【WSN】基于蚁群算法的WSN路由协议(最短路径)消耗节点能量研究(Matlab代码实现)

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🔥 内容介绍

在无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)中,能量消耗是一个重要的问题,因为传感器节点通常是由有限的电池供电。为了延长网络的寿命,研究者们一直在寻找有效的路由协议来减少节点的能量消耗。本文将介绍一种基于蚁群算法的方法,用于求解WSN路由协议中的能量消耗问题。

蚁群算法是一种启发式算法,灵感来自于蚂蚁在寻找食物时的行为。蚂蚁通过释放信息素来引导其他蚂蚁找到最短路径。类似地,蚁群算法通过模拟蚂蚁的行为,来解决优化问题。在WSN中,我们可以将传感器节点看作蚂蚁,节点之间的通信路径看作信息素。通过模拟蚂蚁的行为,我们可以找到能够最大程度减少能量消耗的路由路径。

在使用蚁群算法解决WSN路由协议能量消耗问题时,首先需要定义适当的目标函数。目标函数可以是最小化整个网络的能量消耗,或者是最小化单个节点的能量消耗。根据具体情况,我们可以选择不同的目标函数。

接下来,我们需要定义蚂蚁的行为规则。蚂蚁在搜索过程中会根据信息素的浓度选择路径。为了模拟这一行为,我们可以使用一些启发式规则来指导蚂蚁选择路径。例如,我们可以让蚂蚁更倾向于选择能量消耗较低的路径。

在每一轮搜索过程中,蚂蚁会根据信息素浓度和启发式规则选择下一步的路径。当蚂蚁到达目的地时,它会释放信息素,并且信息素的浓度会根据路径的能量消耗进行更新。通过多轮迭代,信息素的浓度会逐渐趋于稳定,最终形成一条能够最大程度减少能量消耗的路由路径。

蚁群算法在求解WSN路由协议能量消耗问题中具有一定的优势。首先,它能够全局优化,找到整个网络的最优解。其次,蚁群算法是一种分布式算法,不需要全局信息,每个节点只需要局部信息即可实现优化。此外,蚁群算法具有自适应性,能够适应网络拓扑的变化。

然而,蚁群算法也存在一些挑战和限制。首先,蚁群算法的搜索过程可能会较慢,特别是在网络规模较大时。其次,蚁群算法的性能高度依赖于参数的选择和调整。如果参数选择不当,可能会导致算法陷入局部最优解。

综上所述,基于蚁群算法的WSN路由协议能量消耗研究是一个值得探索的领域。通过模拟蚂蚁的行为,蚁群算法能够找到能够最大程度减少能量消耗的路由路径,从而延长整个网络的寿命。然而,蚁群算法的性能仍然需要进一步研究和改进,以提高搜索效率和解决参数选择的问题。

希望本文能够为WSN路由协议能量消耗研究提供一些启示和参考,促进该领域的发展和创新。

📣 部分代码

function [pile, intermediate_piles] = resolvePeaks(pile, peak_pos, nbr_pos)%resolvePeaks - Resolve all peaks in a pile%% Syntax:  [pile, intermediate_piles] = resolvePeaks(pile, peak_pos)%% Inputs:%    pile - Matrix of shape (pile width, pile width,%       no. of history time steps), with integer values from 0 to 4%    peak_pos - Vector containing positions of all peaks%% Outputs:%    pile - Matrix of shape (pile width, pile width), with integer values %       from 0 to 4, with peaks in initial pile resolved (might now contain%       peaks resulting from resolving the initial peaks)%    intermediate_piles - Matrix of shape (pile width, pile width, no. of%    intermediate time steps), with integer values from 0 to 4, containing %    all intermediate steps taken in resolving the peaks%% Example:%    [pile, intermediate_piles] = resolvePeaks([4 1;3 2], 1)%% Other m-files required: none% Subfunctions: none% MAT-files required: none%% See also: scanPileForPeaks%% Author: Florian Roscheck% Website: http://github.com/flrs/visual_sandpile% January 2017; Last revision: 27-January-2017%------------- BEGIN CODE --------------%% initializepile_width = size(pile,1);prealloc_size = round(pile_width^1.3); % preallocate empty array depending                                       % on pile side length, it is                                       % expected that no. of piles                                       % increases exponentially with pile                                       % side length, exponent 1.3 is                                       % arbitrary and a tradeoff between                                       % unneccessarily slow intialization                                       % and unneccessary overhead when                                        % expanding the array later in the                                       % codeintermediate_piles = zeros(pile_width,pile_width,prealloc_size);intermediate_pile_ct = 1;peak_pattern = [0 1 0;1 -4 1;0 1 0;]; % pattern for resolving peaks,                                       % characteristic of Abelian sandpilepile_frame = zeros(pile_width+2); % construct frame around pile to catch                                  % falling off the gridpile_frame(2:end-1,2:end-1) = pile; % insert pile into frame%% process peaks% resolve peaks one by onefor peak = 1:numel(peak_pos)    % fast ind2sub (see http://tipstrickshowtos.blogspot.com/2011/09/fast-r    % eplacement-for-ind2sub.html, checked on 2017-01-26)    peakY = rem(peak_pos(peak)-1, pile_width)+1;    peakX = (peak_pos(peak)-peakY)/pile_width + 1;%寻找雪崩点的坐标        % resolve peaks    z = zeros(3);    index = peak_pos(peak);    nbr = nbr_pos(index);    z(5) = -1;    z(nbr) = 1;    peak_pattern = z;    pile_frame(peakY:peakY+2, peakX:peakX+2) = ...        pile_frame(peakY:peakY+2, peakX:peakX+2)+z;        % extract new pile from frame    pile = pile_frame(2:end-1, 2:end-1);        % expand intermediate pile array when it has reached its size limit    if intermediate_pile_ct>size(intermediate_piles, 3)        intermediate_piles = ...            cat(3, intermediate_piles, ...            zeros(pile_width, pile_width, prealloc_size));    end        % append new pile to intermediate pile array    intermediate_piles(:, :, intermediate_pile_ct) = pile;        intermediate_pile_ct = intermediate_pile_ct+1;endif intermediate_pile_ct>1    % eliminate unused, preallocated entries from intermediate pile array    intermediate_piles = ...        intermediate_piles(:, :, 1:intermediate_pile_ct-1);else    % no piles resolved    intermediate_piles = [];endend

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 米奕萍.基于改进型蚁群算法的WSN路由算法的研究[D].中北大学[2023-09-20].DOI:CNKI:CDMD:2.1012.336755.

[2] 李昊,戴天虹,高丽娜.基于改进蚁群算法的WSN路由协议的研究[J].控制工程, 2017, 24(11):5.DOI:10.14107/j.cnki.kzgc.140839.

[3] 廖明华,张华,谢建全.基于蚁群算法的WSN能量预测路由协议[J].计算机工程, 2012, 38(3):88-90.DOI:10.3969/j.issn.1000-3428.2012.03.030.

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1 各类智能优化算法改进及应用

生产调度、经济调度、装配线调度、充电优化、车间调度、发车优化、水库调度、三维装箱、物流选址、货位优化、公交排班优化、充电桩布局优化、车间布局优化、集装箱船配载优化、水泵组合优化、解医疗资源分配优化、设施布局优化、可视域基站和无人机选址优化

2 机器学习和深度学习方面

卷积神经网络(CNN)、LSTM、支持向量机(SVM)、最小二乘支持向量机(LSSVM)、极限学习机(ELM)、核极限学习机(KELM)、BP、RBF、宽度学习、DBN、RF、RBF、DELM、XGBOOST、TCN实现风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断

2.图像处理方面

图像识别、图像分割、图像检测、图像隐藏、图像配准、图像拼接、图像融合、图像增强、图像压缩感知

3 路径规划方面

旅行商问题(TSP)、车辆路径问题(VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等)、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、车辆协同无人机路径规划、天线线性阵列分布优化、车间布局优化

4 无人机应用方面

无人机路径规划、无人机控制、无人机编队、无人机协同、无人机任务分配、无人机安全通信轨迹在线优化

5 无线传感器定位及布局方面

传感器部署优化、通信协议优化、路由优化、目标定位优化、Dv-Hop定位优化、Leach协议优化、WSN覆盖优化、组播优化、RSSI定位优化

6 信号处理方面

信号识别、信号加密、信号去噪、信号增强、雷达信号处理、信号水印嵌入提取、肌电信号、脑电信号、信号配时优化

7 电力系统方面

微电网优化、无功优化、配电网重构、储能配置

8 元胞自动机方面

交通流 人群疏散 病毒扩散 晶体生长

9 雷达方面

卡尔曼滤波跟踪、航迹关联、航迹融合


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