ＭＡＮＥＴ中基于動態(tài)資源管理的ＱｏＳ路由模型研究

摘要：由于時變鏈路和節(jié)點移動的無規(guī)則性導致了常規(guī)路由協(xié)議在MANET環(huán)境下無法正常工作，在MANET中確立QoS路由和保障QoS路由傳輸是促使該網絡走向實用的關鍵。針對這一情況，在通用QoS框架和INSIGNIA結構基礎上，提出了一種基于動態(tài)資源管理的QoS路由模型，該模型通過QoS路由建立模塊和動態(tài)資源調整機制來實現(xiàn)MANET中路由的QoS保障。模擬結果顯示該模型可以有效地支持MANET中滿足QoS需求的多媒體信息傳輸。

關鍵詞：MANET； 動態(tài)資源管理； QoS路由； 模型

中圖法分類號：TP393文獻標識碼：A

文章編號：1001－3695(2007)01－0058－03

1引言

MANET（Mobile Ad hoc Networks）是一種不依賴任何固定設施的移動無線多跳網絡，網絡中每個節(jié)點地位對等，并可以隨意移動，因此MANET拓撲是動態(tài)可變的。它具有分布性、自治性、健壯性、易構性和移動性等特點，能用于協(xié)同移動數(shù)據(jù)交換、戰(zhàn)場通信系統(tǒng)和未來可穿戴技術等特殊場合[1]。但時變鏈路和節(jié)點移動的無規(guī)則性導致了常規(guī)路由協(xié)議在MANET環(huán)境下無法正常工作，因此對該環(huán)境下路由協(xié)議的研究成了MANET領域中首要解決的問題[2]。隨著MANET民用步伐的加快及Internet實時多媒體業(yè)務的逐步開展，多種應用需要提供QoS(Quality of Service)保障。MANET中QoS保障問題是一個開放問題，只有通過建立完整的QoS結構框架，并使各個組件相互協(xié)作才能得以解決[3]。

為在MANET中有效地實現(xiàn)QoS，國內外研究者們提出了各種QoS保障機制。以前的研究主要集中在自適應機制與資源（帶寬、緩存、CPU）管理等方面，并提出了相關的體系結構[4]，如IETF MANET工作組提出的通用QoS框架[5]和S. B. Lee等人提出的INSIGNIA結構等[6]，但對促使MANET走向應用所需考慮的路由中QoS問題卻沒有涉及。盡管后來M Mirhakkak等人對QoS保障體制進行了改進，但改進的重點仍主要在上述兩個方面，而對QoS路由只是簡單地引入[7]。對如何在MANET環(huán)境下建立QoS路由，并保障QoS路由的實現(xiàn)所涉及的模型沒有文獻介紹，為此，本文在通用QoS框架和INSIGNIA結構的基礎上，提出一種基于動態(tài)資源管理的QoS路由模型。該模型通過QoS條件和相關路由發(fā)現(xiàn)機制來確立QoS路由，并通過各層之間資源的動態(tài)調整來保障其實施。

2QoS相關體系結構及QoS保障原則

2．1通用QoS框架

盡管國際上已對MANET中QoS的體系結構進行了大量研究，但沒有形成統(tǒng)一的QoS結構模型。由于MANET網絡資源受限，時變拓撲和有限的鏈路帶寬決定了該環(huán)境下的QoS框架應與固定網及單跳無線網有所區(qū)別，其具體目標應為提供有效的端到端的服務質量控制或保證。據(jù)此，IETF MANET工作組提出了一個整體QoS體系結構，其通用QoS框架如圖1所示[5]。

從圖1中可以看出，為實現(xiàn)QoS保障，該結構通過利用高層與底層QoS協(xié)議的協(xié)作，將高層QoS協(xié)議映射到底層的QoS協(xié)議，提供自上而下的保障機制，從而實現(xiàn)完整的端到端的QoS。

2．2INSIGNIA框架

在其他研究者的研究基礎上，S. B. Lee等人在MANET環(huán)境下提出了一種基于IP的QoS結構INSIGNIA。它利用帶內信令、反饋機制和軟狀態(tài)資源管理，可以較好地適應MANET鏈路狀態(tài)變化，同時為自適應服務提供一定的QoS保障。在該結構中，應用服務分為盡力傳送（BE）、基本QoS保障（BQ）和強化QoS保障（EQ）三個服務層次。當源節(jié)點有信息傳送時，先啟動某種服務，并攜帶相關數(shù)據(jù)尋找一條到達目的節(jié)點的路由。目的節(jié)點收到請求包后，通過其他路徑返還資源預留情況至源節(jié)點，再由源節(jié)點調整服務層次。

這種結構主要存在如下不足：①在數(shù)據(jù)分組中添加標志項增大了網絡開銷，減少了有效鏈路帶寬；②將自適應簡單地分為EQ，BQ和BE三檔會造成網絡資源的劇烈跳動；③不進行QoS尋徑使QoS保障變成一種試探行為。

2．3QoS保障原則

根據(jù)目前對MANET中QoS結構的研究，盡管結構模型不斷得以改進，并分別適應于各種不同的實際情況，但對QoS構造的原則卻是一致的，具體可分為如下五個方面：①在MANET環(huán)境下，應該采用自適應服務機制來保障QoS；②QoS路由是MANET能夠應用的基礎，提供路由的QoS保障是促使MANET走向民用化的關鍵；③基于最小預留模式的盡力傳送的帶外信令方式不具備自適應的QoS保障能力，而帶內信令比帶外信令更適合成為QoS保障的控制協(xié)調機制；④資源分配不能盲目固定，調整時必須以快速、公平和夠用為原則，達到預留一致；⑤采用軟狀態(tài)資源管理原則，盡可能降低網絡資源與控制開銷。

3基于動態(tài)資源管理的QoS路由模型

3．1模型架構

如何建立QoS路由并提供路由運行時的QoS保障是我們必須解決的重大問題。國內外研究者就QoS保障中的自適應機制、動態(tài)資源管理以及各層之間的QoS協(xié)作等問題已作過相關研究[5~7]。為在MANET中實現(xiàn)QoS路由和提供對路由的QoS保障，本文在此基礎上提出了一個基于動態(tài)資源管理的QoS路由模型，其具體架構如圖2所示。

從圖2中可以看出，該模型由物理層、MAC層、網絡層及其他高層組成。網絡層由QoS路由協(xié)議的建立、分組調度、接入控制、移動資源預留和帶內信令等部分構成，即包括QoS路由建立和本層相關QoS保障機制。對QoS路由實現(xiàn)的保障由高層、網絡層和底層QoS保障共同協(xié)作來完成。下面分別就QoS路由的建立和各層的QoS保障進行描述。

3．2QoS路由的建立

QoS路由的建立包括路由請求與維護，分組轉發(fā)，鏈路指標收集、計算、交換，路由表，相關路由實現(xiàn)機制，QoS路由的確定等部分。當源節(jié)點有發(fā)送信息需求時，建立一個含有自身及相關信息（包括帶寬、延時、目的節(jié)點等）的信息包，發(fā)送到鄰節(jié)點。鄰節(jié)點檢測該包后發(fā)現(xiàn)是重復包，則丟棄；若不是重復包，則根據(jù)鏈路指標收集、計算、交換獲取相關信息并分組轉發(fā)，然后根據(jù)QoS條件（帶寬和延時）確定該鏈路是否滿足需求。若不滿足QoS條件則放棄該節(jié)點，數(shù)據(jù)不再上傳；若滿足條件則添加到路由表中，再轉發(fā)至目的節(jié)點。目的節(jié)點根據(jù)相關路由發(fā)現(xiàn)機制，如最小延時、最短且最穩(wěn)路由等機制確定QoS路由，并通知源節(jié)點。路由維護與路由請求相類似，只不過由路由斷裂節(jié)點負責通知源節(jié)點。

3．3動態(tài)資源管理

網絡資源管理主要包括對帶寬、緩存、CPU等資源的管理。在MANET中，資源的動態(tài)變化主要是帶寬的變化，帶寬的合理與高效利用是實現(xiàn)QoS保障的基礎。對資源實行動態(tài)調整的原則是根據(jù)網絡帶寬的變化，適當調整自適應服務的檔次。由于節(jié)點移動和信道容量的變化會造成服務模式之間的相互轉換，如EQ和BQ服務模式經常需要向BE模式轉換，故本模型中設置了移動預留機制，即在QoS路由計算階段預留部分鏈路資源以備轉換需要。對新建業(yè)務流的資源調整可采用MAQF中所提出的動態(tài)資源調整算法[8]，同時，網絡內的資源調整還需考慮上下各層反饋的信息。

3．4網絡層的QoS保障

網絡層的QoS保障機制一方面按基于動態(tài)資源管理的集成控制與調度策略對服務實施QoS控制；另一方面需要向高、底層之間反饋控制與調度信息。具體QoS保障機制包括帶內信令、接入控制和分組調度等，其原理與INSIGNIA中一致。帶內信令通過源節(jié)點預留一個基本帶寬RB，并發(fā)送相同的帶寬AB到中間節(jié)點，中間節(jié)點經計算其下游帶寬SB后，取SB與AB之間的最大值存于SB；目的節(jié)點將此SB發(fā)送到源節(jié)點，由源節(jié)點在RB與SB之間確定最小帶寬后，確定預留帶寬服務是否需要改變。接入控制具體實現(xiàn)對下行鏈路的可用帶寬進行測試，執(zhí)行上面的動態(tài)資源調整算法，并提供資源預留策略供分組調度使用。分組調度則根據(jù)各方信息進行具體調度處理。

3．5高層的QoS保障

高層的QoS保障主要完成應用服務的QoS參數(shù)規(guī)范解釋、映射、預設和協(xié)調控制等功能。它包括控制協(xié)調中間件、QoS解釋器、QoS參數(shù)規(guī)范、應用界面以及各種自適應服務策略。它實際上就是一個自適應控制系統(tǒng)，通過應用界面等提供控制輸入，策略服務器提供控制策略與控制算法，控制與協(xié)調組件則負責控制執(zhí)行并提供反饋信息。

3．6底層的QoS保障

底層的QoS保障主要集中在MAC部分。為了向自適應提供QoS保障，在MAC層利用其資源占用數(shù)可調節(jié)的特點，通過對信道參數(shù)進行測量，建立起與QoS路由、動態(tài)資源管理及高層QoS保障機制協(xié)調的方法，真正實現(xiàn)端到端的資源調整和QoS保障。

4仿真模擬

本仿真的目的是驗證前面所提到的模型的有效性。仿真對象是在MANET環(huán)境下基于單向鏈路的單播路由協(xié)議ARUL[10]以及利用我們所提出的模型修改后得到的QoS路由協(xié)議QARUL。ARUL在路由選擇時采用最短路徑來確定傳輸路徑。

4．1仿真環(huán)境

在仿真過程中采用自由空間模型，自由空間為一個1000m×1000m的矩形區(qū)域，信號的發(fā)送強度為1/d2，節(jié)點位置與方向隨機產生。假定每個節(jié)點有效傳送距離在180m~250m之間隨機產生，到達邊界時反向彈回。仿真過程共產生1 000次請求，每次請求需要傳送的數(shù)據(jù)包數(shù)目在500~1 000之間隨機產生。每個數(shù)據(jù)包為512Bytes，傳送速率為2Mbps，每兩個節(jié)點主機之間的延時為10ms。假設滿足QoS需求時每個數(shù)據(jù)包在傳送路徑上的延時不超過0.1s，帶寬需求不小于1 000Hz，仿真時間為400s。

4．2仿真方法

具體仿真分兩部分進行：①速度在1m/s~30m/s變化，節(jié)點數(shù)為30個；②速度為10m/s，節(jié)點數(shù)在20~50個之間變化。若傳送過程出現(xiàn)中斷，即沒有滿足QoS條件的傳輸路徑存在時，則認為傳送失敗。性能評估參數(shù)為平均成功傳送概率，即任意兩個節(jié)點能夠成功實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄怕剩扔谀軌虺晒魉偷恼埱蟠螖?shù)除以總的請求次數(shù)。

4．3模擬結果 

通過仿真模擬可得到如圖3和圖4所示的結果。圖3表示節(jié)點移動速度固定，節(jié)點數(shù)目變化時兩種協(xié)議的平均傳送成功概率；圖4表示節(jié)點數(shù)目固定，移動速度變化所對應的平均傳送成功概率。從圖中情況來看，隨著節(jié)點數(shù)目的增加，平均傳送成功概率相應增加；而隨著節(jié)點移動速度的加大，平均傳送成功概率相應減小。但不管哪種情況，QARUL的平均傳送成功概率均明顯高于ARUL協(xié)議。這主要是因為QARUL協(xié)議采用了QoS路由，同時保證了傳送中所需的資源，故獲得了較高的傳送成功率。

5結論

本文在通用QoS框架和INSIGNIA結構的基礎上，為建立QoS路由和保障QoS路由的實現(xiàn)，提出了一種基于動態(tài)資源管理的QoS路由模型。該模型通過QoS條件和相關路由發(fā)現(xiàn)機制來確立QoS路由，并通過各層之間資源的動態(tài)管理及共同協(xié)作來實現(xiàn)MANET中路由的QoS保障。模擬結果顯示了該模型的有效性，可以有效支持MANET中滿足QoS需求的多媒體信息傳輸。進一步的研究工作包括解決MANET整體移動時的接入及QoS保障等問題。

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作者簡介：

鄧曙光（1972），男，湖南益陽人，副教授，博士研究生，主要研究方向為移動自組網中路由協(xié)議及算法優(yōu)化；曾朝暉（1974），女，湖南益陽人，助教，主要研究方向為網絡算法優(yōu)化；劉金鑄（1963），男，湖南汨羅人，副教授，博士研究生，主要研究方向為計算機網絡通信與QoS保障。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文