Agent數據路由策略論文

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摘要提出了一種傳感網絡中基于agent的數據匯集多徑路由算法，其基本思想是網絡中的每個節(jié)點利用模糊邏輯控制器的輸出將節(jié)點的剩余能量和接收到的數據類型進行比較和關聯(lián)來做出決策是退回還是轉發(fā)數據包。仿真結果表明，該算法顯著降低了數據傳輸時的退包率，且沒有增加能量消耗和尋路時間。

關鍵字傳感器網絡；模糊邏輯控制器；節(jié)能；以數據為中心的多徑路由

1引言

傳感網絡通常由成千上萬個傳感器協(xié)同工作，分布比較綢密。傳感網絡的資源如計算能力、存儲空間和能量都很有限，為平衡這些受限資源，傳感網絡根據感興趣的數據建立由數據源到sink節(jié)點的路徑[1]。其中定向擴散(DirectedDiffusion，DD)算法[2]是一種以數據為中心的路由機制，體現(xiàn)了根據數據內容建立優(yōu)化路經的思想[3]，但DD算法在路由建立時需要進行flooding傳播，為此造成大量的能量消耗和時間開銷；同時沒考慮發(fā)送的數據類型。在分布式的具有動態(tài)特性的以完成特定任務為目的的傳感網絡中，并非所有節(jié)點都傳輸相同種類的數據，有的節(jié)點可傳輸視頻，有的只可傳輸音頻（這是根據其與音頻傳感的接近度來定義的），有的節(jié)點甚至不能轉發(fā)鄰點的數據類型[4]。例如，一個節(jié)點根據其剩余的能量，只可處理或轉發(fā)音頻數據，這時若轉發(fā)已感知到的大的視頻則將阻礙數據包的接收，并導致“網絡分裂”狀態(tài)。因此，在路由發(fā)現(xiàn)期間，節(jié)點的模糊控制結構根據接收到的興趣、被感知的數據類型及對能量的估計做出決策是退回還是處理這個數據包。

為了路由失效節(jié)點周圍的區(qū)域，文獻[2]通過周期性的興趣擴散、梯度建立以及路徑加強來限制重路由受限的節(jié)點，避免失效的路由縮短了網絡的生命期。針對這個問題，文獻[5]提出了多徑路由的算法，提高了移動節(jié)點的健壯性；還提出了兩節(jié)點間建立多徑路由的方法：一種是節(jié)點不相交的多重路徑，指備選路徑互不相交也不相交于主路徑，失效的節(jié)點集不影響其它的路徑；另一種是有部分節(jié)點相交的多重路徑，部分節(jié)點相交的路徑避免了定向傳播的不足。另外，多徑路由有差別的資源分配，文獻[6]使用了模糊邏輯的策略，考慮了以提高帶有多重過程流量為目標的流量性能和網絡狀態(tài)。文獻[7]將各種QoS需求表示為模糊優(yōu)化。本文主要研究發(fā)送的數據類型與剩余能量之間的關系。

2預備知識

主要是確定傳感器節(jié)點和sink節(jié)點之間的多重路徑，并在多重路徑中建立節(jié)能的路由。這樣，路由與傳輸的數據類型有關。作假設如下。

1)網絡假設

傳感器節(jié)點監(jiān)視和捕獲由sink節(jié)點生成的興趣的類型決定的數據[2]。使用傳統(tǒng)的flooding機制來確定多重路徑[5]，但僅認為其中能支持和處理其傳輸數據類型的是合適的。假定整個網絡是低能量傳感器網絡，即分布在傳感器網絡節(jié)點中的能量較低。

2)能量消耗

在傳感器網絡中，節(jié)點的總能量或能量的使用速率對其生存時間很重要。文獻[5]通過確定傳感節(jié)點和sink節(jié)點之間的多重路徑來建立一條節(jié)能的路由，避免傳輸失效。本算法通過考慮傳感器節(jié)點和sink節(jié)點之間傳輸的數據類型來分析搜索節(jié)能路徑的問題。節(jié)點所剩能量（remainingenergy）可表示為：。其中，CE是消耗的能量，r表示消耗的速率，Total是剩余的可用能量。因此，節(jié)能很重要。

3路由發(fā)現(xiàn)

Flooding形成了路由發(fā)現(xiàn)的一般機制[4]。傳感器節(jié)點用一組屬性值來命名它所生成的數據。由sink節(jié)點命名的數據將感知任務（或其子任務）分布在傳感器網絡中，還包括sink節(jié)點要傳感器節(jié)點監(jiān)視和捕獲的數據類型[2]。興趣是確定所需消息類型的清晰數據，每個接收路由請求的中間節(jié)點將興趣轉換為詳細描述所需數據類型的模糊消息。從假設可知，傳感網絡節(jié)點都是低能量的，因此，使用速率很重要。

為了節(jié)能，中間節(jié)點根據接收到的數據類型和剩余的能量做出決策是退回還是轉發(fā)數據包。傳輸過程按照指定的重繪（draw）事件（即數據與興趣匹配）在網絡中建立梯度，事件沿多路徑流向生成興趣的節(jié)點(sink)，傳感網絡增強其中的一條或少數幾條，然而，為了避免主路徑傳輸失效，維護了大量的備選路徑[5]，用來計算剩余的能量。若某一節(jié)點根據模糊控制器的輸出和剩余的能量能夠處理接收到的數據包的類型，則可作為一個中間節(jié)點加到該路徑中，確定多條不同的多重路徑，直到覆蓋了整個網絡，這時flooding才結束。

4Agent結構

傳感網絡中的每個節(jié)點有一個基于Agent的結構，如圖1所示。分為四個模塊，即模糊邏輯控制器(FuzzyLogiccontroller，F(xiàn)LC)，模糊模式比較器/模糊數據相關器(Comparator/Correlator，C/C)，是否轉發(fā)興趣的決策器(DecisionMaking，DM)。

圖1基于Agent的模塊結構圖

圖2模糊邏輯控制器的結構圖

1)模糊邏輯控制器

模糊邏輯控制器（FLC）的結構如圖2所示。模糊化是將明確的輸入興趣（crispinput）轉換為對應屬函數的模糊語言值（fuzzyvalue）；模糊推論主要是根據內存所設定的規(guī)則與輸入的模糊語言值來判斷輸出結果；解模糊化將模糊推論的結果轉成明確的輸出。使用FLC將節(jié)點能夠處理的數據類型和剩余能量聯(lián)系起來，例如，假設sink節(jié)點在flooding期間發(fā)送一個監(jiān)視和記錄傳感器網絡在動態(tài)環(huán)境下視頻的興趣：MPEGI標準，周期為60s。然后，F(xiàn)LC轉換為模糊興趣：視頻，周期是短的。這時，F(xiàn)LC對收到的興趣進行分析，并分類，將周期為60s的MPEGI標準視為短的視頻。

2)模糊模式比較器和模糊數據關聯(lián)器(C/C)

這個模塊主要比較和分析模糊興趣和剩余能量之間的關系。

3)做出決策（DM）

節(jié)點根據已建立的節(jié)能路由做出決策。如果節(jié)點發(fā)現(xiàn)其剩余能量能支持sink節(jié)點需要的數據類型，那就建一鏈路并修改路由表。這時，若sink節(jié)點再以70s-90s的周期flooding一類似的興趣時，節(jié)點仍將之置于短周期的類別下，并維持本路由。

5算法描述

下列算法描述的是以數據為中心的模糊多徑路由的節(jié)能的方案，即搜索傳感節(jié)點和sink節(jié)點之間既節(jié)能又能感知剩余能量的多重路徑期間某一節(jié)點的執(zhí)行過程。

①開始；

②將接收到的明確的興趣轉換為模糊的興趣；

③確定興趣的類型，并根據其模糊的描述進行分類；

④將數據（興趣）的類型和剩余能量進行模糊比較和關聯(lián)；⑤如果節(jié)點剩余能量能維持路由，那么添加該節(jié)點到路由路徑上，更新路由表，并轉發(fā)sink節(jié)點生成的興趣，繼續(xù)flooding過程。否則，發(fā)送出錯信息給sink節(jié)點，表明該節(jié)點不能完成路由任務，讓其停止flooding；

⑥停止。

6實驗結果

仿真采用的是NS2[8]，評價體系與文獻[5]的類似。為了增強主路徑，考慮接收消息副本消耗的時間。最先感知到事件的節(jié)點組成主路徑。為了便于測試節(jié)點剩余的能量，實驗中的節(jié)點集的能量值隨機指定，研究因為低能量不能處理大型數據包而退包的情形。

6.1實驗的設置

將傳感器節(jié)點均勻分布在400×400的區(qū)域內，每個節(jié)點最大傳輸范圍為40。為了評價算法的性能，改變其它的參數，如節(jié)點密度、源節(jié)點和sink節(jié)點之間的跳數、退包率Pr和對能量的敏感度Si。每輪實驗選擇的節(jié)點數N與源節(jié)點和sink節(jié)點之間的跳數有關，并隨機選擇以不同跳數隔開的源節(jié)點－sink節(jié)點對。

場景設置為：MAC層協(xié)議使用的是IEEE802.11分布式的協(xié)調功能，并使用隨機停靠點(waypoint)移動模型。隨機放置節(jié)點，并以0m/s到10m/s的速度移向目的點。節(jié)點到達位置后的狀態(tài)為固定狀態(tài)，再選擇另一位置，重復這個過程。網絡帶寬為2Mb/s，測量節(jié)點對隨機指定的能量值的敏感度，或測量與其鄰點相關的節(jié)點的流量率。當低能量節(jié)點不能有效轉發(fā)它鄰點的數據時，這個方法尤為適用。在多徑路由發(fā)現(xiàn)期間，根據退回給產生興趣的節(jié)點（可能是節(jié)點本身，也可能是它的前一跳節(jié)點）的數據包，測量其退包率。若退包率高，可能能量太低，也可能是在節(jié)點區(qū)域內傳輸的數據類型太大，使得節(jié)點無法支持。

假定源節(jié)點總是在主路徑上以時隔T傳播事件和發(fā)送觸發(fā)事件（Event-Triggered，ET）到不相交或相交的備選路徑上，每條備選路徑接收的流量相同。維護備選路徑需要的能量與備選路徑的平均長度（跳數）成比例，文獻[5]給出了粗略計算維護總開銷的方法：，La是備選路徑的平均長度，Lp是主路徑的平均長度。只有在源點和sink節(jié)點之間要根據剩余能量和可支持的數據類型來選擇最優(yōu)節(jié)能路徑時，才需測量維護總開銷的精確值。

6.2實驗結果

圖3反映的是節(jié)點密度對維護開銷的影響，與不相交、部分相交的多重路徑相比（考慮局部2－維不相交和局部相交方案），模糊路徑的總開銷明顯低。即使模糊路徑中的節(jié)點密度大時，其性能仍超過其他兩種方案的。

圖3節(jié)點密度對維護總開銷的影響圖4路徑長度對維護總開銷的影響

對有200個節(jié)點的源節(jié)點－sink節(jié)點對，路徑長度增加時，模糊多重路徑的總開銷也很低，如圖4所示。圖5反映的是節(jié)點密度對退包率的影響。隨著網絡密度慢慢增加，逐步降低，但到一定程度，就趨于穩(wěn)定。在小規(guī)模網絡中，局部行為較多，這與低能量傳感器網絡在執(zhí)行有大數據的任務時能量的分布是相適應的。圖6反映的是節(jié)點對剩余能量的敏感度對的影響。當增加時，也隨著失效節(jié)點增多而增加了。

圖5節(jié)點密度與退包率之間的關系圖6對能量的敏感度與退包率之間的關系

7結論和進一步工作

本文提出了無線傳感器網絡中一種節(jié)能的、模糊數據多路徑匯集的策略。節(jié)點根據FLC的輸出、剩余的能量以及接收到的數據類型決定是退包還是轉發(fā)。在路由發(fā)現(xiàn)階段，大數據（如視頻）會削弱低能量節(jié)點的處理能力和對路由的感知能力。從實驗結果可發(fā)現(xiàn)退包率和各節(jié)點剩余的能量之間存在折中。今后我們將根據無線傳感器網絡中節(jié)點的路由能力來測試不相交和相交路徑的健壯性和可靠性。

參考文獻

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