自組網環境下協同能量保護和服務質量保證的模糊選路方法

2023-10-04 02:58:04 1

專利名稱：自組網環境下協同能量保護和服務質量保證的模糊選路方法
技術領域：
本發明是一種實現能量保護和Qos(Quality of service服務質量)保證之間協同優化的自組網環境下協同能量保護和Qos保證的模糊選路方法，屬於自組網應用的技術領域。
背景技術：
自組網(Ad Hoc Network)是由一組自主的無線移動節點或終端相互合作而形成的，它獨立於固定的基礎設施並且採用分布式管理。無中心、自組織、帶寬和能量受限是它的顯著特點。與傳統的蜂窩網絡相比，無線Ad Hoc網絡沒有基站，所有的節點都分布式運行，並且同時肩負著終端和路由器的功能，負責發現和維護到其他節點的路由，向鄰居節點發送或者轉發分組。
傳統自組網路由協議根據路由信息建立的方式和時間可以分為表驅動式路由協議和按需路由協議，這些路由協議方法由於沒有考慮節能技術，所以它們的能耗特徵隨著網絡狀態的變化呈現劇烈動態變化，由於自組網中的移動節點基本都是採用能量有限的電池供電，近年來，研究人員開始逐步關注節能的路由策略的研究，提出了一些新的方法，典型的如最小傳輸功率路由方法和最大最小剩餘能量路由方法，但這些策略方法在延長節點和網絡生存時間的同時，往往降低了傳統的網絡性能，例如降低了吞吐量，增加了延時等。另一方面，現有的自組網仍舊保留了在應用層提供儘可能服務的方式，路由策略沒有基於優先級進行選路，這表明在網絡層所有的負載包沒有服務區分，數據、聲音和視頻各報文只能享受同樣的服務，這導致在動態和資源有限的自組網中僅僅依靠應用層來實現具有Qos要求的多媒休應用將面臨巨大困難。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種將模糊控制機制引入路由發現和維護過程，以實現能量保護和Qos保證之間協同優化的自組網環境下協同能量保護和Qos保證的模糊選路方法。
技術方案模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制方法，它是人工智慧、控制理論和管理科學結合的產物。我們提出的方法是通過將模糊控制機制引入路由發現和維護過程，以實現能量保護和Qos保證之間的協同優化。
事實上，方法中的節點剩餘能量信息來源於底層(物理層)，而Qos需求來源於高層(應用層)，將這些信息協同考慮路徑，是跨層信息共享體系設計思想的具體體現和實踐。
其選路方法具體為第一步待選路由當一個源節點和一個目的節點需要通信時，如果它在路由表中沒有選路信息，源節點通過廣播一個擴展的路由請求分組給它的鄰居節點，當一個中間節點J收到一個路由請求分組，作如下處理①如果節點J已經收到重複的路由請求分組時，它丟棄冗餘的路由請求分組，不轉發；②如果節點J沒有到達目的節點的路由，則將本節點的移動速率、最大丟包率和最小相對剩餘能量與當前路由請求分組的相應三個欄位值相比較，如果當前節點的移動速率大於路由請求分組中的MaxS值，則將MaxS值用當前節點的移動速率值取代；如果當前節點的丟包率大於路由請求分組中的MaxL值，則將MaxL值用當前節點的丟包率取代；如果當前節點的剩餘能量小於路由請求分組中的取代路由請求分組中MinR值，則MinR用當前節點的剩餘能量值取代。以上操作確保了路由請求分組中上述三個欄位的值在到達目的節點後記錄下它所經過節點中的最大(小)值。J節點同時將自己的地址加入路由請求分組頭中，進行轉發；③如果節點J的路由緩存中查到了一個到達目的節點的未過時路由，它合併路由請求分組和路由緩衝中的路由，節點J按照當前路由請求分組中的路徑反向單播一個路由請求響應報文給源節點；④如果路由請求分組到達了目的節點，則由目的節點沿路由請求分組的路徑反向單播一個路由請求響應報文給源節點；
第二步延時策略當源節點收到首個路由請求響應報文後，並不立刻響應，而是根據當前網絡和收到的RREP中相關欄位的信息啟動一個延時函數，並在該延時區間內接收所有後續的RREP。
第三步路由選擇優化源節點在延時區間內由中間節點或者目標節點返回的RREP中的後選路由後，通過如下的模糊控制算法進行優化路由的選擇，模糊化及隸屬函數選擇四個路由選擇的度量標準節點的速度、節點的丟包率、節點的剩餘能量和路由端到端的延時，並以此構造一個四個輸入即前件S、前件R、前件L、前件D，和一個輸出即後件F的聯合模糊控制系統，來評判該路由的匹配度。
前件S節點的速率表示路由的穩定性和生存時間；前件R節點的剩餘能量將影響路由及網絡的生存時間；前件P節點的丟包率將影響報文的提交率，是服務質量的重要指標；前件D節點的延時將直接影響路由的服務質量；後件F該條路由匹配度，即被選中的可能性。
基於均衡能耗和延長網絡生存時間的目的，路由應該選擇經過那些擁有更高剩餘能量的節點，由於自組網中的移動節點的電池性能不同，因此不能只考慮絕對能量值，而應考慮相對能量，以下公式(2)定義了節點的相對剩餘能量R。R可以用模糊集合來表示， 動態的拓撲變化是自組網的突出特點，不穩定的路由將導致路由中斷和路由更新，既降低了傳統的網絡性能(如延時、吞吐率等)，又浪費了節點的能耗。因此，一個良好特性的路由應該儘可能地選擇通過那些移動速度S較小的節點，S可以用模糊集合來表示，結合實際情況，定義論域為
。
丟包率P和延遲D是Qos的兩個重要參數，定義論域為
，結合實際仿真系統情況，定義論域論域為
一條具有以上四個前件屬性的路由是否是最合適的路由，我們用模糊匹配度F(Fitness)來表示，F的隸屬度中，語言集「VW」，「W」，「A」，「S」，「VS」，分別表示「很弱」，「弱」，「一般」，「強」，「很強」。
延時函數的時間正比於路由的實際跳數，反比於關鍵節點的最大移動速率MaxS。延時函數如下 其中，s表示RREP中MaxS的值，S是指定的移動速率參照值，D(h)是一個根據路由跳數h而產生的變量，D(h)=0.05hops.]]>有益效果我們提出的EQ-DSR協議是根據自組網動態拓撲和能量有限的特性而設計的，同時，該協議在路由層提出了如何滿足未來多媒體業務所需要的服務質量的機制，EQ-DSR協議保留了動態源路由協議DSR的按需路由發現策略和源路由機制。在路由發現過程中引入了模糊控制的多指標自適應機制，進一步改改善了網絡的性能。仿真實驗已經表明EQ-DSR路由協議是一種有效的自適應路由協議，它不僅延長了系統的生存時間，而且同時具有較好的報文提交率。因為EQ-DSR策略可以通過對DSR路由策略的修改得到，因此實用性強。


圖1是hops＝4時的延時函數示意圖。
圖2是各模糊量的隸屬度函數。圖2(a)是節點相對剩餘能量R的模糊隸屬度函數示意圖，五個語言詞「VL」，「L」，「A」，「H」，「H」分別表示「很低」，「低」「中等」，「高」，「很高」；圖2(b)是節點移動速率S的模糊隸屬度函數示意圖，五個語言詞「VS」，「S」，「A」，「F」，「VF」分別表示「很慢」，「慢」，「中等」，「快」，「很快」；圖2(c)是節點丟包率P的模糊隸屬度函數示意圖，語言詞「VL」，「L」，「A」，「H」，「VH」分別表示「很低」，「低」，「一般」，「高」，「很高」；圖2(d)是路由端到端延遲D的模糊隸屬度函數示意圖，語言詞「VS」，「S」，「A」，「L」，「VL」分別表示「很小」，「小」「一般」，「長」，「很長」。
圖3是路由匹配度的模糊隸屬度函數示意圖，其中語言詞「VW」，「W」，「A」，「S」，「VS」，分別表示「很弱」，「弱」，「一般」，「強」，「很強」。
圖4是EQ-DSR協議核心步驟-路由選擇優化過程的操作步驟。
具體實施例方式
基於能量感知和服務質量的路由協議(EQ-DSR)的實現方案動態源路由協議(DSR)避免了周期性的路由廣播，但DSR是基於最短路由的算法，而沒有考慮到路由的其它度量，EQ-DSR路由協議正是在DSR算法的基礎上引入了模糊控制機制結合多種路由度量實現對路由發現和路由選擇的優化。
第一步對待選路由提取相當路由度量當一個源節點和一個目的節點需要通信時，如果它在路由表中沒有選路信息，源節點通過廣播一個擴展的路由請求分組(RREQ)給它的鄰居節點，擴展RREQ是在原來RREQ的報頭中增加了最大的移動速率欄位(MaxS)、最大的丟包率欄位(MaxL)、最小的相對剩餘能量欄位(MinR)。路由響應分組(RREP)的報頭中也同樣增加這三個欄位。當一個中間節點J收到一個RREQ時，作如下處理①如果節點J已經收到重複的RREQ時，它丟棄冗餘的RREQ，不轉發；②如果節點J沒有到達目的節點的路由，則將本節點的移動速率、最大丟包率和最小相對剩餘能量與當前RREQ的相應三個欄位值相比較，如果當前節點的移動速率大於RREQ中的MaxS值，則將MaxS值用當前節點的移動速率值取代；如果當前節點的丟包率大於RREQ中的MaxL值，則將MaxL值用當前節點的丟包率取代；如果當前節點的剩餘能量小於RREQ中的取代RREQ中MinR值，則MinR用當前節點的剩餘能量值取代。以上操作確保了RREQ中上述三個欄位的值在到達目的節點後記錄下它所經過節點中的最大(小)值；J節點同時將自己的地址加入RREQ分組頭中，進行轉發。
③如果節點J的路由緩存中查到了一個到達目的節點的未過時路由，它合併RREQ和路由緩衝中的路由，節點J按照當前RREQ中的路徑反向單播一個路由請求響應報文(RREP)給源節點。
④如果RREQ到達了目的節點，則由目的節點沿RREQ的路徑反向單播一個RREP給源節點。
⑤當源節點收到首個RREP後，並不立刻響應，而是根據當前網絡和收到的RREP中相關欄位的信息啟動一個延時函數，並在該延時區間內接收所有後續的RREP，由於Ad Hoc網絡的動態性和上層業務的隨機性，不同的延時函數會影響網絡的實際性能。我們定義了如以下(1)式的延時函數，該延時函數的時間正比於路由的實際跳數，反比於關鍵節點的最大移動速率MaxS。延時函數所示。
其中，s表示RREP中MaxS的值，S是指定的移動速率參照值，結合圖2(b)的論域，這裡我們定義為20；D(h)是一個根據路由跳數h而產生的變量，D(h)=0.05hops.]]>它的大小會影響實際的延時時間d(s)。圖1中顯示了路由跳數為4，D(h)＝0.1第二步模糊化源節點在延時區間內由中間節點或者目標節點返回的RREP中的後選路由後，通過如下的模糊控制算法進行優化路由的選擇。
我們選擇四個路由選擇的度量標準節點的速度、節點的丟包率、節點的剩餘能量和路由端到端的延時，並以此構造一個四個輸入(前件S、前件R、前件L、前件D)和一個輸出(後件F)的聯合模糊控制系統，來評判該路由的匹配度。
前件S節點的速率表示路由的穩定性和生存時間；前件R節點的剩餘能量將影響路由及網絡的生存時間；前件P節點的丟包率將影響報文的提交率，是服務質量的重要指標；前件D節點的延時將直接影響路由的服務質量；後件F該條路由匹配度，即被選中的可能性。
基於均衡能耗和延長網絡生存時間的目的，路由應該選擇經過那些擁有更高剩餘能量的節點，由於自組網中的移動節點的電池性能不同，因此不能只考慮絕對能量值，而應考慮相對能量，以下公式(2)定義了節點的相對剩餘能量R。R可以用模糊集合來表示，圖2(a)表示節點相對剩餘能量的模糊隸屬度。五個語言詞「R1」，「R2」，「R3」，「R4」，「R5」分別表示「很低」，「低」「中等」，「高」，「很高」，定義論域為
。

動態的拓撲變化是自組網的突出特點，不穩定的路由將導致路由中斷和路由更新，既降低了傳統的網絡性能(如延時、吞吐率等)，又浪費了節點的能耗。因此，一個良好特性的路由應該儘可能地選擇通過那些移動速度S較小的節點，S可以用模糊集合來表示，圖2(b)表示節點移動速率的模糊隸屬度。五個語言詞「S1」，「S2」，「S3」，「S4」，「S5」分別表示「很慢」，「慢」，「中等」，「快」，「很快」，結合實際情況，定義論域為
。
丟包率P和延遲D是Qos的兩個重要參數，圖2(c)表示丟包率的模糊隸屬度，語言詞「P1」，「P2」，「P3」，「P4」，「P5」分別表示「很低」，「低」，「一般」，「高」，「很高」，定義論域為
，圖2(d)表示延遲的模糊隸屬度。語言詞「D1」，「D2」，「D3」，「D4」，「D5」分別表示「很小」，「小」「一般」，「長」，「很長」。結合實際仿真系統情況，定義論域論域為
。
一條具有以上四個前件屬性的路由是否是最合適的路由，我們用模糊匹配度F(Fitness)來表示，圖3表示了F的隸屬度，其中語言詞「VW」，「W」，「A」，「S」，「VS」，分別表示「很弱」，「弱」，「一般」，「強」，「很強」。
第三步規則庫的建立和模糊推理過程由於具有四個前件，它們的模糊集元素分別為5，5，5，5，如果使用傳統的交叉法則組態(IRC)結構，則需要625條的推理法則，因此我們採用改進後的聯合法則組態(URC)結構制定規則。使用基於URC結構的規則只需要52+52＝50，而且簡化後的規則可以較好地賦與匹配度如圖3所示的指標。具體的規則如表1和表2所示。
表1.路由匹配度的模糊規則1

表2.路由匹配度的模糊規則2

第四步反模糊化我們使用最大隸屬度法對輸出量F1和F2進行清晰化計算，分別得到W1和W2。
第五步依匹配度選擇優化路由按照(3)式加權得到最後的匹配度F，其中λ1+λ2＝1。
F＝λ1W1+λ2W2(3)我們將EQ-DSR協議核心步驟一路由選擇優化過程的操作步驟表示如下a、對待選路由提取相關路由度量標準速率、剩餘能量延時、丟棄率，b、模糊化處理，c、結合模糊庫進行模糊推理，d、反模糊化，e、依匹配度選擇優化路由。
權利要求
1.一種自組網環境下協同能量保護和服務質量保證的模糊選路方法，其特徵在於選路方法為第一步待選路由當一個源節點和一個目的節點需要通信時，如果它在路由表中沒有選路信息，源節點通過廣播一個擴展的路由請求分組給它的鄰居節點，當一個中間節點J收到一個路由請求分組，作如下處理①如果節點J已經收到重複的路由請求分組時，它丟棄冗餘的路由請求分組，不轉發；②如果節點J沒有到達目的節點的路由，則將本節點的移動速率、最大丟包率和最小相對剩餘能量與當前路由請求分組的相應三個欄位值相比較，如果當前節點的移動速率大於路由請求分組中的MaxS值，則將MaxS值用當前節點的移動速率值取代；如果當前節點的丟包率大於路由請求分組中的MaxL值，則將MaxL值用當前節點的丟包率取代；如果當前節點的剩餘能量小於路由請求分組中的取代路由請求分組中MinR值，則MinR用當前節點的剩餘能量值取代。以上操作確保了路由請求分組中上述三個欄位的值在到達目的節點後記錄下它所經過節點中的最大(小)值。J節點同時將自己的地址加入路由請求分組頭中，進行轉發；③如果節點J的路由緩存中查到了一個到達目的節點的未過時路由，它合併路由請求分組和路由緩衝中的路由，節點J按照當前路由請求分組中的路徑反向單播一個路由請求響應報文給源節點；④如果路由請求分組到達了目的節點，則由目的節點沿路由請求分組的路徑反向單播一個路由請求響應報文給源節點；第二步延時策略當源節點收到首個路由請求響應報文後，並不立刻響應，而是根據當前網絡和收到的RREP中相關欄位的信息啟動一個延時函數，並在該延時區間內接收所有後續的RREP，第三步路由選擇優化源節點在延時區間內由中間節點或者目標節點返回的RREP中的後選路由後，通過模糊控制方法進行優化路由的選擇。
2.根據權利要求1所述的自組網環境下協同能量保護和服務質量保證的模糊選路方法，其特徵在於模糊控制方法為選擇四個路由選擇的度量標準節點的速度、節點的丟包率、節點的剩餘能量和路由端到端的延時，並以此構造一個四個輸入即前件S、前件R、前件L、前件D，和一個輸出即後件F的聯合模糊控制系統，來評判該路由的匹配度；前件S節點的速率表示路由的穩定性和生存時間；前件R節點的剩餘能量將影響路由及網絡的生存時間；前件P節點的丟包率將影響報文的提交率，是服務質量的重要指標；前件D節點的延時將直接影響路由的服務質量；後件F該條路由匹配度，即被選中的可能性。
3.根據權利要求1所述的自組網環境下協同能量保護和服務質量保證的模糊選路方法，其特徵在於為延時函數的時間正比於路由的實際跳數，反比於關鍵節點的最大移動速率MaxS，延時函數如下 其中，s表示RREP中MaxS的值，S是指定的移動速率參照值，D(h)是一個根據路由跳數h而產生的變量，D(h)=0.05hops.]]>它的大小會影響實際的延時時間d(s)。
全文摘要
自組網環境下協同能量保護和服務質量保證的模糊選路方法是一種實現能量保護和Qos保證之間協同優化的自組網環境下協同能量保護和Qos保證的模糊選路方法，其選路方法為第一步待選路由當一個源節點和一個目的節點需要通信時，如果它在路由表中沒有選路信息，源節點通過廣播一個擴展的路由請求分組給它的鄰居節點，第二步延時策略當源節點收到首個路由請求響應報文後，並不立刻響應，而是根據當前網絡和收到的RREP中相關欄位的信息啟動一個延時函數，並在該延時區間內接收所有後續的RREP，第三步路由選擇優化源節點在延時區間內由中間節點或者目標節點返回的RREP中的後選路由後，通過模糊控制方法進行優化路由的選擇。
文檔編號H04L12/56GK1599357SQ20041004147
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月26日 優先權日2004年7月26日
發明者鄭寶玉, 楊震, 許力 申請人:南京郵電學院