0 引言

    移動自組織網(wǎng)絡（Mobile Ad Hoc Networks，MANETs）由許多無線節(jié)點組成，不需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施即可進行通信，隨時隨地可用，部署快捷，非常適用于緊急救援、軍事偵察等應用領(lǐng)域^[1-3]。在移動自組織網(wǎng)絡中，每個節(jié)點相互協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。由于節(jié)點能量有限，能效問題值得關(guān)注。組播路由(Multicast Routing)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一對多傳輸，有助于降低數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，減少網(wǎng)絡擁塞和能耗，對于解決移動自組織網(wǎng)絡的能效問題非常有益^[4-7]。在網(wǎng)絡通信過程中，由于環(huán)境的不確定性和網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，無線信道的能量資源、數(shù)據(jù)流量等都會隨之發(fā)生變化。這種隨機性和模糊性的變化對組播路由的設(shè)計帶來了一些困難，易引起數(shù)據(jù)丟失、節(jié)點爭議、數(shù)據(jù)重傳和干擾等網(wǎng)絡問題，降低網(wǎng)絡性能^[8]。為提高網(wǎng)絡性能，目前已經(jīng)提出了許多組播路由協(xié)議^[9-13]。如文獻[11]提出組播AODV（Multicast AODV，MAODV）路由協(xié)議；文獻[12]提出了一種按需組播路由協(xié)議（On-Demand Multicast Routing Protocol，ODMRP）；文獻[13]對ODMRP進行改進，引入負載均衡算法，選擇負載較小的節(jié)點進行組播數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，降低網(wǎng)絡擁塞，減小數(shù)據(jù)丟失。

本文提出一種基于模糊邏輯的MANETs組播路由協(xié)議，以節(jié)點的能量和距離作為路由選擇依據(jù)，借助模糊邏輯描述能量、距離與路由優(yōu)劣的不確定關(guān)系，為源節(jié)點和組播地址之間選擇兩條最佳路由，一條用于數(shù)據(jù)傳輸，另一條備用，以降低數(shù)據(jù)傳輸延遲和丟包率，提高網(wǎng)絡性能。

1 網(wǎng)絡模型

    在介紹本文協(xié)議之前，首先描述本文所用的網(wǎng)絡模型。移動自組織網(wǎng)絡常用無向圖模型來表示，記為G=(V，P)。其中，V表示頂點（也即網(wǎng)絡中的節(jié)點）的集合，P表示邊（也即網(wǎng)絡中節(jié)點之間的鏈路）的集合。每一條邊代表兩個節(jié)點之間的一個鏈路，這兩個節(jié)點可以通過一跳或者多跳方式進行通信。源節(jié)點S的位置記為(x_S，y_S)，組播組g的位置記為(x_g，y_g)，以這兩個頂點作為矩形區(qū)域的兩個對角頂點，圍成一個矩形區(qū)域（記為Δ），該區(qū)域為源節(jié)點和組播組所在的網(wǎng)絡區(qū)域。區(qū)域中其他節(jié)點N_i的位置記為(x_i，y_i)，任意兩個節(jié)點Ni和Nj之間的距離可以表示為本文采用的是歐氏距離。

2 本文路由協(xié)議

    為了降低能量不足可能引起的組播路由不穩(wěn)定問題，本文提出一種基于模糊邏輯的MANETs組播路由協(xié)議，依據(jù)能量和距離兩個參量對路由性能進行評估，借助模糊邏輯選擇最優(yōu)路由。本文路由協(xié)議主要包括兩個部分，一是組播網(wǎng)格創(chuàng)建，二是借助模糊邏輯選擇最優(yōu)組播路由。

2.1 組播網(wǎng)格創(chuàng)建

    本文采用部署在區(qū)域Δ內(nèi)的部分移動節(jié)點來創(chuàng)建組播網(wǎng)格，組播網(wǎng)格創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包類型共有4種，分別命名為J-Q（“加入組”請求）數(shù)據(jù)包、J-R（“加入組”應答）數(shù)據(jù)包、J-E（“加入組”錯誤）數(shù)據(jù)包和HELLO（握手）數(shù)據(jù)包。其中，J-Q數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

    每個節(jié)點保存一個路由表，用于存儲路由信息，包括組地址、下一跳地址、跳數(shù)量、序列號、類型、路由列表、輸入?yún)⒘亢洼敵鰠⒘?。其中，類型字段存儲組播組的組別，如組1、組2等。路由列表字段存儲源節(jié)點和組播組地址之間的路由，路由可以有多個。輸入?yún)⒘坑袃蓚€，分別為剩余能量（E）和距離（D），其中，剩余能量的計算公式為：

    輸出參量只有一個，即路由的獎勵值。當J-Q數(shù)據(jù)包到達組播組時，依據(jù)輸入的能量和距離參量計算輸出參量。當源節(jié)點想要向組播組發(fā)送數(shù)據(jù)包時，源節(jié)點會在其路由表中檢查路由。如果源節(jié)點的路由表中包含路由，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)包即可。否則，將保留數(shù)據(jù)包并廣播消息給鄰居節(jié)點，通過向其鄰居傳播J-Q數(shù)據(jù)包來發(fā)起J-Q進程。當發(fā)現(xiàn)組播組的最優(yōu)路由時，則回傳J-R數(shù)據(jù)包。

    建立組播網(wǎng)格之后，進入組播路由選擇階段。依據(jù)節(jié)點的剩余能量和距離參量來計算各條路由的獎勵值，選出獎勵值排名最前的兩條不相交路由進行數(shù)據(jù)傳輸。當?shù)谝粭l路由出現(xiàn)故障時，使用第二條路由進行數(shù)據(jù)傳輸，提高網(wǎng)絡的可靠性。在組播路由選擇階段，本文計算路由的獎勵值時引入了模糊邏輯，具體在下一小節(jié)詳述。

2.2 基于模糊邏輯的組播路由選擇

    移動自組織網(wǎng)絡存在大量隨機事件，這些隨機事件導致自組織網(wǎng)絡存在許多不確定性，模糊邏輯可以有效地代表存在不確定性和不精確的知識。具體思路是，采用模糊邏輯來對輸入的能量和距離參量以及輸出的獎勵參量進行處理，輸入和輸出參數(shù)根據(jù)模糊邏輯語言屬性的變化而變化。在通信過程中，路由表中的節(jié)點的能量和距離參量采用累積形式更新，直到J-Q數(shù)據(jù)包到達組播組。借助模糊邏輯的處理步驟計算每個組播路由的輸出獎勵值，并選擇最優(yōu)路由回傳J-R數(shù)據(jù)包。

    組播網(wǎng)格中的每個節(jié)點用于在區(qū)域Δ中傳輸數(shù)據(jù)，但節(jié)點的能量是否充足以及距離是否合適并沒有精確的定義。因此，鄰居節(jié)點集合ξ是一組動態(tài)節(jié)點的集合。對集合ξ中的節(jié)點，按照其剩余能量的大小將其劃分為3個等級，分別低能量節(jié)點、中能量節(jié)點和高能量節(jié)點。對應的節(jié)點集合分別記為E_L、E_M和E_H。其中，E_L、E_M和E_H互不相交，且E_L∪E_M∪E_H=ξ。類似地，按照其距離的遠近也可以將集合ξ中的節(jié)點劃分為3個等級，分別近距離節(jié)點、中距離節(jié)點和遠距離節(jié)點。對應的節(jié)點集合分別記為D_S、D_M和D_L。同樣地，D_S、D_M和D_L互不相交，且D_S∪D_M∪D_L=ξ。

    在組播網(wǎng)絡通信時需要選擇最佳鏈路將一個節(jié)點的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給另一個節(jié)點。由于移動節(jié)點的不確定性，無法給出最佳鏈路的準確定義。理論上，節(jié)點的剩余能量越高、距離越近，對于數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)越有益。本文采用模糊邏輯來描述這一情況，建立能量高低、距離遠近與路由優(yōu)劣之間的模糊聯(lián)系。

    模糊邏輯主要包括的3個步驟，即模糊化、模糊推理和去模糊化，詳細描述如下。

2.2.1 模糊化

    模糊化的作用是將輸入的剩余能量參量E和距離參量D變?yōu)槟：恼Z言變量，過程采用模糊知識庫中的隸屬度函數(shù)來實現(xiàn)，將輸入?yún)⒘縀和D的實際值轉(zhuǎn)換為模糊的隸屬度。隸屬度函數(shù)通常為非線性函數(shù)，記為μ(x)，用于將輸入空間的實際值x映射到模糊的隸屬度。隸屬度的范圍是[0，1]。常用的隸屬度函數(shù)有三角函數(shù)、梯形函數(shù)、高斯函數(shù)、分段線性函數(shù)等。其中，高斯隸屬度函數(shù)對拓撲結(jié)構(gòu)易變的移動自組織網(wǎng)絡的適應性更好，因此本文采用高斯隸屬度函數(shù)實現(xiàn)輸入?yún)⒘康哪：?/p>

    如前所述，集合ξ中的節(jié)點按照其剩余能量的大小可以劃分為低能量節(jié)點、中能量節(jié)點和高能量節(jié)點3個等級。因此，能量參量可以模糊化為3個語言變量?？紤]到隸屬度的范圍為[0，1]，本文將輸入的能量參量也歸一化到[0，1]，具體是用節(jié)點的剩余能量與初始能量的比值來代替能量參量，即：

    能量參量的語言變量如表2所示。

    類似地，集合ξ中的節(jié)點按照其距離的遠近也可以劃分為近距離節(jié)點、中距離節(jié)點和遠距離節(jié)點3個等級。因此，距離參量也可以模糊化為3個語言變量。本文將輸入的距離參量也歸一化到[0，1]，具體是用節(jié)點的距離與源節(jié)點到組播地址的距離的比值來代替距離參量，即：

    距離參量的語言變量如表3所示。

2.2.2 模糊推理

    模糊推理的作用是將模糊化的語言變量轉(zhuǎn)換為模糊的輸出值，通常采用Mamdani和Sugeno等模糊推理模型，依據(jù)經(jīng)驗知識構(gòu)建的模糊規(guī)則實現(xiàn)模糊推理。模糊推理由確定輸入和輸出參量之間關(guān)系的邏輯規(guī)則組成，形式為：

其中，μ_E表示能量參量的語言變量，μ_D表示距離參量的語言變量，這兩項為輸入項；R表示推理結(jié)果，為輸出項；A、B和C為變量值。

    如前所述，能量參量和距離參量的語言變量都有3個，那么條件β₁：μ_E=A且μ_D=B的組合共有9組。于是本文定義了9個模糊規(guī)則，如表4所示。可見，推理結(jié)果共有6類，分別為“最優(yōu)”、“優(yōu)”、“良”、“中”、“差”、“最差”，簡記為“VE”、“E”、“G”、“M”、“B”、“VB”。其中，規(guī)則1和規(guī)則9的推理結(jié)果相同，規(guī)則2和規(guī)則6的推理結(jié)果相同，規(guī)則4和規(guī)則8的推理結(jié)果相同。

    6類推理結(jié)果對應的高斯隸屬度函數(shù)如下：

2.2.3 去模糊化

    去模糊化的作用是將前一階段得到的模糊輸出值再轉(zhuǎn)換為確定值，常采用方法包括質(zhì)心法、重心法、均值法和最大值法等。其中，質(zhì)心法的應用最為廣泛。本文采用質(zhì)心法進行去模糊化，公式為：

其中，x對應前一階段得到的模糊輸出值，μ(x)為對應的隸屬度函數(shù)。

    去模糊化之后，得到的確定值即為輸出的獎勵值。

    經(jīng)過模糊邏輯處理之后，路由上的每一個節(jié)點都得到一個獎勵值，將路由上各節(jié)點的獎勵值進行累加，得到路由的獎勵值。然后按獎勵值由大到小的順序?qū)β酚蛇M行排序，選擇排名最前的兩條不相交路由，其中獎勵值最大的路由用于數(shù)據(jù)傳輸，另一條路由作為備選路由，在第一條路由出現(xiàn)故障時進行數(shù)據(jù)傳輸，以便提高網(wǎng)絡的可靠性。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真說明

    為了驗證本文提出的基于模糊邏輯的組播路由協(xié)議（簡記為FLMRP）的性能，本節(jié)采用常用的Network Simulator 2網(wǎng)絡仿真軟件進行仿真實驗，與現(xiàn)有的MAODV^[11]、ODMRP^[12]和MODMRP^[13]組播路由協(xié)議進行對比分析，從報文送達率和端到端平均延時兩個方面評價路由協(xié)議的性能。仿真參數(shù)如表5所示。

3.2 結(jié)果對比

3.2.1 報文送達率結(jié)果對比

    圖1展示了4種組播路由協(xié)議的報文送達率指標隨數(shù)據(jù)包傳輸速率變化的仿真結(jié)果?？梢?，隨著數(shù)據(jù)包傳輸速率的增加，報文送達率指標下降顯著。數(shù)據(jù)包發(fā)送越快，對路由質(zhì)量要求越高，路由故障或網(wǎng)絡擁塞都會導致數(shù)據(jù)丟包率增加，從而降低報文送達率。但從圖1中可見，同等條件下本文組播路由協(xié)議的報文送達率指標最高，MADOV最低，MODMRP略高于ODMRP。

3.2.2 端到端平均延時結(jié)果對比

    圖2展示了4種組播路由協(xié)議的端到端平均延時指標隨數(shù)據(jù)包傳輸速率變化的仿真結(jié)果。隨著數(shù)據(jù)包傳輸速率的增加，端到端平均延時會增加。同等條件下，本文路由協(xié)議的端到端平均延時最小，MADOV最大，MODMRP略低于ODMRP。

3.3.3 綜合分析評價

    通過報文送達率和端到端平均延時指標的結(jié)果對比，可以看出本文路由協(xié)議的報文送達率和端到端平均延時兩個指標都優(yōu)于其他3種組播路由協(xié)議。原因在于：與其他3種組播路由協(xié)議相比，本文提出的基于模糊邏輯的組播路由協(xié)議在組建路由時關(guān)注了節(jié)點的能量和距離參量，并借助模糊邏輯建立能量高低、距離遠近與路由優(yōu)劣之間的模糊聯(lián)系，從而選擇能量高、距離近的組播路由，降低了能量不足引起的路由不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而提高了報文送達率，同時由于選擇距離近的組播路由而降低了端到端平均延時。另外，本文協(xié)議選擇獎勵值排名最前的兩條不相交路由，其中獎勵值最大的路由用于數(shù)據(jù)傳輸，另一條路由作為備選路由，這樣在第一條路由出現(xiàn)故障時可以采用備選路由進行數(shù)據(jù)傳輸，進一步降低了丟包現(xiàn)象和數(shù)據(jù)傳輸延遲。

4 結(jié)束語

    組播路由協(xié)議有利于降低數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，減少網(wǎng)絡擁塞，是提高移動自組織網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸效率的有效途徑之一。本文針對能量不足可能引起的組播路由不穩(wěn)定問題，提出了一種基于模糊邏輯的組播路由協(xié)議。主要創(chuàng)新是采用模糊化、模糊推理和去模糊化3個模糊邏輯的處理步驟建立節(jié)點能量高低、距離遠近與組播路由優(yōu)劣之間的模糊聯(lián)系，為數(shù)據(jù)的組播傳輸選擇能量充足、距離近的路由，提高報文送達率和降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。另外，本文在源節(jié)點到組播組之間建立兩條不相交的路由進行數(shù)據(jù)傳輸，便于在第一條路由出現(xiàn)故障時可以使用第二條路由進行數(shù)據(jù)傳輸，提高網(wǎng)絡的可靠性。通過與現(xiàn)有的MAODV、ODMRP和MODMRP 3種組播路由協(xié)議進行性能對比，證實了本文提出的組播路由協(xié)議具有更高的報文送達率和更小的端到端平均延時。

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作者信息:

楊紅培1，劉  萍2

(1.許昌電氣職業(yè)學院 信息工程系，河南 許昌461000；2.河南師范大學 計算機與信息工程學院，河南 新鄉(xiāng)453000)