基于模糊邏輯的可靠機會路由協(xié)議設(shè)計

黃詩雅，李 強，李新民，林茂松

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，綿陽 621010；2.西南科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，綿陽 621010）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，新的路由方式要求大量低功耗、低成本的嵌入式設(shè)備可靠接入，然而工業(yè)園區(qū)無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有環(huán)境復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大等特點[1]，在節(jié)點資源有限的條件下，如何保證數(shù)據(jù)高效可靠的傳輸對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要[2]。

在傳統(tǒng)確定性路由方式中，頻繁的鏈路層數(shù)據(jù)重傳將消耗大量的帶寬資源[3]。而機會路由充分利用了無線信道的廣播特性[4]，節(jié)點間的競爭選擇考慮了鏈路可靠性、節(jié)點成本和路徑成本，有效提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和傳輸可靠性[5],解決了傳統(tǒng)路由在惡劣環(huán)境下路由效率不高的問題。機會路由中，基于最短路徑的機會路由研究有很多，如GEDAR（Geographic and Opportunistic Routing with Depth Adjustment-based Topology Control for Communication Recovery）[6]、TOUR (Utility-based Routing)[7]等。后來，許多研究人員針對網(wǎng)絡(luò)中的能耗問題，提出了節(jié)能機會路由，I-AREOR（Improved-Adaptive Ranking based Energy-efficient Opportunistic Routing Protocol）[8]協(xié)議根據(jù)節(jié)點密度、相對距離及能耗選擇傳輸路徑，延長網(wǎng)絡(luò)生命。Fradj[9]使用一種新的轉(zhuǎn)發(fā)列表EEOR-FL（Energy-Efficient Opportunistic Routing Using a New Forward List），最大限度地延長了網(wǎng)絡(luò)壽命，但上述機會路由協(xié)議均將能耗作為考慮重點，對于無線傳輸過程中的鏈路不可靠問題，僅依靠機會路由機制來提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。有學(xué)者為了提升數(shù)據(jù)傳輸可靠性，使用基于鏈路質(zhì)量的機會路由協(xié)議，ExOR（Extremely Opportunistic Routing）利用軟件度量估計鏈路質(zhì)量；ELMOR（Expecting Lowest-residue-energy Maximization Opportunistic Routing）[10]是針對果園網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的機會路由，考慮鏈路連通概率和中繼節(jié)點選擇的能耗預(yù)期，對鏈路連通情況采用PRR和信號強度共同對鏈路連接情況進行判斷，雖然上述協(xié)議在路由過程中考慮了鏈路質(zhì)量以減輕鏈路的不可靠性[11]，然而現(xiàn)有方法仍然無法準確度量鏈路質(zhì)量。

針對工業(yè)園區(qū)中多徑衰落效應(yīng)容易造成節(jié)點間連通不穩(wěn)定的問題，本文設(shè)計了一種基于鏈路質(zhì)量估計的機會路由協(xié)議，該協(xié)議利用模糊邏輯建立鏈路估計器數(shù)學(xué)模型，輸入當前鏈路的分組投遞率（Packet Reception Rate，PRR）、信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）以及接收信號強度（Received Signal Strength Indicator，RSSI），輸出鏈路評價因子LQ（Link Quality）估計當前傳輸鏈路的通信質(zhì)量。為了進一步優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)候選集，所提協(xié)議通過節(jié)點的地理位置信息解決機會路由過程中造成的多重分組問題。實驗結(jié)果表明，所提協(xié)議LQOR對比已有機會路由分組投遞率最大增幅9.8%，數(shù)據(jù)冗余程度平均減少11.36%，增加了數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

1 原理與方法

1.1 信道模型

由于工業(yè)園區(qū)中建筑物的遮擋，數(shù)據(jù)傳輸過程中無線信道遵循陰影衰落模型，節(jié)點間信道模型由兩部分組成，如式(1)所示：第一部分是路徑衰落模型，它能夠預(yù)測出當距離為d時接收到的平均能量Pr(d)，并使用了一個接近中心距離d0處的平均能量Pr(d0)作為參考；第二部分是一個對數(shù)正態(tài)隨機變量，反映了當距離一定時，接收到能量的變化。

其中，XdB是高斯隨機變量，σdB是標準偏差，即陰影偏差。β是路徑損耗指數(shù)，接收平均能量的下降速度隨著距離以及障礙物的增多逐漸加快。在NS2仿真時，選取β為2.7～3.5，σdB為4dB[12]。

1.2 鏈路質(zhì)量估計模型

為了保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性，本文在現(xiàn)有機會路由的基礎(chǔ)上，為每一條鏈路構(gòu)建鏈路估計器，轉(zhuǎn)發(fā)候選集的度量標準使用期望最佳鏈路質(zhì)量。為了進一步提升鏈路質(zhì)量估計的精確度，針對機會路由在鏈路質(zhì)量估計上的不足，本文使用硬件度量與軟件度量結(jié)合的方式，利用模糊邏輯對鏈路質(zhì)量估計進行優(yōu)化，提出了使用鏈路質(zhì)量的路由測度LQ算法。在鏈路質(zhì)量估計中，本文利用PRR、RSSI與SNR三個指標共同度量鏈路質(zhì)量：首先根據(jù)RSSI與PRR、SNR與PRR的關(guān)系，對數(shù)據(jù)進行模糊處理，構(gòu)造隸屬度函數(shù)；然后建立IF-THEN規(guī)則；最后解模糊化得到鏈路質(zhì)量估計值。

1.2.1 數(shù)據(jù)接收概率

數(shù)據(jù)接收概率PRR表示了鏈路成功交付數(shù)據(jù)的能力。根據(jù)文獻[13]，將通信區(qū)域劃分為三個區(qū)域：連通區(qū)、過渡區(qū)、以及斷開區(qū)。連通區(qū)具有PRR大于等于90%的特點；過渡區(qū)的PRR在10%～90%之間無規(guī)律波動；斷開區(qū)的PRR小于10%。在統(tǒng)計PRR過程中，為了抵消PRR的暫態(tài)波動，本文采用EWMA（Exponentially Weighted Moving Average）濾波器對PRR計算結(jié)果進行平滑，平滑后的結(jié)果根據(jù)式(2)計算得出：

其中，σ是平滑因子，控制平滑度，ω為估計窗口。根據(jù)文獻[13]建議的α=0.6，ω=5，以維持穩(wěn)定性和反應(yīng)性之間的良好平衡，信噪比與信號接收強度均做同樣的濾波處理。

1.2.2 信噪比

節(jié)點收集到的物理層數(shù)據(jù)SNR和數(shù)據(jù)投遞率之間存在著相關(guān)性，現(xiàn)有對SNR與數(shù)據(jù)投遞率關(guān)系的研究表明[11]：SNR均值在12dB以上，鏈路質(zhì)量較好，目的節(jié)點可以接收到所有的數(shù)據(jù)包；SNR均值在4～12dB之間，鏈路質(zhì)量表現(xiàn)出較大的波動，目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)包的比率呈現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)；SNR低于4dB，目的節(jié)點接收到較少的數(shù)據(jù)包，鏈路不適合通信。節(jié)點得到SNR信息后，本文使用EWMA對SNR平滑濾波：

1.2.3 接收信號強度

在過渡區(qū)通信時，微小的環(huán)境或信號變化都可能造成數(shù)據(jù)接收率的劇烈變化，所以單獨的PRR往往不能準確度量鏈路傳輸質(zhì)量。文獻[14]指出，當RSSI值較大時，PRR的值也較大，且當RSSI值大于-86dBm時，PRR基本上處于0.9以上；當RSSI值較小時，PRR值也較?。划擱SSI值小于-94dBm時，PRR迅速衰減至0。節(jié)點得到RSSI信息后，本文使用EWMA對RSSI平滑濾波：

物理層參數(shù)的統(tǒng)計只是針對于已經(jīng)成功接收到的數(shù)據(jù)包，會對鏈路過高估計，所以在統(tǒng)計結(jié)束后利用模糊規(guī)則將物理層鏈路質(zhì)量同網(wǎng)絡(luò)層分組投遞率相結(jié)合，綜合度量鏈路質(zhì)量以提高鏈路質(zhì)量估計的準確性。本文利用EWMA濾波器平滑周期統(tǒng)計到PRR、SNR和RSSI值后，根據(jù)城市應(yīng)用場景下無線自組網(wǎng)的特點，利用模糊集對鏈路估計的三個參量進行定義：數(shù)據(jù)接收概率｛Low，Medium，High｝，如圖1(a)所示，當投遞率高于90%的時候，映射到High的隸屬度為1；信噪比｛Low，High｝，如圖1(b)所示，為了從硬件層面直觀獲得可靠性高的鏈路，必須選取信噪比大于12，映射到High的隸屬度為1；信號強度｛Low，High｝，如圖1(c)所示，當信號強度高于-86dBm時，映射到High的隸屬度為1。針對城市中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確定相應(yīng)的三角形隸屬度函數(shù)，對多條鏈路參數(shù)進行模糊定義。

圖1 鏈路質(zhì)量估計隸屬度函數(shù)

根據(jù)工業(yè)園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)具有多徑衰落的傳播特點，鏈路質(zhì)量估計器使用投遞率、信號強度、信噪比三個指標作為輸入，結(jié)合本文定義的模糊規(guī)則表1，可以映射出鏈路質(zhì)量等級的模糊描述，分別用｛perfect；good；accept；not accept；bad｝表示。

表1 模糊規(guī)則表

圖3(d)為鏈路質(zhì)量LQ的隸屬度函數(shù)，LQ將PRR、SNR、RSSI均衡組合，使用min-max方法獲得LQ的隸屬度，使鏈路質(zhì)量的評估不再是以單一輸入表示，模糊邏輯也為鏈路質(zhì)量的等級提供更加細粒度的區(qū)分。如式(5)利用重心法去模糊化，

其中μ(x)∈[0,1]為鏈路質(zhì)量的隸屬度輸出函數(shù)，得到評價鏈路質(zhì)量的具體數(shù)值。

1.3 地理位置約束

機會路由的挑戰(zhàn)是最大化每次傳輸?shù)倪M度，同時最小化重復(fù)傳輸?shù)膮f(xié)調(diào)開銷。為了實現(xiàn)這個目標，LQOR中質(zhì)量較差并且地理位置不合理的節(jié)點不加入轉(zhuǎn)發(fā)候選集，能夠有效提高機會路由的轉(zhuǎn)發(fā)性能。在選取候選集節(jié)點時，要求候選轉(zhuǎn)發(fā)列表中的節(jié)點比源節(jié)點到目的節(jié)點的距離更近，并且在候選集中對優(yōu)先級較低的節(jié)點進行地理位置約束，判斷該節(jié)點是否在最高優(yōu)先級節(jié)點的傳輸范圍之內(nèi)，如果超出最高優(yōu)先級節(jié)點的傳輸范圍，則無法接收最高優(yōu)先級節(jié)點的控制信息，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)。為避免這一情況，本文將優(yōu)先級較低且不在最高優(yōu)先級節(jié)點傳輸范圍的候選節(jié)點剔除。

1.4 構(gòu)造轉(zhuǎn)發(fā)候選集

為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕档蜋C會路由的冗余副本數(shù)量，本文在選取轉(zhuǎn)發(fā)候選集的時候綜合考慮鏈路質(zhì)量和地理位置。LQOR根據(jù)鏈路的質(zhì)量選取候選節(jié)點，避免端到端鏈路質(zhì)量較差的節(jié)點加入轉(zhuǎn)發(fā)集，以此增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒Ω怕?。但由于轉(zhuǎn)發(fā)集節(jié)點數(shù)量較多，中繼節(jié)點僅根據(jù)給定度量標準確定，易造成多重分組問題。為了控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的數(shù)量，將地理位置約束結(jié)合到候選集的構(gòu)造中。

給出一些符號的定義，Ns為源節(jié)點S的鄰居節(jié)點，F(xiàn)s為源節(jié)點S的轉(zhuǎn)發(fā)候選集，用一種能反應(yīng)傳輸鏈路質(zhì)量的路由測度Ci（Cost）代表一個分組從節(jié)點i到目的節(jié)點D所需要的路由代價，其中Ci＜Cs，即節(jié)點i傳輸分組到目的節(jié)點的路由代價比源節(jié)點S傳輸分組到目的節(jié)點的路由代價低。Pi為轉(zhuǎn)發(fā)候選集的優(yōu)先級，若Pi＜Pj，則節(jié)點j的優(yōu)先級高于節(jié)點i。

首先，從鄰居節(jié)點中確定源節(jié)點S的轉(zhuǎn)發(fā)候選集。若鄰節(jié)點的預(yù)期代價小于S節(jié)點到目的節(jié)點的代價，則加入到候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集中。候選集中的節(jié)點按照預(yù)期代價的大小對候選集節(jié)點進行優(yōu)先排序，代價函數(shù)值越小的節(jié)點優(yōu)先級越高。

由于機會路由傳輸過程中有多個候選節(jié)點，計算至少候選集中有一個節(jié)點時，源節(jié)點到目的節(jié)點的發(fā)送代價函數(shù)，如式(6)記錄最小的代價函數(shù)取值，

其中m表示從源節(jié)點S發(fā)送分組到目的節(jié)點，中間經(jīng)歷的m跳路徑，LQm代表每一條的鏈路質(zhì)量估計值。

然后，在節(jié)點加入轉(zhuǎn)發(fā)候選集之前進行位置判斷，如果該節(jié)點距離目的節(jié)點大于源節(jié)點到目的節(jié)點的距離，該節(jié)點不加入轉(zhuǎn)發(fā)候選集列表；若節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)候選集中優(yōu)先級并非最高，并且該節(jié)點在最高優(yōu)先級節(jié)點的一跳傳輸范圍之外，則該節(jié)點不加入轉(zhuǎn)發(fā)候選集列表。轉(zhuǎn)發(fā)候選集的具體算法如下：

算法1：轉(zhuǎn)發(fā)候選集的構(gòu)建;

步驟1：初始化Fs為?;

步驟2：對于所有Ns中的節(jié)點i，滿足節(jié)點i的代價函數(shù)值Ci小于源節(jié)點傳輸代價Cs;

步驟3：節(jié)點i到目的節(jié)點D的距離<源節(jié)點s到目的節(jié)點D的距離&&節(jié)點i是優(yōu)先級最高節(jié)點的鄰居節(jié)點；

步驟4：節(jié)點i加入候選集形成新的候選集；

步驟5：跳轉(zhuǎn)步驟2;

步驟6：根據(jù)代價函數(shù)值對候選集節(jié)點進行優(yōu)先級排序。

2 實驗分析

本文采用NS2進行仿真，模擬工業(yè)園區(qū)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信情況，信道模型采用Shadowing，MAC層協(xié)議使用802.11Ext，其余主要仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。仿真300次取平均后，分別從吞吐量、分組投遞率、數(shù)據(jù)冗余程度三個指標對實驗結(jié)果進行分析，比較不同路徑損耗指數(shù)下各協(xié)議的表現(xiàn)。

表2 主要仿真參數(shù)

圖2展示了分組投遞率隨路徑損耗指數(shù)變化的情況，隨著路徑損耗指數(shù)的增大，網(wǎng)絡(luò)連通性有所降低，數(shù)據(jù)投遞率有所減少。在路徑損耗指數(shù)對傳輸結(jié)果影響較小時，協(xié)議都能較好地傳輸數(shù)據(jù)分組，當路徑損耗指數(shù)增大，由于LQOR選擇了質(zhì)量較好的路徑傳輸數(shù)據(jù)，其性能明顯優(yōu)于ExOR。由于OLSR[15]（Optimized Link State Routing）考慮了鏈路質(zhì)量，性能降低有所減緩。在路徑損耗指數(shù)為3.1時LQOR對比ExOR分組投遞率增幅最大達到9.8%，比OLSR協(xié)議分組投遞率最大增幅18.1%，證明了LQOR在數(shù)據(jù)投遞率方面的有效性。

圖2 分組投遞率對比

圖3展示了吞吐量隨路徑損耗指數(shù)變化的情況，隨著路徑損耗的增大，鏈路質(zhì)量的不穩(wěn)定性有所增加，吞吐量呈現(xiàn)下降趨勢。在路徑損耗指數(shù)為3.1時，LQOR對比ExOR吞吐量最大增加9.6%，當路徑損耗指數(shù)增大到一定程度后，整體傳輸性能降低，但吞吐量仍優(yōu)于ExOR與OLSR協(xié)議。

圖3 吞吐量對比

在鏈路質(zhì)量相對較好的情況下，大多數(shù)的路徑都能成功發(fā)送分組，冗余副本數(shù)量較大，隨著路徑損耗指數(shù)增加，節(jié)點間的分組投遞率減小，數(shù)據(jù)的冗余量也降低。如圖4所示，所提出的機會路由協(xié)議相比ExOR在路徑損耗指數(shù)為2.7時降低大約11.36%的冗余數(shù)量，在路徑損耗指數(shù)增大到一定程度之后，冗余副本的減少，對分組投遞率的影響較大，因此兩種機會協(xié)議的冗余率也趨近于重合。

圖4 數(shù)據(jù)冗余率對比

3 結(jié)語

針對工業(yè)園區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路不可靠問題，本文提出了一種期望端到端最優(yōu)鏈路質(zhì)量的機會路由協(xié)議LQOR。該協(xié)議利用模糊邏輯計算鏈路質(zhì)量指數(shù)，將鏈路質(zhì)量與地理位置相結(jié)合構(gòu)造最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)候選集。仿真實驗結(jié)果表明，所提協(xié)議LQOR比ExOR協(xié)議分組投遞率最大增幅9.8%，比OLSR協(xié)議分組投遞率最大增幅18.1%。數(shù)據(jù)冗余程度對比ExOR平均減少11.36%。在減少了冗余副本的情況下有效提高了端到端數(shù)據(jù)投遞率，保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。