一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化方法及装置

技术领域

本发明涉及路径规划技术领域，特别是涉及一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化方法及装置。

背景技术

为顺利开展救援工作，首要是确保应急环境中如洪水地震或火灾爆炸等天灾人祸恶劣环境中通信工作的通畅，保证现场中有限的可用通信资源的合理调配。通常，应急环境中搜救工作作为突出工作任务，其相关配备的通信功能务必优先保障和调配，以确保人民群众的生命财产安全。但由于灾区通信资源的局限，现如今采取的应急调配方案较为单一，未能提供与应急通信需求相当的资源信号处理能力。从已有的文献来看，大多数文献所描述的资源调配方式仍难以满足实际需求，对灾区通信终端的资源供给服务还不够完善。

申请号为200910011633.1的中国发明专利申请提供了一种基于搜索和均衡思想的工业无线网络通信资源分配方法，其涉及到一种基于搜索和均衡思想的工业无线网络通信资源分配方法，该方法包括：网络设备向网络管理器发起端到端的通信资源申请；路由计算模块计算通信资源申请的网络设备的路径；路由计算模块将路径计算结果提交给通信资源分配模块；通信资源分配模块计算路由计算模块所提交的路径所需要的通信资源；如果空闲的通信资源满足通信资源数量要求，则依策略搜索满足要求的通信资源；通信资源分配模块根据路由计算模块提交的路径信息对资源进行预分配。

上述发明专利申请技术的缺点是通信资源分配流程繁杂，过程时延较高，且不能确保灾区应急通信信号网络传输的稳定性和抗干扰性，其导致原因主要是因为：应急环境中对移动通信需求存在较大的需求量，但却有因为灾情等造成通信资源受限，对原有通信资源分配方式对冲应急情况下庞大的数据供给缺乏稳定性和实时性，从而存在有限资源配给不均的现象。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化方法及装置，以寻找应急环境下通信节点间最优传输路径，为不同需求通信任务的节点传输科学规划提供较可靠的参考依据。

为达上述目的，本发明提出一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化方法，包括如下步骤：

步骤S1，基于碳原C传输创建碳原模型，以作为寻找应急通信节点规划最优路径的通信节点路径模型；

步骤S2，基于构建的碳原模型，采用碳原C传输算法对应急情况下的通信路径进行优化。

优选地，所述碳原模型包括：

通信初始化阶段：记通信任务规模为D，使用随机方式初始化传输，为：

x

其中，x

请求阶段：传输任务需求反馈各传输节点调整，为寻求最优传输路径，对自身通信路径进行优化请求，以获得提高自节点间的传输能力；

获得提高阶段：从各传输路径中随机选取一段节点作为提高对象，并结合全服务器最优信息对自身路径更新。

优选地，步骤S2进一步包括：

步骤S200，基于构建的碳原模型实现碳原C传输算法；

步骤S201，利用所述碳原C传输算法实现最优应急通信节点寻找路径规划。

优选地，步骤S200进一步包括：

步骤S200a，通信初始化；

步骤S200b，按照等分原则，将D段传输节点等分为E个子节，不能等分时，将多余节点随机分配到若干子节中；

步骤S200c，改进的请求阶段：在改进的请求阶段中，按照就近向周围传输路径请求共用的原则，向同子节的其他较空闲路径借道，使其在局部区域内获得传输效率增长；

步骤S200d，改进的获得提高阶段：节点传输路径i的更新机制为：

若路径i优于路径k，则：

x

+route

若路径i劣于路径k，则：

x

+route

其中，x

步骤S200e，当算法迭代一定次数后，返回步骤S200b将子节重新随机分配。

优选地，于步骤S200c中，所述改进的请求阶段如下：

x

其中，abest

优选地，于步骤S200e中，还使用所有路径的曼哈顿距离计算路径多样性。

优选地，所有路径的曼哈顿距离为：

其中，Z

优选地，于步骤S201中，所述碳原C传输算法的基本思想为优先选择通信需求等级较高的节点分配，当自身通信能力不足以提供当前解时，则利用碳原C传输算法进行路径规划优化，以此来提高通信节点传输效率。

为达到上述目的，本发明还提供一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化装置，包括：

模型创建单元，用于基于碳原C传输创建碳原模型，以作为寻找应急通信节点规划最优路径的通信节点路径模型；

路径规划优化单元，用于基于构建的碳原模型，采用碳原C传输算法对应急情况下的通信路径进行优化。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明通过利用碳原C传输算法对应急环境中通信节点路径规划问题实现优化，既分析了灾区节点传输的基本模型，又为灾区移动用户和救援工作的必要通信需求量身定制了高适配度的节点传输最优路径的请求方法。

2)本发明克服了应急通信资源在节点传输过程中分配不均、信号传输慢、通信内容存在失真卡顿等问题，有利于应急情况下通信现况的改善，为灾区通信网络提供科学且高质量的节点通信资源。

3)本发明通过对碳原C传输算法同通信路径进行同调优化和改进，解决了因应急情况导致的节点通信方式存在异常不适配问题，提高了应急通信资源再分配效率。

4)本发明采用平均中请距离计算路径多样性，以实际数据体现节点传输优化路径优化的必要性和重要性，有效降低了传输时延，提高了应急情况下的传输效率。

5)本发明采用的碳原C算法模型与同类算法相比，所提应急通信资源的节点传输优化方案可以有效提高调配效率和通信容量，保障灾区移动终端用户的必要需求。

附图说明

图1为本发明一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化方法的步骤流程图；

图2为本发明一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化装置的系统结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

寻找应急通信节点规划最优路径前提是由服务器(信号基站)、信号传导器、移动用户终端形成的通信路径完整且相互配合。对于灾区中不同移动用户所需的通讯资源进行路径优化，需要对节点传输同移动终端的高效协同：将用户需求转导为信号分子向上级传递，以获更合理的传输路径规划。

图1为本发明一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化方法，包括如下步骤：

步骤S1，基于碳原C传输创建碳原模型，以作为寻找应急通信节点规划最优路径的通信节点路径模型。

碳源模型为一种通信节点路径模型，即指，当单路径传输能力不足以解决复杂通信问题时，该路径可向周围其他传输节点的相关路径请求共用，以此作为各节点之间的信号传输沟通。本发明的碳原模型，包括以下的传输初始化、请求阶段、获得提高阶段三个步骤。

(1)通信初始化阶段

记通信任务规模为D，使用随机方式初始化传输，为：

x

其中，x

(2)请求阶段：

在请求阶段，传输任务需求反馈各传输节点调整，为寻求最优传输路径，对自身通信路径进行优化请求，以获得提高自节点间的传输能力，方法为：

x

其中，x

(3)获得提高阶段

在获得提高阶段，从各传输路径中随机选取一段节点作为提高对象，并结合全服务器最优信息对自身路径更新，方法为：若节点传输路径i优于路径k，则路径更新方法为：

x

若路径i劣于路径k，则路径更新方法为：

x

其中，route

步骤S2，基于构建的碳原模型，采用碳原C传输算法对应急情况下的通信路径进行优化。

具体地，步骤S2进一步包括：

步骤S2进一步包括：

步骤S200，基于构建的碳原模型实现碳原C传输算法。

具体地，步骤S200进一步包括：

步骤S200a，通信初始化。

其中通信初始化阶段与步骤S1的碳原模型相同，在此不予赘述。

步骤S200b，按照等分原则，将D段传输节点等分为E个子节，不能等分时，将多余节点随机分配到若干子节中。

由碳原模型可以看出，在模型的请求阶段和获得提高阶段，传输节点均需寻找当前最优路径，以保证在灾区等应急情况下的必要通信内容。这种单方向请求方式虽然能够加速算法收敛，但是严重破坏了通信节点稳定性，极易导致算法早熟，尤其当前最优为局部极值时，会引导算法陷入局部最优。因此，为了改善算法搜索过程中的通信节点紊乱问题，本发明提出了碳原C传输算法，在该碳原C传输算法中，首先按照等分原则，将D段传输节点等分为E个子节，不能等分时，将多余节点随机分配到若干子节中。

步骤S200c，改进的请求阶段：在改进的请求阶段中，按照就近向周围传输路径请求共用的原则，向同子节的其他较空闲路径借道，使其在局部区域内获得传输效率增长，为：

x

式中：abest

步骤S200d，改进获得提高阶段：

为了兼顾通信请求范围的全局性和其他通信通道的节点稳定性，在通信初期与请求阶段，提出三种通信沟通渠道来源：一是子节内其他节点，二是任意节点的最优路径，三是整个应急通信系统的最优个体。这种多渠道路径获取方法和提高方法，对提高应急通信传输效率具有重要意义。基于以上思想，节点传输路径i的更新机制为：

若路径i优于路径k，则：

x

若路径i劣于路径k，则：

x

其中，x

步骤S200e，每当算法迭代一定次数后，返回步骤S200b将子节重新随机分配，分配方法依然使用等数量随机分配。

算法搜索过程中只重点关注最优路径，而不关注传输需求均值，当应急环境下需由此增加通信传输量时也可采取碳原C传输方法，以增加通信传输内容多样性使节点路径在搜索区域较为平均地分布。然而，随着算法的迭代进行，路径必然向较优区域靠拢，就导致节点聚集度越来越高而多样性越来越差，为了维持路径多样性，每当算法迭代一定次数后，将子节重新随机分配，分配方法依然使用等数量随机分配。记子节重新分配的迭代周期为T，T越大有利于路径最优收敛，T越小有利于路径多样性。

路径多样性的计算方法有多种，包括所有路径的平均汉明距离、所有节点与路径中心距离之和、所有路径与通信服务器中心距离熵等，本发明使用曼哈顿距离计算路径多样性。

路径中节点p

两者的归一化距离为：

H(p

所有路径的曼哈顿距离为：

步骤S201，利用所述碳原C传输算法实现最优应急通信节点寻找路径规划。

在本发明具体实施例中，所述碳原C传输算法的基本思想为：优先选择通信需求等级较高的节点分配，当自身通信能力不足以提供当前解时，则需利用碳原C传输算法进行路径规划优化，以此来提高通信节点传输效率。

通过本发明采用的算法，可选择通信资源最早到达时间与活动开始时间之差最小的节点通信路径进行通信资源转移，从而适配应急环境中通信需求同有限节点传输路径之间的平衡与适配。

图2为本发明一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化装置的系统结构图。如图2所示，本发明一种应急环境中通信节点寻找路径规划优化装置，包括：

模型创建单元201，用于基于碳原C传输创建碳原模型，以作为寻找应急通信节点规划最优路径的通信节点路径模型。

碳源模型为一种通信节点路径模型，即指，当单路径传输能力不足以解决复杂通信问题时，该路径可向周围其他传输节点的相关路径请求共用，以此作为各节点之间的信号传输沟通。模型创建单元201创建的碳原模型，包括以下的传输初始化、请求阶段、获得提高阶段三个步骤。

(1)通信初始化阶段

记通信任务规模为D，使用随机方式初始化传输，为：

x

其中，x

(2)请求阶段：

在请求阶段，传输任务需求反馈各传输节点调整，为寻求最优传输路径，对自身通信路径进行优化请求，以获得提高自节点间的传输能力，方法为：

x

其中，x

(3)获得提高阶段

在获得提高阶段，从各传输路径中随机选取一段节点作为提高对象，并结合全服务器最优信息对自身路径更新，方法为：若节点传输路径i优于路径k，则路径更新方法为：

x

若路径i劣于路径k，则路径更新方法为：

x

其中，route

路径规划优化单元202，用于基于构建的碳原模型，采用碳原C传输算法对应急情况下的通信路径进行优化。

具体地，路径规划优化单元202进一步包括：

碳原C传输算法实现模块，用于基于构建的碳原模型实现碳原C传输算法。

具体地，碳原C传输算法实现模块具体用于：

1、通信初始化：

其中通信初始化阶段与步骤S1的碳原模型相同，在此不予赘述。

2、按照等分原则，将D段传输节点等分为E个子节，不能等分时，将多余节点随机分配到若干子节中。

由碳原模型可以看出，在模型的请求阶段和获得提高阶段，传输节点均需寻找当前最优路径，以保证在灾区等应急情况下的必要通信内容。这种单方向请求方式虽然能够加速算法收敛，但是严重破坏了通信节点稳定性，极易导致算法早熟，尤其当前最优为局部极值时，会引导算法陷入局部最优。因此，为了改善算法搜索过程中的通信节点紊乱问题，本发明提出了碳原C传输算法，在该碳原C传输算法中，首先按照等分原则，将D段传输节点等分为E个子节，不能等分时，将多余节点随机分配到若干子节中。

3、改进的请求阶段：在改进的请求阶段中，按照就近向周围传输路径请求共用的原则，向同子节的其他较空闲路径借道，使其在局部区域内获得传输效率增长，为：

x

式中：abest

4、改进获得提高阶段：

为了兼顾通信请求范围的全局性和其他通信通道的节点稳定性，在通信初期与请求阶段，提出三种通信沟通渠道来源：一是子节内其他节点，二是任意节点的最优路径，三是整个应急通信系统的最优个体。这种多渠道路径获取方法和提高方法，对提高应急通信传输效率具有重要意义。基于以上思想，节点传输路径i的更新机制为：

若路径i优于路径k，则：

x

若路径i劣于路径k，则：

x

其中，x

5、每当算法迭代一定次数后，返回2将子节重新随机分配，分配方法依然使用等数量随机分配。

算法搜索过程中只重点关注最优路径，而不关注传输需求均值，当应急环境下需由此增加通信传输量时也可采取碳原C传输方法，以增加通信传输内容多样性使节点路径在搜索区域较为平均地分布。然而，随着算法的迭代进行，路径必然向较优区域靠拢，就导致节点聚集度越来越高而多样性越来越差，为了维持路径多样性，每当算法迭代一定次数后，将子节重新随机分配，分配方法依然使用等数量随机分配。记子节重新分配的迭代周期为T，T越大有利于路径最优收敛，T越小有利于路径多样性。

路径多样性的计算方法有多种，包括所有路径的平均汉明距离、所有节点与路径中心距离之和、所有路径与通信服务器中心距离熵等，本发明使用曼哈顿距离计算路径多样性。

路径中节点p

两者的归一化距离为：

H(p

所有路径的曼哈顿距离为：

路径规划模块，用于利用所述碳原C传输算法实现最优应急通信节点寻找路径规划。

在本发明具体实施例中，所述碳原C传输算法的基本思想为：优先选择通信需求等级较高的节点分配，当自身通信能力不足以提供当前解时，则需利用碳原C传输算法进行路径规划优化，以此来提高通信节点传输效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。