0 引言

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

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

1 網絡模型

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

2 本文路由協議

    為了降低能量不足可能引起的組播路由不穩定問題，本文提出一種基于模糊邏輯的MANETs組播路由協議，依據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路由。本文路由協議主要包括兩個部分，一是組播網格創建，二是借助模糊邏輯選擇最優組播路由。

2.1 組播網格創建

    本文采用部署在區域Δ內的部分移動節點來創建組播網格，組播網格創建的數據包類型共有4種，分別命名為J-Q（“加入組”請求）數據包、J-R（“加入組”應答）數據包、J-E（“加入組”錯誤）數據包和HELLO（握手）數據包。其中，J-Q數據包格式如表1所示。

    每個節點保存一個路由表，用于存儲路由信息，包括組地址、下一跳地址、跳數量、序列號、類型、路由列表、輸入參量和輸出參量。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點和組播組地址之間的路由，路由可以有多個。輸入參量有兩個，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數據包到達組播組時，依據輸入的能量和距離參量計算輸出參量。當源節點想要向組播組發送數據包時，源節點會在其路由表中檢查路由。如果源節點的路由表中包含路由，則直接發送數據包即可。否則，將保留數據包并廣播消息給鄰居節點，通過向其鄰居傳播J-Q數據包來發起J-Q進程。當發現組播組的最優路由時，則回傳J-R數據包。

    建立組播網格之后，進入組播路由選擇階段。依據節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據傳輸。當第一條路由出現故障時，使用第二條路由進行數據傳輸，提高網絡的可靠性。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，具體在下一小節詳述。

2.2 基于模糊邏輯的組播路由選擇

    移動自組織網絡存在大量隨機事件，這些隨機事件導致自組織網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，輸入和輸出參數根據模糊邏輯語言屬性的變化而變化。在通信過程中，路由表中的節點的能量和距離參量采用累積形式更新，直到J-Q數據包到達組播組。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，并選擇最優路由回傳J-R數據包。

    組播網格中的每個節點用于在區域Δ中傳輸數據，但節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，鄰居節點集合ξ是一組動態節點的集合。對集合ξ中的節點，按照其剩余能量的大小將其劃分為3個等級，分別低能量節點、中能量節點和高能量節點。對應的節點集合分別記為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中的節點劃分為3個等級，分別近距離節點、中距離節點和遠距離節點。對應的節點集合分別記為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。

    在組播網絡通信時需要選擇最佳鏈路將一個節點的數據包轉發給另一個節點。由于移動節點的不確定性，無法給出最佳鏈路的準確定義。理論上，節點的剩余能量越高、距離越近，對于數據包的轉發越有益。本文采用模糊邏輯來描述這一情況，建立能量高低、距離遠近與路由優劣之間的模糊聯系。

    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變為模糊的語言變量，過程采用模糊知識庫中的隸屬度函數來實現，將輸入參量E和D的實際值轉換為模糊的隸屬度。隸屬度函數通常為非線性函數，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]。常用的隸屬度函數有三角函數、梯形函數、高斯函數、分段線性函數等。其中，高斯隸屬度函數對拓撲結構易變的移動自組織網絡的適應性更好，因此本文采用高斯隸屬度函數實現輸入參量的模糊化。

    如前所述，集合ξ中的節點按照其剩余能量的大小可以劃分為低能量節點、中能量節點和高能量節點3個等級。因此，能量參量可以模糊化為3個語言變量。考慮到隸屬度的范圍為[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中的節點按照其距離的遠近也可以劃分為近距離節點、中距離節點和遠距離節點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]，具體是用節點的距離與源節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換為模糊的輸出值，通常采用Mamdani和Sugeno等模糊推理模型，依據經驗知識構建的模糊規則實現模糊推理。模糊推理由確定輸入和輸出參量之間關系的邏輯規則組成，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個模糊規則，如表4所示。可見，推理結果共有6類，分別為“最優”、“優”、“良”、“中”、“差”、“最差”，簡記為“VE”、“E”、“G”、“M”、“B”、“VB”。其中，規則1和規則9的推理結果相同，規則2和規則6的推理結果相同，規則4和規則8的推理結果相同。

    6類推理結果對應的高斯隸屬度函數如下：

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換為確定值，常采用方法包括質心法、重心法、均值法和最大值法等。其中，質心法的應用最為廣泛。本文采用質心法進行去模糊化，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。

    去模糊化之后，得到的確定值即為輸出的獎勵值。

    經過模糊邏輯處理之后，路由上的每一個節點都得到一個獎勵值，將路由上各節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對路由進行排序，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據傳輸，另一條路由作為備選路由，在第一條路由出現故障時進行數據傳輸，以便提高網絡的可靠性。

3 仿真結果分析

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議（簡記為FLMRP）的性能，本節采用常用的Network Simulator 2網絡仿真軟件進行仿真實驗，與現有的MAODV^[11]、ODMRP^[12]和MODMRP^[13]組播路由協議進行對比分析，從報文送達率和端到端平均延時兩個方面評價路由協議的性能。仿真參數如表5所示。

3.2 結果對比

3.2.1 報文送達率結果對比

    圖1展示了4種組播路由協議的報文送達率指標隨數據包傳輸速率變化的仿真結果。可見，隨著數據包傳輸速率的增加，報文送達率指標下降顯著。數據包發送越快，對路由質量要求越高，路由故障或網絡擁塞都會導致數據丟包率增加，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 端到端平均延時結果對比

    圖2展示了4種組播路由協議的端到端平均延時指標隨數據包傳輸速率變化的仿真結果。隨著數據包傳輸速率的增加，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果對比，可以看出本文路由協議的報文送達率和端到端平均延時兩個指標都優于其他3種組播路由協議。原因在于：與其他3種組播路由協議相比，本文提出的基于模糊邏輯的組播路由協議在組建路由時關注了節點的能量和距離參量，并借助模糊邏輯建立能量高低、距離遠近與路由優劣之間的模糊聯系，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定現象，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據傳輸，另一條路由作為備選路由，這樣在第一條路由出現故障時可以采用備選路由進行數據傳輸，進一步降低了丟包現象和數據傳輸延遲。

4 結束語

    組播路由協議有利于降低數據傳輸次數，減少網絡擁塞，是提高移動自組織網絡的數據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定問題，提出了一種基于模糊邏輯的組播路由協議。主要創新是采用模糊化、模糊推理和去模糊化3個模糊邏輯的處理步驟建立節點能量高低、距離遠近與組播路由優劣之間的模糊聯系，為數據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據傳輸延遲。另外，本文在源節點到組播組之間建立兩條不相交的路由進行數據傳輸，便于在第一條路由出現故障時可以使用第二條路由進行數據傳輸，提高網絡的可靠性。通過與現有的MAODV、ODMRP和MODMRP 3種組播路由協議進行性能對比，證實了本文提出的組播路由協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453000)