（信号与信息处理专业论文）ad+hoc网络中qos保障技术的研究.pdf

南京邮电人学硕士研究生学位论史 摘要 a dh o e 网络中q o s 保障技术的研究 摘要 a dh o c 技术已经成为了当今无线通信领域研究的个热点，研究成果也是 相当丰富的。随着研究的不断深入，a dh o c 技术越来越显现着其独特的魅力， 它已经开始被当作下一代移动通信网络的一种应用方案。无线a dh o c 网络的应 用环境要求它必须提供一定的服务质量( q o s ) 保证，然而，无线信道固有的特 点及节点移动造成网络拓扑的频繁变化，使得在无线a dh o c 网络中支持q o s 面 临许多新的挑战。 本文重点研究了a dh o c 网络中的q o s 保障技术。在深入研究和分析a dh o e 网络的各种特点以及现有的q o s 解决方案的前提下，对原有的a dh o e 路由协议 a o d v 进行了修改使其能够满足一定的q o s 要求，并在n s 下进行了仿真，对 改进后的a o d v 和原a o d v ，d s d v 进行了性能比较。本文还介绍了两种现有 的a dh o c 网络体系结构f q m m 和c r o s s l a y e rq o sm o d e l ，并且在此基础上提出 了一种新的适用于a dh o c 网络的保障q o s 的体系结构。为了在一定程度上满足 新提出的保障q o s 的体系结构对m a c 层的特殊要求，本文又对原有的i e e e 8 0 2 1 1m a c 层协议d c f 进行了修改，并在n s 下对其进行了仿真，并与原先的 m a c 协议进行了比较。 本文最后给出了对后续研究方向的建议，目标是建立一个跨平台的跨底层 技术的完善的有效的a dh o e 网络分布式q o s 解决方案系统。 关键字：a dh o c ，q o s ，路由，m a c ，信令，资源预留， a o d v 路由协 议，d c f 南京邮电人学硕士研究生学位论文 t h ek e yr e s e a r c ha b o u tq o ss u p p o r t i n go fa dh o c n e t w o r k a b s t r a c t n o w a d a y s ，a dh o ct e c h n o l o g yh a sb e e nah o tr e s e a r c hp r o j e c ti nt h ea r e ao f w i r e l e s s sc o m m u n i c a t i o n ，a n dt h er e s e a r c hr e s u l ti sa b u n d a n t ，w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fr e s e a r c h ，a dh o ct e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e sa n di sa p p l i e di nt h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k t h ea p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n t sr e q u i r et h a t w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k ss h o u l ds u p p o r tq u a l i t y o f - s e r v i c e ( q o s ) i naw i r e l e s sa d h o cn e t w o r k ，s u p p o r t i n gq u a l i t y o f - s e r v i c ei sv e r yd i f f i c u rb e c a u s eo ft h ei n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s sc h a n n e la n dt h ef r e q u e n tc h a n g eo f n e t w o r kt o p o l o g y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ek e yt e c h n i q u e so fq o sg u a r a n t e e si na dh o cn e t w o r k a f t e rl u c u b r a t i n ga n da n a l y z i n gd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i co fa dh o cn e t w o r ka n d e x i s t i n gq o ss o l u t i o n ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r da o d v r o u t ep r o t o c o li no r d e rt o s u p p o r tb e t t e rq o sp e r f o r m a n c e ，a n ds i m u l a t si t i nh s 一2s i m u l a t o r w ec o m p a r ei t 研t ht r a d i t i o n a la o d v d s d vp r o t o c 0 1 w ea l s oi n t r o d u c et w oa dh o cf r a m e w o r k s ( f q m m a n dc r o s s l a y e rq o sm o d e l ) a n d p r o p o s ean e wq o sp r o v i s i o nf r a m e w o r k ， w h i c hp r o v i d e sq o sg u a r a n t e e st ot h ea p p l i c a t i o n so fw i r e l e s sa dh o cn e t w o r k s t h e n w ee n h a n c et h ea dh o cm a c p r o t o c o li no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n d so ft h en e wq o s p r o v i s i o nm o d e lm e n t i o n e da b o v e ，a n da l s os i m u l a t ei t i nn s - 2t op r o v ei t sf u n c t i o n a tt h ee n do f t h i sp 印e r ，w ep r o p o s et h ea i mo ff u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o nt h a ti st o s e t u pac r o s s p l a t f o r me f f e c t i v ea dh o cn e t w o r kd i s t r i b u t e dq o s s o l u t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：a dh o e ，q o s ，r o u t i n g ，m a c ，s i g n a l i n g ，r e s o u r c er e s e r v a t i o n a o d v r o u t i n gp r o t o c o l ，d c f 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：现代通信中的信号与信息处理 作 者：j 塑级研究生 赵莉 指导教师昱鐾 题目：a dh o c 网络中q o s 保障技术的研究 英文题目：t h ek e yr e s e a r c ha b o u tq o ss u p p o r t i n go fa dh o e n e t w o r k 主题词：a dh o c q o s 路由m a c信令资源预留 a o d v 路由协议d c f k e y w o r d s ： a dh o c q o sr o u t i n g m a c s i g n a l i n g r e s o u r c er e s e r v a t i o na o d vr o u t i n gp r o t o c o l d c f 南京邮电大学学位论文独创性声明 x8 5 0 8 s 1 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：琏日期： 塑! 丝罗 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：篮塑1 导师签名： + # 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 a dh o c 网络简介 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代末期以来，在无线通信领域一种新的网络技术正在迅速发展， 并很快从军事通信渗透到相关的各个民用通信领域，这就是无线自组织多跳移动 通信网络a dh o e 网络技术。 a dh o c 网络是由一组有无线收发信装置的移动节点组成的一个无线移动通信 网络，它不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络中移动的节点利用自身的无 线收发设备交换信息，当相互之间不在彼此的通信范围内时，可以借助其它中间 节点中继来实现多跳通信。中间节点帮助其它节点中继时，先接收前一个节点发 送的分组，然后再向下个节点转发以实现中继，所以也称为分组无线网或多跳 网。 1 2 a dh o c 网络的特点 1 1 多跳网：由于无线通信距离受限，自组网内节点间的通信往往需要借助 其它节点中继转发才能实现，这样就形成了多跳通信路径。 2 1 网络的动态拓扑：自组网中间节点的互相连通性构成了网络的拓扑结构。 由于自组网中的节点可以以较随意的速度和方式移动，加上发射功率的变化，以 及无线信道的干扰大小频繁变化等因素，节点间通过无线通信形成的网络拓扑结 构可能随时发生变化，而且变化的方式和速度都是难以预测的。 3 1 分布式控制：在自组网中，为了实现网内成员之间的通信，一定要解决 无线资源使用，路由发现等控制问题。由于自组网没有预设的基础设施，也就没 有预设的中心控制节点，所以只能采用分布式控制的方式来完成。分布式控制是 由每个“成员”按照预先确定的一套规则，各自依据自己掌握的局部信息独自计 算和管理。 4 1 对等性：与蜂窝网不同，自组网中节点与节点之间可以直接互通。在自 组网中一般每个节点都相同，无主从之分，所以每个节点应当能够支持逻辑上的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 自发自收，也就是节点之间的来去双向链路都相同。因此，自组网节点的无线通 信装置一般采用时分双工方式( t d d ) 。 5 ) j 临时性：当几个自组网的节点聚集到一起时，它们就会临时性地组成一 个无线通信网络，无需预先的规划，无需预先建设的基础设施。这种临时性包括： 网络成员的临时性，网络组织的临时性，网络拓扑的临时性，网络路由的临时性， 网络无线资源分配采用按需临时分配等。 6 ) 自组织性：自组网不依赖于基站等基础设施的支持，可以在任何时刻， 任何地点构成网络，以实现移动节点的信息交互。具体而言，在自组网中，网络 路由的计算，网络临时结构的形成不需要外部参与，都可以依据当时的情况自我 组织，并随环境变化自适应地自我调整。 7 ) 链路带宽受限：自组网采用无线传输技术作为基本通信手段，与有线传 输技术相比，具有较低的传输带宽。并且由于多个节点分布式竞争使用信道，使 得每个移动节点实际使用的带宽远小于物理层提供的最大传输速率。 8 1 信道的单向性：自组网的一对节点之间可能存在单向信道，这种情况往 往在使用功率控制时发生。 9 ) 能量受限：自组网内的移动节点一般需要依靠电池提供能量，在电池容 量没有大幅提高前，节省功率将是自组网技术中一个需要高度重视的问题。 t o ) 有限的安全性：自组网由于采用分布式控制，无中心，临时组织等原因， 它比一般的无线网络更易受到安全方面的威胁。 1 3 a dh o e 网络的关键技术0 1 由于a dh o e 网络的特殊性，传统固定网络和蜂窝移动通信网中使用的各种 协议和技术无法被直接使用，需要为a d h o e 网络设计专门的协议和技术。a dh o e 网络涉及的技术很多，全球的研究人员在这方面开展了大量的研究。综合而言， 主要体现在如下几个方面： 1 1 物理层自适应技术 由于能量的限制，自组织网络的链路层设计面临许多新的挑战。由于多径衰 落引起的幅度与相位的扰动，延迟扩展引起的码间串扰，来自其它节点信号的干 扰等等因素，使得无线信道的单位带宽容量相对很小。自组网网络链路层设计的 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 自发自收，也就是节点之间的来去双向链路都相同。因此， j 组网节点的无线通 信装置一般采用时分双工方式( t d d ) 。 5 ) 临时性：当几个自组网的节点聚集到一起时，它们就会临时性地组成一 小无线通信网络，无需预先的规划，无需预先建设的基础设施。这种临时性包括： 网络成员的临时性，网络组织的临时性，网络拓扑的临时性，网络路由的临时性， 网络无线资源分配采用按需临时分配等。 6 ) 自组织性：自组网不依赖于基站等基础设施的支持，可以在任何时刻， 任何地点构成嘲络，以实现移动节点的信息交互。具体而言，在自组网中，网络 路由的计算，网络临时结构的形成不需要外部参与，都可以依据当时的情况自我 组织，并随环境变化自适应地自我调整。 7 ) 链路带宽受瞑：自组网采用无线传输技术作为基本通信手段，与有线传 输技术相比，具有较低的传输带宽。并且由于多个节点分布式竞争使用信道，使 得每个移动节点实际使用的带宽远小亍物理层提供的最大传输速率。 8 1 信道的单向性：自组网的一对节点之间可能存在单向信道，这种情况往 往在使用功率控制时发生。 9 1 能量受限：自组网内的移动节点一般需要依靠电池提供能量，在电池容 量没有大幅提高前，节省功率将是自组网技术中一个需要高度重视的问题。 l o ) 有限的安全性：自组网由于采用分布式控制，无中心，临时组织等原因， 它比一般的无线网络更易受到安全方面的威胁。 1 3 a dh o e 网络的关键技术1 由于a dh o c 网络的特殊性，传统固定网络和蜂窝移动通信网中使用的各种 协议和技术无法被直接使用，需要为a d h o e 网络设计专门的协议和技术。a d h o c 网络涉及的技术很多，全球的研究人员在这方商开展了大量的研究。综合而言， 主要体现在如下几个方面： 1 ) 物理层自适应技术 由于能量的限制，自组织网络的链路层设计面临许多新的挑战。由于多径衰 落引起的幅度与相位的扰动，延迟扩展引起的码甸串扰，来自其它节点信号的干 扰等等因素，使得无线信道的单位带宽容量相对q t 4 d , 。自组劂刚络链路层设计的 扰等等因素，使得无线信道的单位带宽容量相对很小。自组网网络链路层设计的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 目标是在相对小的能量条件下，使得数据速率接近最基本的信道容量。如何充分 利用有限的带宽，能量资源，基于应用的特点和对q o s 的要求，最大化网络的 吞吐量，最小化能量的消耗，延长能量受限网络的寿命，将是链路自适应技术要 解决的问题。解决的方法主要有采用自适应编码，自适应调制，帧长自适应，自 适应功率控制，自适应资源分配，自适应链路调整等技术。 2 ) 信道接入技术 信道接入技术是a dh o c 网络协议的基础。它控制着节点如何接入无线信道， 对a dh o c 网络的性能起着决定性的作用。a dh o c 网络的无线信道不同于普通网 络的共享广播信道，点对点无线信道和蜂窝移动通信系统中的由基站控制的无线 信道，它是多跳共享的多点信道。即一个节点发送信息时，邻居节点( 也只有邻 居节点) 可以收到。此外，a d h o e 网络还存在独特的隐终端和暴露终端的问题， 这些问题都需要专门设计的信道接入技术才能解决。 3 ) 路由协议 路由协议是a dh o e 网络的重要组成部分。要实现多跳路由，必须要有路由 协议的支持。l e t f 成立的m a n e t 工作组目前就主要负责a dh o c 网络i p 层路 由的标准化工作。 4 1 服务质量保障 a d h o e 网络出现的初期，主要用于传输少量的数据信息。随着应用的不断扩 展，需要在a dh o c 网络中传输话音，图像等多媒体信息。多媒体信息对带宽， 时延，时延抖动等都提出了很高的要求。这就需要提供一定的服务质量保证。 a dh o c 网络中的服务质量保证是个系统性问题，不同层都要提供相应的机制。 比如应用层要提供自适应信源编码和压缩技术，网络层要提供q o s 路由，链路 层要提供资源预留策略等。 5 ) 广播和多播 由于a dh o c 网络的特殊性，广播和多播问题也变得非常复杂，它们需要链 路层和网络层的支持。 6 ) 安全问题 a dh o e 网络的特点之一就是安全性较差，易受窃听和攻击。因此需要研究适 用于a dh o c 网络的安全体系结构和安全技术。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 7 1 网络管理 网络管理的范围较广，包括a dh o c 网络中的服务发现，移动性管理，地址 管理，服务管理等。要有相应的机制解决节点定位，地址自配等问题。 8 ) 传输层服务 在a dh o c 网络中，无线信道的衰落，干扰，节点移动等因素会造成报文冲 突和丢失，这将严重影响t c p 的性能。因此，在a d h o e 网络中要对传输层服务 进行修改，以满足数据传输的需要。 1 4 论文主要工作及章节安排 本文重点研究了a dh o c 网络中q o s 保障技术，论文从现有q o s 保障技术的 介绍，相关路由协议的改进，n s 的仿真，性能分析以及新的q o s 保障体系的提 出及对相应的m a c 层进行改进等方面进行了深入的探讨研究和新的尝试。 第一章介绍了a dh o c 网络的基本原理；第二章较为详细的介绍了国际上相 关技术的研究现状，主要包括a dh o c 网络协议栈各层的q o s 保障机制( m a c 层q o s 保障策略，q o s 路由，动态自适应机制) ，q o s 信令，以及其它一些q o s 保障机制( 包括备份路由，多路径传输等) 。第三章针对路由协议a o d v 进行修 改，使其能够提供一定的q o s 保障，对这种改进后的路由协议在n s 2 下进行了 仿真，将其性能和原始的a o d v ，d s d v 进行了对比。第四章介绍了现有的a d h o e q o s 保障模型，并提出了一种新的保障a dh o c 网络q o s 的体系结构。第五章根 据第四章提出的q o s 保障模型的要求，对m a c 层协议进行了改进，并在n s 2 中对其进行了仿真。第六章进行了总结，并提出了未来工作的重点。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章q o s 保障技术研究现状 第二章q o s 保障技术研究现状 2 1q o s 保障综述 随着多媒体应用的普及，q o s 保证已成为通信系统必须支持的一项重要功能， 对于a dh o c 网络也是一样。所谓q o s 就是网络为用户传送端到端数据时必须满 足的一套可预先定义的基于端到端性能的服务属性，一般包括：时延，时延抖动， 可用带宽和分组丢包率等【2 1 。q o s 保证就是网络要采用一系列策略和措施来确保 对用户业务承诺的q o s 。它是一个全局问题，网络中的各节点，节点上各个协议 层次要相互协作，共同完成。 目前保障网络的q o s 一般采用两种策略：一是采用保守的方法，提供足够的 网络资源来避免资源竞争；二是采用对特定分组进行标记并提供不同优先级的方 法来确保某些特定业务的服务质量，如i e t f 提出的综合服务模型( i n t e r s e r v ) 1 3 和区分服务模型( d i f f s e r v ) 4 1 。但是这些服务模型并没有考虑无线移动的网络 环境，而现有在无线网络中提供q o s 保障的机制一般都基于有基础设施的单跳 蜂窝模型，也无法直接应用在多跳，拓扑动态变化的移动a dh o c 网络中。这就 要求设计和研究新的q o s 保障机制，为a dh o c 网络中的各种业务提供相应的服 务质量保证。 一套比较完整的q o s 保证体系包括q o s 模型，q o s 路由，q o s 信令协议和 q o s 介质访问控制( q o sm a c ) 以及其它组件，比如允许控制和排队调度等【5 j 。 当前提出了大量的a dh o c 网络q o s 保证方法，其中较常见的有以下几种。 1 、动态服务质量保证机制：动态q o s 保证机制是一种基于资源预留的，服 从综合服务模型的方法。资源预留请求规定了一个预约请求的范围，网络实体通 过对此请求范围进行判决，从而可以灵活地提供服务。预约请求范围从能够接受 的最小服务级别到能够得到的最大服务质量等级，各种网络实体在此范围内根据 网络的资源状况进行动态的自适应调整，从而可以提供种在动态环境下灵活的 q o s 保障方法。 2 1 具有q o s 能力的中间适配机制：a d h o c 网络中另外一种提供q o s 保障的 策略是采用带有中间适配件的网络框架来动态地适应网络性能地变化。这种方法 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章q o s 保障技术研究现状 考虑了网络的性能和端到端的资源状况，可以向应用提供有用的信息用于重新配 置，从而使整个系统获得最优的q o s 保障等级。 3 ) 支持q o s 的信道接入协议：它的目标是在a dh o c 网络中使共享媒体的各 个节点能在尽量不影响其它节点的前提下实现自身的q o s 要求。多址接入分组 预留资源( m a c a p r ) 可以在无冲突阶段发送一个a c k 来通知相邻的节点是 否需要预留带宽，每个节点可以基于分组中携带的预约请求来获得信道的状态。 4 ) q o s 路由：首先通过带有q o s 信息的路由实施有效的控制来防止网络过 载，然后寻找满足q o s 要求的路由在无线网络中实施负载均衡。可以基于各种 现有的路由算法来构造q o s 路由协议，每个节点在路由表中增加相应的q o s 信 息( 如带宽和时延) ，计算最短路径的同时计算各种q o s 信息，每个节点根据 q o s 信息来决定是否接纳新的连接请求。 但是，相对于固定有线网络，a dh o c 网络的q o s 保障问题更加复杂和难以 实现，当前，它的研究是一个开放的热点问题。 2 2 a dh o e 网络中q o s 保障面临的挑战 为了保证q o s ，要掌握尽量准确的网络状态信息，比如链路的时延，时延抖 动，可用带宽等，这样才能根据业务的q o s 需求，选择链路质量好，具有足够 可用资源的路径传递q o s 数据。然而，自组网是一种自创建，自组织，自管理 的多跳无线网络，它具有一些独特的特点。因此，在自组网中保证q o s 除了面 临有线网络中的问题，还存在一些新挑战。具体包括以下几个方面： 1 1 链路质量难以预测。自组网节点使用无线媒介进行通信，无线信号传输 面临着路径损耗，多径衰落和干扰等问题，这些问题和周围环境有关。同时，自 组网节点具有随机移动性，剩余电池能量有限性等特点，这些加刷了周围环境的 变化，导致对节点间链路质量的预测很困难。 2 ) 链路带宽资源难以确定。链路带宽资源是网络资源的一个重要方面。目 前大多数自组网q o s 路e h 协议都以最小可用带宽作为q o s 度量。然而，无线媒 介属于广播媒介，自组网中节点的信道带宽资源被周围的节点共享。一个节点的 链路带宽资源不仅要受到一跳邻接节点和两跳邻接节点移动性的影响，还要受到 这些节点上业务量变化的影响。随着节点的移动或其它原因，两跳邻接节点 6 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章q o s 保障技术研究现状 可能会增多或减少，这些节点上业务量也在随时间变化着，所有这些都使得链路 带宽资源动态变化着。因此，准确的链路带宽资源是难以确定的。 3 1 分布式控制为q o s 保证带来困难。由于自组网没有任何的基础设施或管 理中心，因此，网络资源的管理和路由等工作只能采用较为复杂的分布式控制机 制。分布式控制机制对q o s 保证的影响很大。虽然节点能够对本节点上等待转 发的业务按照优先级进行处理，但是由于自组网中信道使用权是通过分布式方式 获得的，多个节点的分布式协作使得高优先级的业务不一定获得真正的优先权， 也就是说，q o s 业务的优先级保证和资源预留等具有一定的随机性。进一步地， 路由是多跳的，多跳环境下q o s 业务的优先级保证和资源预留将更加复杂和难 以控制。 4 ) 网络动态性是q o s 保证面临的又一挑战。导致自组网网络动态变化主要 有三个因素：其一，节点通常是使用电池来供应能量的，而电池的生命期是有限 的。当电池的能量耗尽或非常少时，节点就不再具备中继转发的能力，此时拓扑 发生变化；其二，自组网中的节点具有随机移动性，对于任意一个节点而言，邻 接节点的靠近离开都会导致网络拓扑的变化；其三，网络中的业务流是动态且 不可预测的，这是自组网网络动态性的又一体现。网络的动态性使得q o s 保证 非常困难：一方面，网络动态性使得网络状态信息( 比如链路可用带宽，时延等) 变化频繁，也就是说，无法获得确切的网络状态信息，这可能导致无法获得q o s 路由：另一方面，网络的动态性使得路由的维护非常困难。一些已经建立好的 q o s 路由可能由于网络动态变化中断，重路由或路由维护可能会增加时延或时硭 抖动，也可能找不到路由，进而导致q o s 路由失败。 2 3a dh o e 网络协议栈各层的q o s 保障机制 在a dh o c 网络中提供服务质量保障意味着需要提供质量可以接受的信道， 支持q o s 的信道接入协议，识别能够满足业务量要求的转发节点以及在节点实 施拥塞控制和管理。当前一些大学和组织在多个方面和层次对a d h o c 网络的q o s 保障问题进行了一些有意义的探讨和研究。当前已经取得的研究结果，从q o s m a c 协议，调度机制，q o s 路由，传输层协议，q o s 信令机制，动态自适应机 制和q o s 模型等方面进行分析和讨论。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章q o s 保障技术研究现状 2 3 1a dh o e 网络的q o sm a c 协议 q o sm a c 协议是a dh o c 网络q o s 体系中最基本的部分，q o s 路由和q o s 信令都要依赖于它，并与它协同工作。m a c 层q o s 保障主要是解决实时性要求 很高的业务快速获得信道使用权和避免过大的时延抖动的问题。m a c 层处于协 议栈的底层，是所有数据报文和控制消息在无线信道上进行发送和接收的直接控 制者，它能否高效地使用无线信道是各种协议和机制所提供的q o s 能否得到最 终保障的个关键因素。 支持q o s 的m a c 协议需要综合固定分配，随机竞争和动态调度3 种信道接 入机制，以便达到优化网络资源和提供服务质量支持的目的。通常而言，对于承 载面向连接业务的网络，倾向于采用基于预约的信道接入机制，包括固定分配和 动态调度。随机接入协议适合于网络中具有大量突发业务的用户。对于连续业务 流，随机接入协议性能较差，因为许多传输都会发生冲突，并且不能提供严格的 时延保障。固定分配接入机制可以为用户提供一定的q o s 保障，但是当用户数 较少时信道利用率较低，在用户很多时信道接入时延较长。而调度机制能够以一 种更加系统的方式为用户分配信道。调度机制应保证每个节点在相应的信道上无 冲突地传输分组，同时尽可能高效地使用资源。 a dh o c 网络中m a c 层的q o s 保障要求处理两个不同层次的调度，即分组层 次的调度和节点层次的调度。分组层次的调度指在各个节点处确定下一个时隙发 送的分组，这一调度是由各个节点独立决定的。节点层次的调度则是指相邻的多 个节点如何通过分布式算法协调确定哪个节点具有信道接入优先权。因此，a d h o c 网络中的q o sm a c 协议可以分为基于优先级和基于资源预留两种类型。其 中具有代表性的协议分别是基于服务区分的m a c 协议和多跳接入冲突避免捎 带预留( m a c a p r ) 协议。 1 ) 基于服务区分的m a c 协议例 基于服务区分的m a c 协议大多是在i e e e8 0 2 1 1 标准的分布式协同( d c f ) m a c 协议基础上扩展而来的。8 0 2 1 l 标准定义了两种不同的m a c 层接入模式， 分布式协同和点协同式( p c f ) 。其中点协同式需要无线接入点设备周期性地发 送信号测试帧，通过该测试帧与各节点就网络识别，网络管理参数等进行交互， 不适用于a dh o c 网络。而分布式协同无需接入点设备的协调和管理，采用分布 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章q o s 保障技术研究现状 式的控制，适用于a d h o c 网络。 为了弥补8 0 2 1 1 标准没有考虑q o s 保障问题的不足，保障语音和视频等高 带宽应用的通信质量，已做的一些工作通过对8 0 2 1 1 标准进行改进来支持实时 业务和服务区分。一种是对8 0 2 1 1d c f 进行扩展，通过监视无线信道的质量并 估计可以获得的服务级别，然后相应地调整应用参数，从而提供服务区分能力。 此外，考虑到语音帧长较短，并具有突发性和间歇性，为了提高语音帧竞争信道 的成功率，可以减少语音分组采用的竞争窗口来降低语音分组的时延。另一种方 法是对8 0 2 1 1 协议的退避机制进行修改，并采用基于优先级的调度来为不同的 应用提供不同的q o s 级别。这种方法中，每个分组按照不同q o s 要求分配不同 的优先级。该机制通过广播分组时捎带队头分组的优先级字段来减少控制开销， 每个节点收集其它节点的队列信息并维护一个调度表，然后节点根据此调度表来 实现退避策略。遵循的原则是，高优先级分组的退避时延小于低优先级分组。尽 管在a dh o e 网络中很难获得准确的调度表，这种方法能够以一定的概率保证高 优先级分组优先获得信道的接入权，并且减少了分组冲突和投递时延。 2 ) 多址接入冲突避免捎带预留( m a c a p r ) 【7 多址接入冲突避免捎带预留( m a c a ，p r ) 协议是一种通过分组捎带预留机 制来为a dh o c 网络中的实时业务提供带宽保障的异步m a c 协议。对于数据报 业务，m a c a p r 采用与1 e e e8 0 2 1 1 类似的机制。为了在每一条链路上成功传 送实时连接的第一个分组，源节点首先发起r t s c t s 对话，如果收到c t s ，再 发起p k t - a c k 。但对实时会话的其它分组只需使用p k t - a c k ，从而减少了时延。 如果发送节点连续几次收不到a c k ，它将重新发起会话。a c k 用于刷新预约而 不用于重传。为了预留带宽，实时调度信息包含在p k t 和a c k 的分组头中传输。 发送节点使用当前的数据分组来捎带传输用于下一个分组的预约信息，接收节点 将预约信息放在预约表中并使用a c k 来确认。此外，数据报和实时分组可以交 织传输，但赋予实时分组较高的优先级，为了防止数据报业务饿死，对一个周期 可以预约的最大时隙数加以限制。m a c a p r 扩展了m a c a w 的冲突避免接入 机制，并且保持了异步操作的简单性，是异步和同步m a c 机制间的较好折衷， 能够提供较低的时延，分组丢失率和较高的吞吐量，能够较好地适应移动性并具 有较好的可扩展性。此外，它集成了8 0 2 1 l 标准，实现简单，有较好的应用前 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章q o s 保障技术研究现状 景。 2 3 2 a dh o e 网络的q o s 路由 1 q o s 路由的概念和目标 r f c 2 3 8 6 是这样定义q o s 路由的：一种基于网络的可用资源和业务流的q o s 要求来选择路径的路由机制或一种包含各种q o s 参数的动态路由协议。简言之， q o s 路由用来查找满足q o s 要求的路径。q o s 参数按照特性可以划分为3 种： 可加性参数，可乘性参数和最小化参数。实施q o s 路由除了可以用来保障实时 业务的服务性能外，还有以下作用：用于接纳控制，网络控制机制根据所选路由 的q o s 能力来决定是否接受新的连接；将业务量分配到不同的路径上，以获得 较好的负载均衡来缓解网络拥塞；资源预留协议可以沿用资源充足的路由进行， 从而减少开销和提高资源预留的成功率；可以根据不同应用的要求更加高效地分 配带宽，并可以进行资源的重协商。 2 a dh o c 网络中实施q o s 路由面临的困难 除了计算上的复杂性外，q o s 路由与具体的网络环境密切相关。在固定高速 有线网中，q o s 路由的实现相对容易，但这些算法通常不能用于a dh o c 网络。 a dh o c 网络拓扑经常变化，不同节点可能对网络有不同认识：在时间上，有些 节点的信息可能过时；空间上，节点通常只了解周围部分网络的状态。q o s 路由 需要获悉大量的链路状态信息来计算可行路径并且维护己得到的路由的资源，但 是a dh o c 网络中带宽是受限的并由多个节点共享，没有中心节点负责分配有限 的资源，从而使得q o s 路由的发现和维护非常困难。具体而言，在a dh o c 网络 中实施q o s 路由主要存在以下困难： 1 ) 动态多变的网络拓扑使得信息的收集和维护非常困难。由于节点需要维护 和更新大量链路状态信息，路由开销将会消耗过多的带宽和能量。有时即使建立 了一条可行的路径也不能确保q o s ，因为节点移动，电源耗尽或干扰引起的路径 失效会使己预留的资源得不到保证。 2 ) q o s 路由具有不准确的特性，这主要由以下4 种情况造成：网络的动态变 化，包括拓扑结构和各种网络参数；路由信息汇集引入的不准确性；处于安全考 虑或其它原因存在隐藏的路由信息；所有测量得到的网络参数值都是近似值。与 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章q o s 保障技术研究现状 非q o s 路由相比，q o s 路由对全局状态的准确度有更高的要求，因为不准确的 全局状态会使q o s 路由失效，而对非实时q o s 路由而言，这只会降低它的效率。 因此，即使不考虑开销，在a dh o c 网络中维护准确的链路状态信息也是困难。 3 1 难以确定信息的更新频率。不同性能指标的改变速率一般不同，并且路由 的跳数越多对路由更新闻隔越敏感。如果更新周期过短，开销过大；反之，可能 会产生过时的状态信息而使路由失效。 4 ) 计算，存储和通信的开销较高，可扩展性较差。为了满足多种应用的要求， 节点需要交换大量状态信息，从而大大增加了控制消息的数量，计算时间和存储 消耗，特别是当网络规模较大时。 如果a dh o c 网络的拓扑变化较慢，使得在一定时间间隔内网络拓扑变化的 状态信息能够得到及时更新，则称a dh o c 网络是稳定的。现有的大多数q o s 路 由算法都是以a dh o c 网络是稳定的这一假设为前提。 3 a dh o e 网络中实施q o s 路由的策略 a d h o e 网络中，实施q o s 路由的策略涉及以下4 个方面： 1 ) q o s 尺度的选择：合理地选择q o s 尺度非常重要，它反映了应用所关心 的网络特性并定义了提供q o s 保障的类型。衡量q o s 的指标很多，包括时延， 带宽，分组丢失率和网络吞吐量等。通常选用链路的可用带宽或分组丢失率作为 q o s 参数，因为这两个参数最能反映无线信道的质量和链路状态的变化，并且获 取这两个指标的代价相对较低。例如利用带宽指标，节点可以通过交换信息来了 解邻居节点的可用带宽，从而做出转发决定。网络吞吐量的计算较为复杂，不宜 作为q o s 参数；如果选择时延作为参数，则指标本身的获取就存在时延，不能 及时地反映网络拓扑的变化。 2 ) q o s 路由的计算：节点根据收集的网络状态信息来寻找q o s 路由时，应 尽量减少路由计算的复杂性。通常寻求满足单一约束条件的q o s 路由，但有些 场合下可能需要求解多维约束的q o s 路由。此时，可以采用按需过滤法，即将 多个q o s 尺度按照某种顺序排列，首先基于第一个尺度寻找可行路径，然后再 基于第二个尺度在得到的可行路径集合中进行筛选，直到满足所有的q o s 尺度。 基于约束的q o s 路由选择问题可以看作一种组合优化问题，可以通过建立单目 标多目标整数规划模型来求解q o s 路由。另外，可以基于节点的移动程度将链 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章q o s 保障技术研究现状 路划分为准静态链路和临时链路。为了减少链路失效的概率，优先选择准静态链 路来提高所选路由的稳定性。 3 、q o s 路由的维护：路由更新的频率和消息的大小应能自适应地调整，以 便在路由开销和准确性上做出合理折衷。一种可行的方法是，判定状态信息的改 变是否超过预定门限值，只有当此条件为真时才需交换信息。并且要尽量维持现 有路由，从而减少计算开销和性能抖动。如果为每条流都维护路由信息，则路由 表尺寸过大。因此可以采用信息聚集的方法将网络划分为簇，只需考虑与这些簇 相关的状态信息。但是这些信息只能部分真实地反映全局信息，降低了路由信息 的准确性。另外一种方案是采用按需q o s 路由算法，但是路由获得的时延偏大。 由于a d h o c 网络的动态特性，只能提供软q o s 保障，即q o s 在连接未断时可以 得到保证，但在链路失效时需要依靠重路由，备份冗余路由，路由修复以及自 适应等机制来减少q o s 路由失效造成的影响，从而实现服务质量的平滑过渡。 4 ) 对现有的a dh o c 路由算法进行改造，便其能够支持特定的q o s 要求。每 个节点可以在路由表项中增加相应的q o s 信息( i ：k 女n 带宽和时延) ，计算最短路 径的同时计算各种q o s 信息，每个节点根据q o s 信息来决定是否接纳新的连接 请求。现存的许多算法都是按需路由算法，利用这一特点并选用最小可用带宽作 为衡量指标，可以大大简化q o s 路由的复杂性。 4 。现有的a dh o c 路由算法 按照如何维护状态信息以及如何执行可行路径的搜索，q o s 路由算法可以分 为：集中式，分布式，洪泛搜索和分级路由算法。 集中式路由中，节点需要维护全局的网络状态信息，源端根据这些状态信息 来集中计算路由并通知该路径上的其它节点如何转发分组；分布式路由中，各个 节点交换控制信息来查找一条满足q o s 要求的路径，节点只需知道到目的节点 的下一跳节点：洪泛搜索路由中，源节点通过发送探测分组来获得可行路径：分 级路由算法中，节点被划分成一些逻辑组，每个组的路由信息汇聚在边界节点， 每个节点需要知道本组中其它节点的信息以及其它组的汇聚信息，类似于基于簇 的路由算法。 集中式路由算法简单，不会形成环路，但是开销较大，可靠性和可扩展性差， 不适合于a dh o c 网络。洪泛搜索路由的健壮性较好，但是开销也较大。分布式 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章q o s 保障技术研究现状 路由中，各节点只需维护本地状态，开销相对较少，但是计算得到的路由通常不 是最优的，并且可能会存在环路。分级路由的可扩展性好，适用于大型网络，但 是路由信息不够准确，从而影响路由算法的性能。对于规模较小的a dh o c 网络， 通常应采用分布式路由，也可以采用基于洪泛搜索的q o s 路由：而对于规模较 大的网络可以考虑采用基于簇的分级q o s 路由。分簇路由中可以较容易地对流 量或资源占用情况进行监视，并且许多基于簇的分级路由协议是以链路状态来决 定路由的，从而方便了q o s 路由的实现，因为链路状态稍加修改就可以反映带 宽等q o s 参数的变化。此外，可以考虑在簇内和簇间采用不同的q o s 路由算法， 即使用一种组合q o s 路由算法。簇内q o s 路由通常应满足：如果存在符合q o s 要求的可选路径，路由机制应该可以找到该路径，否则应给以明确指示；优化资 源使用效率；尽可能维持尽力面为业务流的最低性能要求。而簇间路由主要关心 可靠性和可扩展性，因此应尽可能简单，信息交换的频率不应过快。 a dh o c 网络中的q o s 路由己得到了广泛的关注和研究，并取得了一系列的 研究成果。 1 ) 核心提取分布式q 0 8 路由协议c e d a r 降l c e d a r ( c o r e e x t r a c t i o nd i s t r i b u t e da dh o cr o u t i n g ) 是一种通过满足业务的 带宽要求来保证q o s 的分布式自组织网络路由协议。它的基本思想是选取网络中 若干节点构成核心，在这些节点间进行链路状态信息交换，并由这些核心节点按 需实现q o s 路由的计算。它是为中小规模的a dh o c 网络设计的，节点数量最多为 几百个。c e d a r 包含3 个主要部分：网络核心提取，链路状态传播以及q o s 路 由计算。 核心提取：a dh o c 网络中的节点根据本地状态和本地计算，分布式的选举出 网络的核心节点。每个核心节点负责维护所处的局部子网的拓扑结构，并为