基于模糊邏輯的可靠機會路由協議設計

黃詩雅，李 強，李新民，林茂松

（1.西南科技大學 信息工程學院，綿陽 621010；2.西南科技大學 計算機科學與技術學院，綿陽 621010）

0 引言

隨著物聯網的出現，新的路由方式要求大量低功耗、低成本的嵌入式設備可靠接入，然而工業園區無線傳感網絡具有環境復雜、網絡規模大等特點[1]，在節點資源有限的條件下，如何保證數據高效可靠的傳輸對于物聯網應用至關重要[2]。

在傳統確定性路由方式中，頻繁的鏈路層數據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]，節點間的競爭選擇考慮了鏈路可靠性、節點成本和路徑成本，有效提高了網絡吞吐量和傳輸可靠性[5],解決了傳統路由在惡劣環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絡中的能耗問題，提出了節能機會路由，I-AREOR（Improved-Adaptive Ranking based Energy-efficient Opportunistic Routing Protocol）[8]協議根據節點密度、相對距離及能耗選擇傳輸路徑，延長網絡生命。Fradj[9]使用一種新的轉發列表EEOR-FL（Energy-Efficient Opportunistic Routing Using a New Forward List），最大限度地延長了網絡壽命，但上述機會路由協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據傳輸可靠性。有學者為了提升數據傳輸可靠性，使用基于鏈路質量的機會路由協議，ExOR（Extremely Opportunistic Routing）利用軟件度量估計鏈路質量；ELMOR（Expecting Lowest-residue-energy Maximization Opportunistic Routing）[10]是針對果園網絡設計的機會路由，考慮鏈路連通概率和中繼節點選擇的能耗預期，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，雖然上述協議在路由過程中考慮了鏈路質量以減輕鏈路的不可靠性[11]，然而現有方法仍然無法準確度量鏈路質量。

針對工業園區中多徑衰落效應容易造成節點間連通不穩定的問題，本文設計了一種基于鏈路質量估計的機會路由協議，該協議利用模糊邏輯建立鏈路估計器數學模型，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量。為了進一步優化轉發候選集，所提協議通過節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。實驗結果表明，所提協議LQOR對比已有機會路由分組投遞率最大增幅9.8%，數據冗余程度平均減少11.36%，增加了數據傳輸可靠性。

1 原理與方法

1.1 信道模型

由于工業園區中建筑物的遮擋，數據傳輸過程中無線信道遵循陰影衰落模型，節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正態隨機變量，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，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 鏈路質量估計模型

為了保證數據傳輸過程中的可靠性，本文在現有機會路由的基礎上，為每一條鏈路構建鏈路估計器，轉發候選集的度量標準使用期望最佳鏈路質量。為了進一步提升鏈路質量估計的精確度，針對機會路由在鏈路質量估計上的不足，本文使用硬件度量與軟件度量結合的方式，利用模糊邏輯對鏈路質量估計進行優化，提出了使用鏈路質量的路由測度LQ算法。在鏈路質量估計中，本文利用PRR、RSSI與SNR三個指標共同度量鏈路質量：首先根據RSSI與PRR、SNR與PRR的關系，對數據進行模糊處理，構造隸屬度函數；然后建立IF-THEN規則；最后解模糊化得到鏈路質量估計值。

1.2.1 數據接收概率

數據接收概率PRR表示了鏈路成功交付數據的能力。根據文獻[13]，將通信區域劃分為三個區域：連通區、過渡區、以及斷開區。連通區具有PRR大于等于90%的特點；過渡區的PRR在10%～90%之間無規律波動；斷開區的PRR小于10%。在統計PRR過程中，為了抵消PRR的暫態波動，本文采用EWMA（Exponentially Weighted Moving Average）濾波器對PRR計算結果進行平滑，平滑后的結果根據式(2)計算得出：

其中，σ是平滑因子，控制平滑度，ω為估計窗口。根據文獻[13]建議的α=0.6，ω=5，以維持穩定性和反應性之間的良好平衡，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

節點收集到的物理層數據SNR和數據投遞率之間存在著相關性，現有對SNR與數據投遞率關系的研究表明[11]：SNR均值在12dB以上，鏈路質量較好，目的節點可以接收到所有的數據包；SNR均值在4～12dB之間，鏈路質量表現出較大的波動，目的節點接收數據包的比率呈現不穩定的狀態；SNR低于4dB，目的節點接收到較少的數據包，鏈路不適合通信。節點得到SNR信息后，本文使用EWMA對SNR平滑濾波：

1.2.3 接收信號強度

在過渡區通信時，微小的環境或信號變化都可能造成數據接收率的劇烈變化，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值也較小；當RSSI值小于-94dBm時，PRR迅速衰減至0。節點得到RSSI信息后，本文使用EWMA對RSSI平滑濾波：

物理層參數的統計只是針對于已經成功接收到的數據包，會對鏈路過高估計，所以在統計結束后利用模糊規則將物理層鏈路質量同網絡層分組投遞率相結合，綜合度量鏈路質量以提高鏈路質量估計的準確性。本文利用EWMA濾波器平滑周期統計到PRR、SNR和RSSI值后，根據城市應用場景下無線自組網的特點，利用模糊集對鏈路估計的三個參量進行定義：數據接收概率｛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。針對城市中的網絡環境，確定相應的三角形隸屬度函數，對多條鏈路參數進行模糊定義。

圖1 鏈路質量估計隸屬度函數

根據工業園區無線網絡具有多徑衰落的傳播特點，鏈路質量估計器使用投遞率、信號強度、信噪比三個指標作為輸入，結合本文定義的模糊規則表1，可以映射出鏈路質量等級的模糊描述，分別用｛perfect；good；accept；not accept；bad｝表示。

表1 模糊規則表

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

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

1.3 地理位置約束

機會路由的挑戰是最大化每次傳輸的進度，同時最小化重復傳輸的協調開銷。為了實現這個目標，LQOR中質量較差并且地理位置不合理的節點不加入轉發候選集，能夠有效提高機會路由的轉發性能。在選取候選集節點時，要求候選轉發列表中的節點比源節點到目的節點的距離更近，并且在候選集中對優先級較低的節點進行地理位置約束，判斷該節點是否在最高優先級節點的傳輸范圍之內，如果超出最高優先級節點的傳輸范圍，則無法接收最高優先級節點的控制信息，將導致數據重復轉發。為避免這一情況，本文將優先級較低且不在最高優先級節點傳輸范圍的候選節點剔除。

1.4 構造轉發候選集

為了增加數據傳輸的可靠性，降低機會路由的冗余副本數量，本文在選取轉發候選集的時候綜合考慮鏈路質量和地理位置。LQOR根據鏈路的質量選取候選節點，避免端到端鏈路質量較差的節點加入轉發集，以此增加數據傳輸的成功概率。但由于轉發集節點數量較多，中繼節點僅根據給定度量標準確定，易造成多重分組問題。為了控制轉發節點的數量，將地理位置約束結合到候選集的構造中。

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

首先，從鄰居節點中確定源節點S的轉發候選集。若鄰節點的預期代價小于S節點到目的節點的代價，則加入到候選轉發節點集中。候選集中的節點按照預期代價的大小對候選集節點進行優先排序，代價函數值越小的節點優先級越高。

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

其中m表示從源節點S發送分組到目的節點，中間經歷的m跳路徑，LQm代表每一條的鏈路質量估計值。

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

算法1：轉發候選集的構建;

步驟1：初始化Fs為?;

步驟2：對于所有Ns中的節點i，滿足節點i的代價函數值Ci小于源節點傳輸代價Cs;

步驟3：節點i到目的節點D的距離<源節點s到目的節點D的距離&&節點i是優先級最高節點的鄰居節點；

步驟4：節點i加入候選集形成新的候選集；

步驟5：跳轉步驟2;

步驟6：根據代價函數值對候選集節點進行優先級排序。

2 實驗分析

本文采用NS2進行仿真，模擬工業園區中的無線傳感網絡通信情況，信道模型采用Shadowing，MAC層協議使用802.11Ext，其余主要仿真參數設置如表2所示。仿真300次取平均后，分別從吞吐量、分組投遞率、數據冗余程度三個指標對實驗結果進行分析，比較不同路徑損耗指數下各協議的表現。

表2 主要仿真參數

圖2展示了分組投遞率隨路徑損耗指數變化的情況，隨著路徑損耗指數的增大，網絡連通性有所降低，數據投遞率有所減少。在路徑損耗指數對傳輸結果影響較小時，協議都能較好地傳輸數據分組，當路徑損耗指數增大，由于LQOR選擇了質量較好的路徑傳輸數據，其性能明顯優于ExOR。由于OLSR[15]（Optimized Link State Routing）考慮了鏈路質量，性能降低有所減緩。在路徑損耗指數為3.1時LQOR對比ExOR分組投遞率增幅最大達到9.8%，比OLSR協議分組投遞率最大增幅18.1%，證明了LQOR在數據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變化的情況，隨著路徑損耗的增大，鏈路質量的不穩定性有所增加，吞吐量呈現下降趨勢。在路徑損耗指數為3.1時，LQOR對比ExOR吞吐量最大增加9.6%，當路徑損耗指數增大到一定程度后，整體傳輸性能降低，但吞吐量仍優于ExOR與OLSR協議。

圖3 吞吐量對比

在鏈路質量相對較好的情況下，大多數的路徑都能成功發送分組，冗余副本數量較大，隨著路徑損耗指數增加，節點間的分組投遞率減小，數據的冗余量也降低。如圖4所示，所提出的機會路由協議相比ExOR在路徑損耗指數為2.7時降低大約11.36%的冗余數量，在路徑損耗指數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，因此兩種機會協議的冗余率也趨近于重合。

圖4 數據冗余率對比

3 結語

針對工業園區無線網絡的鏈路不可靠問題，本文提出了一種期望端到端最優鏈路質量的機會路由協議LQOR。該協議利用模糊邏輯計算鏈路質量指數，將鏈路質量與地理位置相結合構造最優轉發候選集。仿真實驗結果表明，所提協議LQOR比ExOR協議分組投遞率最大增幅9.8%，比OLSR協議分組投遞率最大增幅18.1%。數據冗余程度對比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據投遞率，保證了數據的可靠傳輸。