m基于细菌觅食优化的DSR网络路由协议优化算法matlab仿真

1.算法仿真效果

matlab2022a仿真结果如下：

2.算法涉及理论知识概要

        移动自组网（Mobile Ad Hoc Network，简称MANET）是一种无需基础设施支持的网络，它由一组移动的节点组成，这些节点可以自组织形成一个网络，实现数据的传输和共享。由于MANET是一种去中心化的网络，因此其路由协议的设计非常重要。目前，常用的路由协议包括基于距离向量的协议、基于链路状态的协议、基于位置的协议等。其中，基于距离向量的协议最为简单易实现，但存在收敛慢、路由环路等问题；基于链路状态的协议收敛速度快，但需要维护全局状态信息，开销较大；基于位置的协议只考虑节点位置信息，无法应对网络拓扑变化等挑战。因此，设计一种高效的路由协议对MANET的性能具有重要意义。

       细菌觅食优化算法（Bacterial Foraging Optimization，简称BFO）是一种基于生物学观察的优化算法，模拟细菌在觅食过程中的行为，通过对细菌的繁殖和迁移等过程进行优化，最终寻找到最优解。近年来，BFO算法在路由协议优化领域得到了广泛应用，并取得了良好的效果。

       本文将介绍一种基于细菌觅食优化的DSR（Dynamic Source Routing）网络路由协议优化算法，通过对DSR协议中路由缓存表中条目的选择进行优化，提高路由效率，降低网络延迟和能耗。

1、DSR路由协议简介

      DSR路由协议是一种基于源路由（Source Routing）的协议，其主要思想是每个节点维护一个路由缓存表，其中存储着到达其他节点的路由信息。当一个节点需要发送数据时，它会查询自己的路由缓存表，如果找到了相应的路由，则直接发送数据；否则，它会向周围节点发送路由请求（Route Request，简称RREQ），询问到目的节点的路由信息。当一个节点收到RREQ时，如果它有到目的节点的路由信息，则会向源节点发送路由回复（Route Reply，简称RREP）；否则，它会向周围节点广播RREQ，以寻求其他节点的帮助。当RREP到达源节点时，源节点就可以通过缓存中的路由信息直接发送数据到目的节点。在DSR协议中，每个节点还可以维护一个路由维护表，用于定期清除失效的路由信息。

       DSR协议的优点是具有较好的可扩展性和适应性，能够适应节点移动、网络拓扑变化等多种场景。但是，由于DSR协议中节点需要查询路由缓存表和广播RREQ等操作，存在一定的路由开销和延迟，影响网络性能。因此，需要对DSR协议进行优化，提高路由效率。

2、基于细菌觅食优化的DSR路由协议优化算法

1.细菌觅食优化算法

       细菌觅食优化算法是一种基于生物学观察的优化算法，模拟细菌在觅食过程中的行为，通过不断迭代细菌的繁殖和迁移等过程，最终找到最优解。该算法的具体过程如下：

（1）初始化细菌群体，设置细菌的位置和营养值等参数；

（2）对每个细菌，根据当前位置计算其周围的营养浓度，根据一定规则（如随机游走、趋向梯度等）更新细菌的位置；

（3）根据细菌的营养值更新细菌的繁殖和死亡概率；

（4）随机选择两个细菌，根据其繁殖和死亡概率进行交叉和变异等操作，生成新的细菌群体；

（5）重复执行步骤2~4，直到满足终止条件（如达到最大迭代次数、收敛到一定精度等）。

细菌觅食优化算法的优点在于简单易实现、参数少、收敛速度较快等，适用于路由协议优化等领域。

2.基于细菌觅食优化的DSR路由协议优化算法

       基于细菌觅食优化的DSR路由协议优化算法的主要思想是通过优化路由缓存表中的条目选择，减少路由查询和维护的开销，提高路由效率。具体实现如下：

（1）定义优化目标：路由缓存表中的条目应尽量少，但能够满足到达其他节点的路由需求；

（2）初始化细菌群体：将路由缓存表中的每个条目看作一个细菌，每个细菌的位置代表当前缓存表中的某一个条目，每个细菌的营养值代表该条目被使用的频率；

（3）计算适应度函数：根据路由缓存表中的条目数和使用频率计算适应度函数，适应度函数越高表示该细菌对路由协议优化效果越好；

（4）更新细菌位置：根据细菌繁殖和死亡概率，以及一定的随机游走等规则，更新细菌的位置；

（5）交叉和变异操作：随机选择两个细菌，根据其繁殖和死亡概率进行交叉和变异操作，生成新的细菌群体；

（6）更新路由缓存表：根据优化后的细菌群体，选择营养值最高的条目作为路由缓存表中的条目，并清除其他条目；

（7）重复执行步骤3~6，直到满足终止条件。

在该算法中，适应度函数的定义对优化效果具有重要影响。一种常用的适应度函数定义如下：

f(x) = \frac{1}{c_1 \times n + c_2 \times f_u}

其中，c_1和c_2是常数，$n$表示路由缓存表中的条目数，$f_u$表示所有条目的使用频率之和。该适应度函数的含义是：当路由缓存表中的条目数较少，但使用频率较高时，适应度函数较大。

3.MATLAB核心程序

for ni = 1:length(Nnodes);
    ni
    %节点个数
    Nnode = Nnodes(ni);
    
    Delays2 = zeros(1,MTKL);%端到端时延
    consmp2 = zeros(1,MTKL);%网络拓扑控制开销  
    Srate2  = zeros(1,MTKL);%数据包递交率
    
    for jn = 1:MTKL
        X = rand(1,Nnode)*SCALE;  
        Y = rand(1,Nnode)*SCALE; 
        T = rand(1,Nnode); 
        Delays = zeros(Times,1);%端到端时延
        consmp = zeros(Times,1);%网络拓扑控制开销  
        Srate  = zeros(Times,1);%数据包递交率
        for t = 1:Times
            if t == 1
               X = X;
               Y = Y;
            else
               %节点发送随机的移动
               X = X + Vmax*rand;
               Y = Y + Vmax*rand;
            end
            %network topology 
            dmatrix= zeros(Nnode,Nnode);
            matrix = zeros(Nnode,Nnode);
            Trust  = zeros(Nnode,Nnode);
            for i = 1:Nnode 
                for j = 1:Nnode 
                    Dist = sqrt((X(i) - X(j))^2 + (Y(i) - Y(j))^2); 
                    %a link; 
                    if Dist <= Radius 
                       matrix(i,j)  = 1;   
                       Trust(i,j)   = 1-((T(i)+T(j))/2);
                       dmatrix(i,j) = Dist; 
                    else 
                       matrix(i,j)  = inf; 
                       Trust(i,j)   = inf; 
                       dmatrix(i,j) = inf; 
                    end; 
                end; 
            end;