專利名稱：自組網(wǎng)的協(xié)同能量保護和服務質(zhì)量保證的模糊選路方法
技術領域：
本發(fā)明是一種實現(xiàn)能量保護和Qos (Quality of service 服務質(zhì)量)保證之間協(xié) 同優(yōu)化的自組網(wǎng)環(huán)境下協(xié)同能量保護和Qos保證的模糊選路方法，屬于自組網(wǎng)應用的技術 領域。
背景技術：
自組網(wǎng)(Ad Hoc Network)是由一組自主的無線移動節(jié)點或終端相互合作而形成 的，它獨立于固定的基礎設施并且采用分布式管理。無中心、自組織、帶寬和能量受限是它 的顯著特點。與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡相比，無線Ad Hoc網(wǎng)絡沒有基站，所有的節(jié)點都分布式運 行，并且同時肩負著終端和路由器的功能，負責發(fā)現(xiàn)和維護到其他節(jié)點的路由，向鄰居節(jié)點 發(fā)送或者轉發(fā)分組。傳統(tǒng)自組網(wǎng)路由協(xié)議根據(jù)路由信息建立的方式和時間可以分為表驅動式路由協(xié) 議和按需路由協(xié)議，這些路由協(xié)議方法由于沒有考慮節(jié)能技術，所以它們的能耗特征隨著 網(wǎng)絡狀態(tài)的變化呈現(xiàn)劇烈動態(tài)變化，由于自組網(wǎng)中的移動節(jié)點基本都是采用能量有限的電 池供電，近年來，研究人員開始逐步關注節(jié)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余能量路由方法，但這些策略方法在延長節(jié)點 和網(wǎng)絡生存時間的同時，往往降低了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡性能，例如降低了吞吐量，增加了延時等。 另一方面，現(xiàn)有的自組網(wǎng)仍舊保留了在應用層提供盡可能服務的方式，路由策略沒有基于 優(yōu)先級進行選路，這表明在網(wǎng)絡層所有的負載包沒有服務區(qū)分，數(shù)據(jù)、聲音和視頻各報文只 能享受同樣的服務，這導致在動態(tài)和資源有限的自組網(wǎng)中僅僅依靠應用層來實現(xiàn)具有Qos 要求的多媒休應用將面臨巨大困難。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種將模糊控制機制引入路由發(fā)現(xiàn)和維護過程， 以實現(xiàn)能量保護和Qos保證之間協(xié)同優(yōu)化的自組網(wǎng)的協(xié)同能量保護和服務質(zhì)量保證的模 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，它是人工智能、控制理論和管理科學結合的產(chǎn)物。我們提出的方法是 通過將模糊控制機制引入路由發(fā)現(xiàn)和維護過程，以實現(xiàn)能量保護和Q0S保證之間的協(xié)同優(yōu) 化。事實上，方法中的節(jié)點剩余能量信息來源于底層(物理層)，而Qos需求來源于高 層(應用層)，將這些信息協(xié)同考慮路徑，是跨層信息共享體系設計思想的具體體現(xiàn)和實踐。其選路方法具體為
第一步待選路由當一個源節(jié)點和一個目的節(jié)點需要通信時，如果它在路由表中沒有選路信息，源節(jié)點通過廣播一個擴展的路由請求分組給它的鄰居節(jié)點，當一個中間節(jié)點J收到一個路由 請求分組，作如下處理①如果節(jié)點J已經(jīng)收到重復的路由請求分組時，它丟棄冗余的路由請求分組，不 轉發(fā)；②如果節(jié)點J沒有到達目的節(jié)點的路由，則將本節(jié)點的移動速率、最大丟包率和 最小相對剩余能量與當前路由請求分組的相應三個字段值相比較，如果當前節(jié)點的移動速 率大于路由請求分組中的MaxS值，則將MaxS值用當前節(jié)點的移動速率值取代；如果當前節(jié) 點的丟包率大于路由請求分組中的MaxL值，則將MaxL值用當前節(jié)點的丟包率取代；如果當 前節(jié)點的剩余能量小于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(jié) 點的剩余能量值取代。以上操作確保了路由請求分組中上述三個字段的值在到達目的節(jié)點 后記錄下它所經(jīng)過節(jié)點中的最大(小)值。J節(jié)點同時將自己的地址加入路由請求分組頭 中，進行轉發(fā)； ③如果節(jié)點J的路由緩存中查到了一個到達目的節(jié)點的未過時路由，它合并路由 請求分組和路由緩沖中的路由，節(jié)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(jié)點；④如果路由請求分組到達了目的節(jié)點，則由目的節(jié)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(jié)點；第二步延時策略當源節(jié)點收到首個路由請求響應報文后，并不立刻響應，而是根據(jù)當前網(wǎng)絡和收 到的RREP中相關字段的信息啟動一個延時函數(shù)，并在該延時區(qū)間內(nèi)接收所有后續(xù)的RREP。第三步路由選擇優(yōu)化源節(jié)點在延時區(qū)間內(nèi)由中間節(jié)點或者目標節(jié)點返回的RREP中的后選路由后，通 過如下的模糊控制算法進行優(yōu)化路由的選擇，模糊化及隸屬函數(shù)選擇四個路由選擇的度量標準節(jié)點的速度、節(jié)點的丟包率、節(jié)點的剩余能量和路 由端到端的延時，并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 即后件F的聯(lián)合模糊控制系統(tǒng)，來評判該路由的匹配度。前件S 節(jié)點的速率表示路由的穩(wěn)定性和生存時間；前件R 節(jié)點的剩余能量將影響路由及網(wǎng)絡的生存時間；前件P 節(jié)點的丟包率將影響報文的提交率，是服務質(zhì)量的重要指標；前件D 節(jié)點的延時將直接影響路由的服務質(zhì)量；后件F 該條路由匹配度，即被選中的可能性?；诰饽芎暮脱娱L網(wǎng)絡生存時間的目的，路由應該選擇經(jīng)過那些擁有更高剩余 能量的節(jié)點，由于自組網(wǎng)中的移動節(jié)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(jié)點的相對剩余能量R。R可以用模糊集合來表示，
節(jié)點的剩余能量 …、 K =--κΖ)
節(jié)點初始總能量 動態(tài)的拓撲變化是自組網(wǎng)的突出特點，不穩(wěn)定的路由將導致路由中斷和路由更新，既降低了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡性能(如延時、吞吐率等)，又浪費了節(jié)點的能耗。因此，一個良好 特性的路由應該盡可能地選擇通過那些移動速度S較小的節(jié)點，S可以用模糊集合來表示， 結合實際情況，定義論域為W，10]。丟包率P和延遲D是Qos的兩個重要參數(shù)，定義論域為W，1]，結合實際仿真系統(tǒng) 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(xiàn)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(shù)的時間正比于路由的實際跳數(shù)，反比于關鍵節(jié)點的最大移動速率MaxS。 延時函數(shù)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(jù)路 由跳數(shù)h而產(chǎn)生的變量，1)(/2) = 0.05 JJ^。有益效果我們提出的EQ-DSR協(xié)議是根據(jù)自組網(wǎng)動態(tài)拓撲和能量有限的特性而設計 的，同時，該協(xié)議在路由層提出了如何滿足未來多媒體業(yè)務所需要的服務質(zhì)量的機制，EQ-DSR 協(xié)議保留了動態(tài)源路由協(xié)議DSR的按需路由發(fā)現(xiàn)策略和源路由機制。在路由發(fā)現(xiàn)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(wǎng)絡的性能。仿真實驗已經(jīng)表明EQ-DSR路 由協(xié)議是一種有效的自適應路由協(xié)議，它不僅延長了系統(tǒng)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(shù)示意圖。圖2是各模糊量的隸屬度函數(shù)。圖2 (a)是節(jié)點相對剩余能量R的模糊隸屬度函數(shù) 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(jié)點移動速率S的模糊隸屬度函數(shù)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(jié)點丟包率P的模糊隸屬度函數(shù) 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(shù)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(shù)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(xié)議核心步驟-路由選擇優(yōu)化過程的操作步驟。
具體實施例方式基于能量感知和服務質(zhì)量的路由協(xié)議(EQ-DSR)的實現(xiàn)方案
動態(tài)源路由協(xié)議(DSR)避免了周期性的路由廣播，但DSR是基于最短路由的算法，而沒有考慮到路由的其它度量，EQ-DSR路由協(xié)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(xiàn)對路由發(fā)現(xiàn)和路由選擇的優(yōu)化。第一步對待選路由提取相當路由度量當一個源節(jié)點和一個目的節(jié)點需要通信時，如果它在路由表中沒有選路信息，源 節(jié)點通過廣播一個擴展的路由請求分組(RREQ)給它的鄰居節(jié)點，擴展RREQ是在原來RREQ 的報頭中增加了最大的移動速率字段(MaxS)、最大的丟包率字段(MaxL)、最小的相對剩余 能量字段(MinR)。路由響應分組(RREP)的報頭中也同樣增加這三個字段。當一個中間節(jié) 點J收到一個RREQ時，作如下處理①如果節(jié)點J已經(jīng)收到重復的RREQ時，它丟棄冗余的RREQ，不轉發(fā)；②如果節(jié)點J沒有到達目的節(jié)點的路由，則將本節(jié)點的移動速率、最大丟包率和 最小相對剩余能量與當前RREQ的相應三個字段值相比較，如果當前節(jié)點的移動速率大于 RREQ中的MaxS值，則將MaxS值用當前節(jié)點的移動速率值取代；如果當前節(jié)點的丟包率大 于RREQ中的MaxL值，則將MaxL值用當前節(jié)點的丟包率取代；如果當前節(jié)點的剩余能量小 于RREQ中的取代RREQ中MinR值，則MinR用當前節(jié)點的剩余能量值取代。以上操作確保 了 RREQ中上述三個字段的值在到達目的節(jié)點后記錄下它所經(jīng)過節(jié)點中的最大(小)值J 節(jié)點同時將自己的地址加入RREQ分組頭中，進行轉發(fā)。③如果節(jié)點J的路由緩存中查到了一個到達目的節(jié)點的未過時路由，它合并RREQ 和路由緩沖中的路由，節(jié)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(jié)點。④如果RREQ到達了目的節(jié)點，則由目的節(jié)點沿RREQ的路徑反向單播一個RREP給 源節(jié)點。⑤當源節(jié)點收到首個RREP后，并不立刻響應，而是根據(jù)當前網(wǎng)絡和收到的RREP中 相關字段的信息啟動一個延時函數(shù)，并在該延時區(qū)間內(nèi)接收所有后續(xù)的RREP，由于Ad Hoc 網(wǎng)絡的動態(tài)性和上層業(yè)務的隨機性，不同的延時函數(shù)會影響網(wǎng)絡的實際性能。我們定義了 如以下(1)式的延時函數(shù)，該延時函數(shù)的時間正比于路由的實際跳數(shù)，反比于關鍵節(jié)點的 最大移動速率MaxS。延時函數(shù)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， 這里我們定義為20 ；D(h)是一個根據(jù)路由跳數(shù)h而產(chǎn)生的變量，Z)(/0 = 0.05V^。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(shù)為4，D(h) = 0. 1第二步模糊化源節(jié)點在延時區(qū)間內(nèi)由中間節(jié)點或者目標節(jié)點返回的RREP中的后選路由后，通過如下的模糊控制算法進行優(yōu)化路由的選擇。
我們選擇四個路由選擇的度量標準節(jié)點的速度、節(jié)點的丟包率、節(jié)點的剩余能量 和路由端到端的延時，并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(后件F)的聯(lián)合模糊控制系統(tǒng)，來評判該路由的匹配度。前件S 節(jié)點的速率表示路由的穩(wěn)定性和生存時間；前件R 節(jié)點的剩余能量將影響路由及網(wǎng)絡的生存時間；前件P 節(jié)點的丟包率將影響報文的提交率，是服務質(zhì)量的重要指標；前件D 節(jié)點的延時將直接影響路由的服務質(zhì)量；后件F 該條路由匹配度，即被選中的可能性?；诰饽芎暮脱娱L網(wǎng)絡生存時間的目的，路由應該選擇經(jīng)過那些擁有更高剩余 能量的節(jié)點，由于自組網(wǎng)中的移動節(jié)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(jié)點的相對剩余能量R。R可以用模糊集合來表示，圖 2(a)表示節(jié)點相對剩余能量的模糊隸屬度。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
ο
D 節(jié)點的剩余能量，、
R =--(2)
節(jié)點初始總能量動態(tài)的拓撲變化是自組網(wǎng)的突出特點，不穩(wěn)定的路由將導致路由中斷和路由更 新，既降低了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡性能(如延時、吞吐率等)，又浪費了節(jié)點的能耗。因此，一個良好 特性的路由應該盡可能地選擇通過那些移動速度S較小的節(jié)點，S可以用模糊集合來表示， 圖2(b)表示節(jié)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(shù)，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“01”，“02”，“03”，“04”，“05”分別表示 “很小”，“小” “一般”，“長”，“很長”。結合實際仿真系統(tǒng)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(guī)則庫的建立和模糊推理過程由于具有四個前件，它們的模糊集元素分別為5，5，5，5，如果使用傳統(tǒng)的交叉法則 組態(tài)(IRC)結構，則需要625條的推理法則，因此我們采用改進后的聯(lián)合法則組態(tài)(URC)結 構制定規(guī)則。使用基于URC結構的規(guī)則只需要52+52 = 50，而且簡化后的規(guī)則可以較好地 賦與匹配度如圖3所示的指標。具體的規(guī)則如表1和表2所示。表1.路由匹配度的模糊規(guī)則1 表2.路由匹配度的模糊規(guī)則2 第四步反模糊化我們使用最大隸屬度法對輸出量Fl和F2進行清晰化計算，分別得到Wl和W2。第五步依匹配度選擇優(yōu)化路由按照(3)式加權得到最后的匹配度F，其中λ1+λ2 = 1。F=A ^1+ λ 2ff2(3)我們將EQ-DSR協(xié)議核心步驟-路由選擇優(yōu)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、剩余能量延時、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(yōu)化路由。
權利要求
一種自組網(wǎng)的協(xié)同能量保護和服務質(zhì)量保證的模糊選路方法，其特征在于該選路方法為第一步待選路由當一個源節(jié)點和一個目的節(jié)點需要通信時，如果它在路由表中沒有選路信息，源節(jié)點通過廣播一個擴展的路由請求分組給它的鄰居節(jié)點，當一個中間節(jié)點J收到一個路由請求分組，作如下處理①如果節(jié)點J已經(jīng)收到重復的路由請求分組時，它丟棄冗余的路由請求分組，不轉發(fā)；②如果節(jié)點J沒有到達目的節(jié)點的路由，則將本節(jié)點的移動速率、最大丟包率和最小相對剩余能量與當前路由請求分組的相應三個字段值相比較，如果當前節(jié)點的移動速率大于路由請求分組中的MaxS值，則將MaxS值用當前節(jié)點的移動速率值取代；如果當前節(jié)點的丟包率大于路由請求分組中的MaxL值，則將MaxL值用當前節(jié)點的丟包率取代；如果當前節(jié)點的剩余能量小于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(jié)點的剩余能量值取代；以上操作確保了路由請求分組中上述三個字段的值在到達目的節(jié)點后記錄下它所經(jīng)過節(jié)點中的最大或最小值。J節(jié)點同時將自己的地址加入路由請求分組頭中，進行轉發(fā)；③如果節(jié)點J的路由緩存中查到了一個到達目的節(jié)點的未過時路由，它合并路由請求分組和路由緩沖中的路由，節(jié)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(jié)點；④如果路由請求分組到達了目的節(jié)點，則由目的節(jié)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(jié)點；第二步延時策略當源節(jié)點收到首個路由請求響應報文后，并不立刻響應，而是根據(jù)當前網(wǎng)絡和收到的RREP中相關字段的信息啟動一個延時函數(shù)，并在該延時區(qū)間內(nèi)接收所有后續(xù)的RREP，第三步路由選擇優(yōu)化源節(jié)點在延時區(qū)間內(nèi)由中間節(jié)點或者目標節(jié)點返回的RREP中的后選路由后，通過模糊控制方法進行優(yōu)化路由的選擇。
2.根據(jù)權利要求1所述的自組網(wǎng)環(huán)境下協(xié)同能量保護和服務質(zhì)量保證的模糊選路方 法，其特征在于模糊控制方法為選擇四個路由選擇的度量標準節(jié)點的速度、節(jié)點的丟包率、節(jié)點的剩余能量和路由端 到端的延時，并以此構造一個四個輸入即前件S、前件R、前件L、前件D，和一個輸出即后 件F的聯(lián)合模糊控制系統(tǒng)，來評判該路由的匹配度；前件S 節(jié)點的速率表示路由的穩(wěn)定性和生存時間；前件R 節(jié)點的剩余能量將影響路由及網(wǎng)絡的生存時間；前件P 節(jié)點的丟包率將影響報文的提交率，是服務質(zhì)量的重要指標；前件D 節(jié)點的延時將直接影響路由的服務質(zhì)量；后件F 該條路由匹配度，即被選中的可能性。
3.根據(jù)權利要求1所述的自組網(wǎng)環(huán)境下協(xié)同能量保護和服務質(zhì)量保證的模糊選路方 法，其特征在于所述的延時函數(shù)的時間正比于路由的實際跳數(shù)，反比于關鍵節(jié)點的最大移 動速率MaxS，延時函數(shù)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(jù)路由跳 數(shù)h而產(chǎn)生的變量，= 0.05^/^。它的大小會影響實際的延時時間d(s)。
全文摘要
自組網(wǎng)環(huán)境下協(xié)同能量保護和服務質(zhì)量保證的模糊選路方法是一種實現(xiàn)能量保護和Qos保證之間協(xié)同優(yōu)化的自組網(wǎng)環(huán)境下協(xié)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(jié)點和一個目的節(jié)點需要通信時，如果它在路由表中沒有選路信息，源節(jié)點通過廣播一個擴展的路由請求分組給它的鄰居節(jié)點，第二步延時策略當源節(jié)點收到首個路由請求響應報文后，并不立刻響應，而是根據(jù)當前網(wǎng)絡和收到的RREP中相關字段的信息啟動一個延時函數(shù)，并在該延時區(qū)間內(nèi)接收所有后續(xù)的RREP，第三步路由選擇優(yōu)化源節(jié)點在延時區(qū)間內(nèi)由中間節(jié)點或者目標節(jié)點返回的RREP中的后選路由后，通過模糊控制方法進行優(yōu)化路由的選擇。
文檔編號H04W80/04GK101867994SQ20101020469
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權日2010年6月21日
發(fā)明者楊震, 鄭寶玉, 陳宗明 申請人:南京郵電大學