)點d對收到的前向螞蟻數(shù)據(jù)包中的路徑時延、可用帶寬和跳數(shù)進行歸一化，并對歸一化結果進行擬合，得到信息素增量值；

(3d)目的節(jié)點d利用信息素增量值生成后向螞蟻數(shù)據(jù)包，并刪除前向螞蟻數(shù)據(jù)包，再沿前向螞蟻數(shù)據(jù)包經過的路徑反向發(fā)送后向螞蟻數(shù)據(jù)包，同時按照蟻群模型的信息素增加規(guī)則，對沿途各節(jié)點信息素值進行更新，得到更新后的信息素表；

(3e)所有節(jié)點按照蟻群模型的信息素揮發(fā)規(guī)則，對所有節(jié)點更新后的信息素表中信息素值進行揮發(fā)，并根據(jù)揮發(fā)后的信息素值判斷信息素值變化頻率是否低于0.1，若是，得到自由空間光網(wǎng)絡的螞蟻系統(tǒng)，并執(zhí)行步驟(4)，否則執(zhí)行步驟(3a)；

(4)源節(jié)點s按照蟻群模型的信息素最大規(guī)則，在自由空間光網(wǎng)絡的螞蟻系統(tǒng)中選擇最優(yōu)路徑，得到源節(jié)點s到目的節(jié)點d的最優(yōu)路徑；

(5)源節(jié)點s按照其到目的節(jié)點d的最優(yōu)路徑，建立源節(jié)點s到目的節(jié)點d的連接并向目的節(jié)點d傳輸數(shù)據(jù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

第一、本發(fā)明利用蟻群模型對自由空間光網(wǎng)絡進行了螞蟻系統(tǒng)構建，按照蟻群模型中的狀態(tài)轉移規(guī)則優(yōu)化了源節(jié)點數(shù)據(jù)包傳播方式，避免了同一種路由控制包被同一個節(jié)點多次收發(fā)，從而降低了路由控制包的數(shù)量，與現(xiàn)有技術相比，有效地降低了時間延遲，提高了網(wǎng)絡吞吐量。

第二、本發(fā)明對路徑時延、可用帶寬和跳數(shù)進行了多目標歸一化并擬合，增加了信息素分布的準確度，使移動節(jié)點能夠以較小的代價準確找到最優(yōu)路徑，與現(xiàn)有技術相比，有效提高了網(wǎng)絡對高速移動節(jié)點的適應性，進一步降低了時間延遲，提高了網(wǎng)絡吞吐量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實現(xiàn)流程框圖；

圖2為本發(fā)明的圖論基礎姚圖；

圖3為本發(fā)明與現(xiàn)有技術的平均端到端時延和節(jié)點移動速度關系仿真對比圖；

圖4為本發(fā)明與現(xiàn)有技術吞吐量和節(jié)點移動速度關系仿真對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細描述：

參照圖1，基于蟻群模型的自由空間光網(wǎng)絡路由方法，包括如下步驟：

步驟1，自由空間光網(wǎng)絡中的每個節(jié)點，利用鄰居發(fā)現(xiàn)算法尋找其通信范圍內的節(jié)點，并將找到的節(jié)點的信息儲存在鄰居路由表中；

本步驟目的在于對由很多單個節(jié)點組成的原始網(wǎng)絡進行初始化構造，所有節(jié)點進行本地信息搜集，生成其自己的鄰居路由表，所有的鄰居路由表共同形成一個基本路由信息集合，該集合包含了當前網(wǎng)絡基本路由信息，作為下一步驟判斷初步依據(jù)；

步驟2，源節(jié)點s判斷其鄰居路由表中是否存在最優(yōu)路徑，若是，執(zhí)行步驟5，否則，執(zhí)行步驟3；

判斷在步驟1中得到的基本路由信息是否滿足當前路由需要，即源節(jié)點鄰居路由表中是否存在最優(yōu)路徑，如果滿足則直接轉步驟5，輸出結果，否則繼續(xù)進行下一步驟；

步驟3，根據(jù)蟻群模型，構建自由空間光網(wǎng)絡的螞蟻系統(tǒng)：

步驟3a，源節(jié)點s按照蟻群模型的狀態(tài)轉移規(guī)則，向八個互成45度的方向范圍內的中間節(jié)點發(fā)送若干個前向螞蟻數(shù)據(jù)包；

其狀態(tài)轉移規(guī)則中的轉移概率計算公式為：

其中pi(j)表示選擇中間節(jié)點j作為下一跳的概率，φij表示中間節(jié)點j的信息素值，φis表示當前節(jié)點i所有可以到達目的節(jié)點的中間節(jié)點s的信息素值，β表示信息素啟發(fā)值，ni表示螞蟻在節(jié)點i上可選的鄰域范圍；

參照圖2，j、i分別代表兩個節(jié)點，圓代表節(jié)點i的通信范圍，虛線將圓平均分為n等份，網(wǎng)絡中每個節(jié)點均在本地通信范圍內的n個區(qū)域尋找距離最近的節(jié)點并與之建立連接，這樣所形成的網(wǎng)絡拓撲圖稱之為姚圖，姚圖是作為尋找k維空間最小生成樹的輔助結構，通常情況n大于6，當n大于等于8的時候，最小生成樹是姚圖的子集，這保證了姚圖的連通性，按照姚圖搜索的前向螞蟻必然連通了整個網(wǎng)絡；

步驟3b，中間節(jié)點記錄接收到的前向螞蟻數(shù)據(jù)包，并判斷前向螞蟻數(shù)據(jù)包中目的節(jié)點的id是否為該中間節(jié)點的id，若是，執(zhí)行步驟5，否則，中間節(jié)點對前向螞蟻數(shù)據(jù)包進行定向半洪泛，直到目的節(jié)點d收到該前向螞蟻數(shù)據(jù)包，并執(zhí)行步驟3c；

由于現(xiàn)有技術存在洪泛開銷大的缺點，容易造成網(wǎng)絡過早擁堵，此處借鑒無線微波通信中定向路由的概念，結合激光束散角小的特點，按照姚圖向周圍八個方向散播前向螞蟻，將每個方向散播出去的螞蟻進行方向信息編號并記錄，這樣在保證了路由有效性的前提下，極大的降低了路由開銷；

步驟3c，目的節(jié)點d對收到的前向螞蟻數(shù)據(jù)包中的路徑時延、可用帶寬和跳數(shù)進行歸一化，并對歸一化結果進行擬合，得到信息素增量值；

歸一化和擬合計算公式分別為：

其中，b、d、h分別表示歸一化后的可用帶寬、時延、跳數(shù)；bc、dc、hc分別表示當前帶寬、時延、跳數(shù)；bmin、hmax、dmax分別表示最小帶寬、最大跳數(shù)、最大時延，δφ為擬合后的信息素的增量值；

進行歸一化是為了統(tǒng)一量綱，使其可以進一步根據(jù)需要計算目標函數(shù)，后向螞蟻記錄計算出來的信息素增量，在返回源節(jié)點的途中更新路徑上的信息，這樣優(yōu)秀的路徑上的信息素始終在不斷地增加，不論節(jié)點移動速度快慢，根據(jù)節(jié)點記錄對應路徑的信息素始終能夠快速準確地尋找到最優(yōu)路徑；

步驟3d，目的節(jié)點d利用信息素增量值生成后向螞蟻數(shù)據(jù)包，并刪除前向螞蟻數(shù)據(jù)包，再沿前向螞蟻數(shù)據(jù)包經過的路徑反向發(fā)送后向螞蟻數(shù)據(jù)包，同時按照蟻群模型的信息素增加規(guī)則，對沿途各節(jié)點信息素值進行更新，得到更新后的信息素表；

步驟3e，所有節(jié)點按照蟻群模型的信息素揮發(fā)規(guī)則，對所有節(jié)點更新后的信息素表中信息素值進行揮發(fā)，并根據(jù)揮發(fā)后的信息素值判斷信息素值變化頻率是否低于0.1，若是，得到自由空間光網(wǎng)絡的螞蟻系統(tǒng)，并執(zhí)行步驟4，否則執(zhí)行步驟3a；

隨著數(shù)據(jù)不斷傳輸，某一條當前最優(yōu)路徑可能信息素量不斷累加，使該路徑不斷以較大優(yōu)勢被選擇用來傳輸數(shù)據(jù)，導致負載過大，時延增加，可用帶寬減少，此時路徑雖然有較高的信息素但是不再是最優(yōu)路徑，一定的信息素蒸發(fā)規(guī)則可以避免這種情況的發(fā)生，保持信息素的靈活性，具體蒸發(fā)規(guī)則如下：

其中φij表示鄰居節(jié)點j的信息素，ρ表示揮發(fā)因子，根據(jù)相關實驗驗證，此處ρ取0.2可以獲得較好的性能；

步驟4，源節(jié)點s按照蟻群模型的信息素最大規(guī)則，在自由空間光網(wǎng)絡的螞蟻系統(tǒng)中選擇最優(yōu)路徑，得到源節(jié)點s到目的節(jié)點d的最優(yōu)路徑；

在步驟3構建好的自由空間光網(wǎng)絡螞蟻系統(tǒng)中，網(wǎng)絡的所有鏈路都具有一定的信息素值，源節(jié)點s選擇包含s自己的具有最大的信息素值的鏈路作為最優(yōu)路徑的一部分并標記該鏈路，依照此原則，網(wǎng)絡中所有節(jié)點選擇包含其自身的具有最大信息素值的鏈路作為最優(yōu)路徑的一部分并標記該鏈路，最后由源節(jié)點s選擇所有被標記的鏈路作為最終的最優(yōu)路徑；

步驟5，源節(jié)點s按照其到目的節(jié)點d的最優(yōu)路徑，建立源節(jié)點s到目的節(jié)點d的連接并向目的節(jié)點d傳輸數(shù)據(jù)。

以下結合仿真實驗，對本發(fā)明的技術效果作進一步詳細說明：

1.仿真條件和內容：

自由空間光網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù)100個，仿真時間100s，節(jié)點隨機分布在1000×1000的區(qū)域，數(shù)據(jù)包長度4000bit，數(shù)據(jù)傳輸速率400kbps；仿真內容包括本發(fā)明和現(xiàn)有動態(tài)源路由dsr協(xié)議關于平均端到端時延和節(jié)點移動速度的關系以及吞吐量和節(jié)點移動速度的關系，其結果如圖3和圖4所示。

2.仿真結果分析：

參照圖3，在移動速度分別為5、10、15、20、25m/s的情況下，本發(fā)明的平均端到端時延始終保持穩(wěn)定在0.4s上下，現(xiàn)有技術保持穩(wěn)定在1.4s上下，本發(fā)明平均端到端時延始終顯著低于現(xiàn)有技術平均端到端時延。

參照圖4，在移動速度分別為5、10、15、20、25m/s的情況下，本發(fā)明吞吐量從0.85mbps穩(wěn)步上升至1mbps，而現(xiàn)有技術吞吐量初始階段上升，當速度超過10m/s時現(xiàn)有技術吞吐量迅速下降至0.6mbps，本發(fā)明在高移動速度情況下吞吐量顯著高于現(xiàn)有技術。

由圖3和圖4可知，本發(fā)明相對現(xiàn)有技術，有效地適應了高速移動節(jié)點，降低了網(wǎng)絡平均端到端時延并提高了網(wǎng)絡吞吐量。