CN1599357A - 自组网环境下协同能量保护和服务质量保证的模糊选路方法 - Google Patents

Abstract

自组网环境下协同能量保护和服务质量保证的模糊选路方法是一种实现能量保护和Qos保证之间协同优化的自组网环境下协同能量保护和Qos保证的模糊选路方法，其选路方法为：第一步：待选路由：当一个源节点和一个目的节点需要通信时，如果它在路由表中没有选路信息，源节点通过广播一个扩展的路由请求分组给它的邻居节点，第二步：延时策略：当源节点收到首个路由请求响应报文后，并不立刻响应，而是根据当前网络和收到的RREP中相关字段的信息启动一个延时函数，并在该延时区间内接收所有后续的RREP，第三步：路由选择优化源节点在延时区间内由中间节点或者目标节点返回的RREP中的后选路由后，通过模糊控制方法进行优化路由的选择。

Description

自组网环境下协同能量保护和服务质量保证的模糊选路方法

                         技术领域

本发明是一种实现能量保护和Qos(Quality of service：服务质量)保证之间协同优化的自组网环境下协同能量保护和Qos保证的模糊选路方法，属于自组网应用的技术领域。

                          背景技术

自组网(Ad Hoc Network)是由一组自主的无线移动节点或终端相互合作而形成的，它独立于固定的基础设施并且采用分布式管理。无中心、自组织、带宽和能量受限是它的显著特点。与传统的蜂窝网络相比，无线Ad Hoc网络没有基站，所有的节点都分布式运行，并且同时肩负着终端和路由器的功能，负责发现和维护到其他节点的路由，向邻居节点发送或者转发分组。

传统自组网路由协议根据路由信息建立的方式和时间可以分为表驱动式路由协议和按需路由协议，这些路由协议方法由于没有考虑节能技术，所以它们的能耗特征随着网络状态的变化呈现剧烈动态变化，由于自组网中的移动节点基本都是采用能量有限的电池供电，近年来，研究人员开始逐步关注节能的路由策略的研究，提出了一些新的方法，典型的如最小传输功率路由方法和最大最小剩余能量路由方法，但这些策略方法在延长节点和网络生存时间的同时，往往降低了传统的网络性能，例如降低了吞吐量，增加了延时等。另一方面，现有的自组网仍旧保留了在应用层提供尽可能服务的方式，路由策略没有基于优先级进行选路，这表明在网络层所有的负载包没有服务区分，数据、声音和视频各报文只能享受同样的服务，这导致在动态和资源有限的自组网中仅仅依靠应用层来实现具有Qos要求的多媒休应用将面临巨大困难。

                            发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种将模糊控制机制引入路由发现和维护过程，以实现能量保护和Qos保证之间协同优化的自组网环境下协同能量保护和Qos保证的模糊选路方法。

技术方案：模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，它是人工智能、控制理论和管理科学结合的产物。我们提出的方法是通过将模糊控制机制引入路由发现和维护过程，以实现能量保护和Qos保证之间的协同优化。

事实上，方法中的节点剩余能量信息来源于底层(物理层)，而Qos需求来源于高层(应用层)，将这些信息协同考虑路径，是跨层信息共享体系设计思想的具体体现和实践。

其选路方法具体为：

第一步：待选路由：

当一个源节点和一个目的节点需要通信时，如果它在路由表中没有选路信息，源节点通过广播一个扩展的路由请求分组给它的邻居节点，当一个中间节点J收到一个路由请求分组，作如下处理：

①如果节点J已经收到重复的路由请求分组时，它丢弃冗余的路由请求分组，不转发；

②如果节点J没有到达目的节点的路由，则将本节点的移动速率、最大丢包率和最小相对剩余能量与当前路由请求分组的相应三个字段值相比较，如果当前节点的移动速率大于路由请求分组中的MaxS值，则将MaxS值用当前节点的移动速率值取代；如果当前节点的丢包率大于路由请求分组中的MaxL值，则将MaxL值用当前节点的丢包率取代；如果当前节点的剩余能量小于路由请求分组中的取代路由请求分组中MinR值，则MinR用当前节点的剩余能量值取代。以上操作确保了路由请求分组中上述三个字段的值在到达目的节点后记录下它所经过节点中的最大(小)值。J节点同时将自己的地址加入路由请求分组头中，进行转发；

③如果节点J的路由缓存中查到了一个到达目的节点的未过时路由，它合并路由请求分组和路由缓冲中的路由，节点J按照当前路由请求分组中的路径反向单播一个路由请求响应报文给源节点；

④如果路由请求分组到达了目的节点，则由目的节点沿路由请求分组的路径反向单播一个路由请求响应报文给源节点；

第二步：延时策略

当源节点收到首个路由请求响应报文后，并不立刻响应，而是根据当前网络和收到的RREP中相关字段的信息启动一个延时函数，并在该延时区间内接收所有后续的RREP。

第三步：路由选择优化

源节点在延时区间内由中间节点或者目标节点返回的RREP中的后选路由后，通过如下的模糊控制算法进行优化路由的选择，

模糊化及隶属函数

选择四个路由选择的度量标准：节点的速度、节点的丢包率、节点的剩余能量和路由端到端的延时，并以此构造一个四个输入即：前件S、前件R、前件L、前件D，和一个输出即：后件F的联合模糊控制系统，来评判该路由的匹配度。

前件S：节点的速率表示路由的稳定性和生存时间；

前件R：节点的剩余能量将影响路由及网络的生存时间；

前件P：节点的丢包率将影响报文的提交率，是服务质量的重要指标；

前件D：节点的延时将直接影响路由的服务质量；

后件F：该条路由匹配度，即被选中的可能性。

基于均衡能耗和延长网络生存时间的目的，路由应该选择经过那些拥有更高剩余能量的节点，由于自组网中的移动节点的电池性能不同，因此不能只考虑绝对能量值，而应考虑相对能量，以下公式(2)定义了节点的相对剩余能量R。R可以用模糊集合来表示，

动态的拓扑变化是自组网的突出特点，不稳定的路由将导致路由中断和路由更新，既降低了传统的网络性能(如延时、吞吐率等)，又浪费了节点的能耗。因此，一个良好特性的路由应该尽可能地选择通过那些移动速度S较小的节点，S可以用模糊集合来表示，结合实际情况，定义论域为[0，10]。

丢包率P和延迟D是Qos的两个重要参数，定义论域为[0，1]，结合实际仿真系统情况，定义论域论域为[0，0.5]

一条具有以上四个前件属性的路由是否是最合适的路由，我们用模糊匹配度F(Fitness)来表示，F的隶属度中，语言集“VW”，“W”，“A”，“S”，“VS”，分别表示“很弱”，“弱”，“一般”，“强”，“很强”。

延时函数的时间正比于路由的实际跳数，反比于关键节点的最大移动速率MaxS。延时函数如下：

其中，s表示RREP中MaxS的值，S是指定的移动速率参照值，D(h)是一个根据路由跳数h而产生的变量， $D\left(h\right)=0.05\sqrt{\mathrm{hops}}.$

有益效果：我们提出的EQ-DSR协议是根据自组网动态拓扑和能量有限的特性而设计的，同时，该协议在路由层提出了如何满足未来多媒体业务所需要的服务质量的机制，EQ-DSR协议保留了动态源路由协议DSR的按需路由发现策略和源路由机制。在路由发现过程中引入了模糊控制的多指标自适应机制，进一步改改善了网络的性能。仿真实验已经表明EQ-DSR路由协议是一种有效的自适应路由协议，它不仅延长了系统的生存时间，而且同时具有较好的报文提交率。因为EQ-DSR策略可以通过对DSR路由策略的修改得到，因此实用性强。

                         附图说明

图1是hops＝4时的延时函数示意图。

图2是各模糊量的隶属度函数。图2(a)是节点相对剩余能量R的模糊隶属度函数示意图，五个语言词“VL”，“L”，“A”，“H”，“H”分别表示“很低”，“低”“中等”，“高”，“很高”；图2(b)是节点移动速率S的模糊隶属度函数示意图，五个语言词“VS”，“S”，“A”，“F”，“VF”分别表示“很慢”，“慢”，“中等”，“快”，“很快”；图2(c)是节点丢包率P的模糊隶属度函数示意图，语言词“VL”，“L”，“A”，“H”，“VH”分别表示“很低”，“低”，“一般”，“高”，“很高”；图2(d)是路由端到端延迟D的模糊隶属度函数示意图，语言词“VS”，“S”，“A”，“L”，“VL”分别表示“很小”，“小”“一般”，“长”，“很长”。

图3是路由匹配度的模糊隶属度函数示意图，其中语言词“VW”，“W”，“A”，“S”，“VS”，分别表示“很弱”，“弱”，“一般”，“强”，“很强”。

图4是EQ-DSR协议核心步骤-路由选择优化过程的操作步骤。

                    具体实施方式

基于能量感知和服务质量的路由协议(EQ-DSR)的实现方案：

动态源路由协议(DSR)避免了周期性的路由广播，但DSR是基于最短路由的算法，而没有考虑到路由的其它度量，EQ-DSR路由协议正是在DSR算法的基础上引入了模糊控制机制结合多种路由度量实现对路由发现和路由选择的优化。

第一步：对待选路由提取相当路由度量

当一个源节点和一个目的节点需要通信时，如果它在路由表中没有选路信息，源节点通过广播一个扩展的路由请求分组(RREQ)给它的邻居节点，扩展RREQ是在原来RREQ的报头中增加了最大的移动速率字段(MaxS)、最大的丢包率字段(MaxL)、最小的相对剩余能量字段(MinR)。路由响应分组(RREP)的报头中也同样增加这三个字段。当一个中间节点J收到一个RREQ时，作如下处理：

①如果节点J已经收到重复的RREQ时，它丢弃冗余的RREQ，不转发；

②如果节点J没有到达目的节点的路由，则将本节点的移动速率、最大丢包率和最小相对剩余能量与当前RREQ的相应三个字段值相比较，如果当前节点的移动速率大于RREQ中的MaxS值，则将MaxS值用当前节点的移动速率值取代；如果当前节点的丢包率大于RREQ中的MaxL值，则将MaxL值用当前节点的丢包率取代；如果当前节点的剩余能量小于RREQ中的取代RREQ中MinR值，则MinR用当前节点的剩余能量值取代。以上操作确保了RREQ中上述三个字段的值在到达目的节点后记录下它所经过节点中的最大(小)值；J节点同时将自己的地址加入RREQ分组头中，进行转发。

③如果节点J的路由缓存中查到了一个到达目的节点的未过时路由，它合并RREQ和路由缓冲中的路由，节点J按照当前RREQ中的路径反向单播一个路由请求响应报文(RREP)给源节点。

④如果RREQ到达了目的节点，则由目的节点沿RREQ的路径反向单播一个RREP给源节点。

⑤当源节点收到首个RREP后，并不立刻响应，而是根据当前网络和收到的RREP中相关字段的信息启动一个延时函数，并在该延时区间内接收所有后续的RREP，由于Ad Hoc网络的动态性和上层业务的随机性，不同的延时函数会影响网络的实际性能。我们定义了如以下(1)式的延时函数，该延时函数的时间正比于路由的实际跳数，反比于关键节点的最大移动速率MaxS。延时函数所示。

其中，s表示RREP中MaxS的值，S是指定的移动速率参照值，结合图2(b)的论域，这里我们定义为20；D(h)是一个根据路由跳数h而产生的变量， $D\left(h\right)=0.05\sqrt{\mathrm{hops}}.$ 它的大小会影响实际的延时时间d(s)。图1中显示了路由跳数为4，D(h)＝0.1

第二步：模糊化

源节点在延时区间内由中间节点或者目标节点返回的RREP中的后选路由后，通过如下的模糊控制算法进行优化路由的选择。

我们选择四个路由选择的度量标准：节点的速度、节点的丢包率、节点的剩余能量和路由端到端的延时，并以此构造一个四个输入(前件S、前件R、前件L、前件D)和一个输出(后件F)的联合模糊控制系统，来评判该路由的匹配度。

前件S：节点的速率表示路由的稳定性和生存时间；

前件R：节点的剩余能量将影响路由及网络的生存时间；

前件P：节点的丢包率将影响报文的提交率，是服务质量的重要指标；

前件D：节点的延时将直接影响路由的服务质量；

后件F：该条路由匹配度，即被选中的可能性。

基于均衡能耗和延长网络生存时间的目的，路由应该选择经过那些拥有更高剩余能量的节点，由于自组网中的移动节点的电池性能不同，因此不能只考虑绝对能量值，而应考虑相对能量，以下公式(2)定义了节点的相对剩余能量R。R可以用模糊集合来表示，图2(a)表示节点相对剩余能量的模糊隶属度。五个语言词“R1”，“R2”，“R3”，“R4”，“R5”分别表示“很低”，“低”“中等”，“高”，“很高”，定义论域为[0，1]。

动态的拓扑变化是自组网的突出特点，不稳定的路由将导致路由中断和路由更新，既降低了传统的网络性能(如延时、吞吐率等)，又浪费了节点的能耗。因此，一个良好特性的路由应该尽可能地选择通过那些移动速度S较小的节点，S可以用模糊集合来表示，图2(b)表示节点移动速率的模糊隶属度。五个语言词“S1”，“S2”，“S3”，“S4”，“S5”分别表示“很慢”，“慢”，“中等”，“快”，“很快”，结合实际情况，定义论域为[0，10]。

丢包率P和延迟D是Qos的两个重要参数，图2(c)表示丢包率的模糊隶属度，语言词“P1”，“P2”，“P3”，“P4”，“P5”分别表示“很低”，“低”，“一般”，“高”，“很高”，定义论域为[0，1]，图2(d)表示延迟的模糊隶属度。语言词“D1”，“D2”，“D3”，“D4”，“D5”分别表示“很小”，“小”“一般”，“长”，“很长”。结合实际仿真系统情况，定义论域论域为[0，0.5]。

一条具有以上四个前件属性的路由是否是最合适的路由，我们用模糊匹配度F(Fitness)来表示，图3表示了F的隶属度，其中语言词“VW”，“W”，“A”，“S”，“VS”，分别表示“很弱”，“弱”，“一般”，“强”，“很强”。

第三步：规则库的建立和模糊推理过程

由于具有四个前件，它们的模糊集元素分别为5，5，5，5，如果使用传统的交叉法则组态(IRC)结构，则需要625条的推理法则，因此我们采用改进后的联合法则组态(URC)结构制定规则。使用基于URC结构的规则只需要52+52＝50，而且简化后的规则可以较好地赋与匹配度如图3所示的指标。具体的规则如表1和表2所示。

          表1.路由匹配度的模糊规则1

F1		R
							VL	L	A	H	VH
		S	VFFASVS	VWVWWWA	VWWWAS	WWASS						WASSVS	ASSVSVS

       表2.路由匹配度的模糊规则2

F2		L
							VH	H	A	L	VL
		D	VLLASVS	VWVWLWWA	VWWWARW	WWASS						WASSVS	ASSVSVS

第四步：反模糊化

我们使用最大隶属度法对输出量F1和F2进行清晰化计算，分别得到W1和W2。

第五步：依匹配度选择优化路由

按照(3)式加权得到最后的匹配度F，其中λ₁+λ₂＝1。

                       F＝λ₁W₁+λ₂W₂                     (3)

我们将EQ-DSR协议核心步骤一路由选择优化过程的操作步骤表示如下：

a、对待选路由提取相关路由度量标准：速率、剩余能量延时、丢弃率，

b、模糊化处理，

c、结合模糊库进行模糊推理，

d、反模糊化，

e、依匹配度选择优化路由。

Claims (3)

1、一种自组网环境下协同能量保护和服务质量保证的模糊选路方法，其特征在于选路方法为：

第一步：待选路由：

当一个源节点和一个目的节点需要通信时，如果它在路由表中没有选路信息，源节点通过广播一个扩展的路由请求分组给它的邻居节点，当一个中间节点J收到一个路由请求分组，作如下处理：

①如果节点J已经收到重复的路由请求分组时，它丢弃冗余的路由请求分组，不转发；

②如果节点J没有到达目的节点的路由，则将本节点的移动速率、最大丢包率和最小相对剩余能量与当前路由请求分组的相应三个字段值相比较，如果当前节点的移动速率大于路由请求分组中的MaxS值，则将MaxS值用当前节点的移动速率值取代；如果当前节点的丢包率大于路由请求分组中的MaxL值，则将MaxL值用当前节点的丢包率取代；如果当前节点的剩余能量小于路由请求分组中的取代路由请求分组中MinR值，则MinR用当前节点的剩余能量值取代。以上操作确保了路由请求分组中上述三个字段的值在到达目的节点后记录下它所经过节点中的最大(小)值。J节点同时将自己的地址加入路由请求分组头中，进行转发；

③如果节点J的路由缓存中查到了一个到达目的节点的未过时路由，它合并路由请求分组和路由缓冲中的路由，节点J按照当前路由请求分组中的路径反向单播一个路由请求响应报文给源节点；

④如果路由请求分组到达了目的节点，则由目的节点沿路由请求分组的路径反向单播一个路由请求响应报文给源节点；

第二步：延时策略

当源节点收到首个路由请求响应报文后，并不立刻响应，而是根据当前网络和收到的RREP中相关字段的信息启动一个延时函数，并在该延时区间内接收所有后续的RREP，

第三步：路由选择优化

源节点在延时区间内由中间节点或者目标节点返回的RREP中的后选路由后，通过模糊控制方法进行优化路由的选择。

2、根据权利要求1所述的自组网环境下协同能量保护和服务质量保证的模糊选路方法，其特征在于模糊控制方法为：

选择四个路由选择的度量标准：节点的速度、节点的丢包率、节点的剩余能量和路由端到端的延时，并以此构造一个四个输入即：前件S、前件R、前件L、前件D，和一个输出即：后件F的联合模糊控制系统，来评判该路由的匹配度；

前件S：节点的速率表示路由的稳定性和生存时间；

前件R：节点的剩余能量将影响路由及网络的生存时间；

前件P：节点的丢包率将影响报文的提交率，是服务质量的重要指标；

前件D：节点的延时将直接影响路由的服务质量；

后件F：该条路由匹配度，即被选中的可能性。

3、根据权利要求1所述的自组网环境下协同能量保护和服务质量保证的模糊选路方法，其特征在于为延时函数的时间正比于路由的实际跳数，反比于关键节点的最大移动速率MaxS，延时函数如下：

其中，s表示RREP中MaxS的值，S是指定的移动速率参照值，D(h)是一个根据路由跳数h而产生的变量， $D\left(h\right)=0.05\sqrt{\mathrm{hops}}.$ 它的大小会影响实际的延时时间d(s)。

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