Agent數(shù)據(jù)路由策略論文

導(dǎo)語：Agent數(shù)據(jù)路由策略論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要提出了一種傳感網(wǎng)絡(luò)中基于agent的數(shù)據(jù)匯集多徑路由算法，其基本思想是網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)類型進(jìn)行比較和關(guān)聯(lián)來做出決策是退回還是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。仿真結(jié)果表明，該算法顯著降低了數(shù)據(jù)傳輸時的退包率，且沒有增加能量消耗和尋路時間。

關(guān)鍵字傳感器網(wǎng)絡(luò)；模糊邏輯控制器；節(jié)能；以數(shù)據(jù)為中心的多徑路由

1引言

傳感網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)根據(jù)感興趣的數(shù)據(jù)建立由數(shù)據(jù)源到sink節(jié)點的路徑[1]。其中定向擴(kuò)散(DirectedDiffusion，DD)算法[2]是一種以數(shù)據(jù)為中心的路由機制，體現(xiàn)了根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容建立優(yōu)化路經(jīng)的思想[3]，但DD算法在路由建立時需要進(jìn)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(shù)據(jù)類型。在分布式的具有動態(tài)特性的以完成特定任務(wù)為目的的傳感網(wǎng)絡(luò)中，并非所有節(jié)點都傳輸相同種類的數(shù)據(jù)，有的節(jié)點可傳輸視頻，有的只可傳輸音頻（這是根據(jù)其與音頻傳感的接近度來定義的），有的節(jié)點甚至不能轉(zhuǎn)發(fā)鄰點的數(shù)據(jù)類型[4]。例如，一個節(jié)點根據(jù)其剩余的能量，只可處理或轉(zhuǎn)發(fā)音頻數(shù)據(jù)，這時若轉(zhuǎn)發(fā)已感知到的大的視頻則將阻礙數(shù)據(jù)包的接收，并導(dǎo)致“網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)根據(jù)接收到的興趣、被感知的數(shù)據(jù)類型及對能量的估計做出決策是退回還是處理這個數(shù)據(jù)包。

為了路由失效節(jié)點周圍的區(qū)域，文獻(xiàn)[2]通過周期性的興趣擴(kuò)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(wǎng)絡(luò)的生命期。針對這個問題，文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(biāo)的流量性能和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。文獻(xiàn)[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(shù)據(jù)類型與剩余能量之間的關(guān)系。

2預(yù)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?shù)臄?shù)據(jù)類型有關(guān)。作假設(shè)如下。

1)網(wǎng)絡(luò)假設(shè)

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(shù)據(jù)[2]。使用傳統(tǒng)的flooding機制來確定多重路徑[5]，但僅認(rèn)為其中能支持和處理其傳輸數(shù)據(jù)類型的是合適的。假定整個網(wǎng)絡(luò)是低能量傳感器網(wǎng)絡(luò)，即分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的能量較低。

2)能量消耗

在傳感器網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)[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?shù)臄?shù)據(jù)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(shù)據(jù)。由sink節(jié)點命名的數(shù)據(jù)將感知任務(wù)（或其子任務(wù)）分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，還包括sink節(jié)點要傳感器節(jié)點監(jiān)視和捕獲的數(shù)據(jù)類型[2]。興趣是確定所需消息類型的清晰數(shù)據(jù)，每個接收路由請求的中間節(jié)點將興趣轉(zhuǎn)換為詳細(xì)描述所需數(shù)據(jù)類型的模糊消息。從假設(shè)可知，傳感網(wǎng)絡(luò)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(jù)接收到的數(shù)據(jù)類型和剩余的能量做出決策是退回還是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。傳輸過程按照指定的重繪（draw）事件（即數(shù)據(jù)與興趣匹配）在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)增強其中的一條或少數(shù)幾條，然而，為了避免主路徑傳輸失效，維護(hù)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(jù)模糊控制器的輸出和剩余的能量能夠處理接收到的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)，這時flooding才結(jié)束。

4Agent結(jié)構(gòu)

傳感網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點有一個基于Agent的結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)相關(guān)器(Comparator/Correlator，C/C)，是否轉(zhuǎn)發(fā)興趣的決策器(DecisionMaking，DM)。

圖1基于Agent的模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2模糊邏輯控制器的結(jié)構(gòu)圖

1)模糊邏輯控制器

模糊邏輯控制器（FLC）的結(jié)構(gòu)如圖2所示。模糊化是將明確的輸入興趣（crispinput）轉(zhuǎn)換為對應(yīng)屬函數(shù)的模糊語言值（fuzzyvalue）；模糊推論主要是根據(jù)內(nèi)存所設(shè)定的規(guī)則與輸入的模糊語言值來判斷輸出結(jié)果；解模糊化將模糊推論的結(jié)果轉(zhuǎn)成明確的輸出。使用FLC將節(jié)點能夠處理的數(shù)據(jù)類型和剩余能量聯(lián)系起來，例如，假設(shè)sink節(jié)點在flooding期間發(fā)送一個監(jiān)視和記錄傳感器網(wǎng)絡(luò)在動態(tài)環(huán)境下視頻的興趣：MPEGI標(biāo)準(zhǔn)，周期為60s。然后，F(xiàn)LC轉(zhuǎn)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(jìn)行分析，并分類，將周期為60s的MPEGI標(biāo)準(zhǔn)視為短的視頻。

2)模糊模式比較器和模糊數(shù)據(jù)關(guān)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(guān)系。

3)做出決策（DM）

節(jié)點根據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換為模糊的興趣；

③確定興趣的類型，并根據(jù)其模糊的描述進(jìn)行分類；

④將數(shù)據(jù)（興趣）的類型和剩余能量進(jìn)行模糊比較和關(guān)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(zhuǎn)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(wù)，讓其停止flooding；

⑥停止。

6實驗結(jié)果

仿真采用的是NS2[8]，評價體系與文獻(xiàn)[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(shù)據(jù)包而退包的情形。

6.1實驗的設(shè)置

將傳感器節(jié)點均勻分布在400×400的區(qū)域內(nèi)，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(shù)，如節(jié)點密度、源節(jié)點和sink節(jié)點之間的跳數(shù)、退包率Pr和對能量的敏感度Si。每輪實驗選擇的節(jié)點數(shù)N與源節(jié)點和sink節(jié)點之間的跳數(shù)有關(guān)，并隨機選擇以不同跳數(shù)隔開的源節(jié)點－sink節(jié)點對。

場景設(shè)置為：MAC層協(xié)議使用的是IEEE802.11分布式的協(xié)調(diào)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(dá)位置后的狀態(tài)為固定狀態(tài)，再選擇另一位置，重復(fù)這個過程。網(wǎng)絡(luò)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(guān)的節(jié)點的流量率。當(dāng)?shù)湍芰抗?jié)點不能有效轉(zhuǎn)發(fā)它鄰點的數(shù)據(jù)時，這個方法尤為適用。在多徑路由發(fā)現(xiàn)期間，根據(jù)退回給產(chǎn)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(shù)據(jù)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(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(hù)備選路徑需要的能量與備選路徑的平均長度（跳數(shù)）成比例，文獻(xiàn)[5]給出了粗略計算維護(hù)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(jù)剩余能量和可支持的數(shù)據(jù)類型來選擇最優(yōu)節(jié)能路徑時，才需測量維護(hù)總開銷的精確值。

6.2實驗結(jié)果

圖3反映的是節(jié)點密度對維護(hù)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(hù)總開銷的影響圖4路徑長度對維護(hù)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中，局部行為較多，這與低能量傳感器網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行有大數(shù)據(jù)的任務(wù)時能量的分布是相適應(yīng)的。圖6反映的是節(jié)點對剩余能量的敏感度對的影響。當(dāng)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(guān)系圖6對能量的敏感度與退包率之間的關(guān)系

7結(jié)論和進(jìn)一步工作

本文提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種節(jié)能的、模糊數(shù)據(jù)多路徑匯集的策略。節(jié)點根據(jù)FLC的輸出、剩余的能量以及接收到的數(shù)據(jù)類型決定是退包還是轉(zhuǎn)發(fā)。在路由發(fā)現(xiàn)階段，大數(shù)據(jù)（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(jié)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(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)

[1]孫立民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005

[2]C.Intanagonwiwat，R.Govindan，andD.Estrin，Directeddiffusion：ascalableandrobustcommunicationparadigmforsensornetworks[A].Proc6thAnnualInt’lConfonMobileComputingandNetworks(MobiCOM2000)[C].Boston，MA，2000

[3]于海斌，曾鵬，王忠鋒.分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究[J].通信學(xué)報，2004，25(10)：102-110

[4]G.PottieandW.Kaiser，“Wirelesssensornetworks，”CommunicationsoftheACM，43(5)：51–58，May2000

[5]D.Ganesan，R.Govindan，S.Shenker，andD.Estrin，“Highly-resilient，energy-efficientmultipathroutinginwirelesssensornetworks，”ACMSIGMOBILEMobileComputingandCommunicationsReview，vol.5，no.4，pp.11–25，2001

[6]GasimAlandjani，“Fuzzyroutingforadhocnetworks，”NewMexicoStateUniversity，2002

[7]EmadAboelelaandChristosDouligeris，“FuzzyoptimizationmodelforQoSroutingandbandwidthallocation，”Dept.ofElectricalandComputerEngineeringatUniversityofMiami，F(xiàn)lorida，1999

[8]K.FallandK.Varadhan，editors.ThensManual(formerlynsNotesandDocumentation).TheVINTProject，UCBerkeley，LBL，USC/ISIXEROXPARC，2001