戰術Ad Hoc網絡中的QoS路由協議設計與仿真

王彥剛,呂遵明,萬留進

(總參第六十三研究所,南京 210007)

1 引 言

戰術Ad Hoc網絡是Ad Hoc技術在軍事上的一種應用,能夠保證在任意的作戰環境下快速地搭建起互聯互通的網絡,是戰役戰術級部隊機動作戰的信息基礎設施。隨著現代戰爭對信息化依賴不斷加深,業務種類已經由單一的話音業務拓展到以話音、數據以及部分實時多媒體業務(如預警偵察部隊所得到的敵方兵力調動、武器配置及陣地分布等畫面和視頻)為主,而且一部分數據業務和實時多媒體業務都需要在誤碼率、時延和帶寬等方面有一定的QoS保證,尤其是帶寬的保證。由于Ad Hoc網絡具有帶寬窄、拓撲易變等特點,大都只提供無連接的best-effort服務,很難滿足一些業務的需求,但是戰術Ad Hoc網絡的節點大都按照建制協同行動,節點之間相對密集且具有組移動特性(Group Mobility),拓撲結構在大多數時間內變化很小,因此在戰術Ad Hoc網絡中通過資源預約的方式建立一條專用資源的QoS路徑是有意義的。

目前,國內外對Ad Hoc網絡的QoS路由協議和QoS信令都有大量的研究。其中,QoS路由協議大都是通用型的[1-6],并不針對具體的MAC機制,只是假設MAC協議具有本地可用帶寬估計、時延估計和資源預留等功能,這限定了這些協議的實用性,但將一個通用型的QoS路由協議和一種具有資源預留功能的MAC協議進行簡單的疊加也勢必會帶來冗余。為了克服這個問題,一部分QoS路由協議也考慮了MAC層的資源管理問題,例如:C.R.Lin等人[7,8]提出的基于TDMA的QoS路由協議較以往協議無論是在資源預約還是在資源管理方面都有很大的改進,但是它們都依賴控制小時隙,這些控制小時隙需要占用一定的帶寬,只有將控制時隙長度劃分得盡量小才有實際意義,但在工程實現過程中,時隙同步等問題導致很難將時隙劃分得很小,這也就限制了這類協議的實用性;Yuh-Shyan.Chen等人[9,10]提出了TDMA和CDMA相結合的多址技術即在TDMA之上疊加CDMA,網絡中不同節點使用不同的正交碼,相鄰節點可以在相同的時隙發送數據,不存在隱終端問題,其帶寬的估計和時隙預留算法相對簡單,但其代價是需要在TDMA之上疊加復雜的CDMA機制,總體來說效率不高。除了QoS路由協議之外,一些QoS信令也被提出,例如EDRSVP[11]和INSIGNIA[12]。EDRSVP是一種帶外信令,為了克服Ad Hoc網絡中的暴露終端和隱終端問題,每個節點周期性地向兩跳鄰居廣播自己時隙的使用情況,當QoS路由建立成功后,源節點和目的節點之間通過周期性地發送PATH和RESV消息的方式保持QoS路由的有效性,當節點超時收不到PATH或RESV消息則釋放預留的資源。由于EDRSVP的時隙通告和QoS路由維護消息的開銷較大且這些消息的可靠性直接影響EDRSVP的效率,因此隨著網絡負載增大或QoS路由增多,EDRSVP的效率會大幅度下降。INSIGNIA是一種帶內信令,它利用IP包的IP選項字段攜帶信令消息,源節點發送帶有信令消息的IP包,中間節點收到這種IP包后,在可用資源滿足要求的情況下進行預留資源,當IP包到達目的節點時,這條QoS鏈路就建立起來了,目的節點周期性地發給源節點QoS報告,通知源節點業務流路徑上的可用資源的變化情況,以便源節點對數據發送速率作自適應的調節。基于INSIGNIA擴展的信令還有ASAP[13]和INORA[14],帶內信令將信令消息放在數據的IP報頭中,能避免信令消息與數據報文競爭無線信道。但INSIGNIA只是網絡層的信令并沒有MAC層的資源管理功能,不能直接用于Ad Hoc網絡的端到端資源預約。

綜上所述,目前的QoS路由協議和QoS信令很難直接用于戰術Ad Hoc網絡,原因大都是出現在MAC層的資源管理方面。MAC層的資源管理是實現數據可靠傳輸的前提,因此本文首先提出一種基于TDMA的資源預約及管理方式,然后依托反應式路由協議設計了一種具有QoS保證的路由協議。文章第2節對協議設計做了詳細描述,第3節對協議進行了性能仿真分析并得出結論,最后是全文總結。

2 本文設計的QoS路由協議

由于TDMA信道接入機制具有帶寬劃分靈活、抗干擾性能好等特點,目前,大多數無線戰術互聯網中都采用TDMA的信道接入機制,例如美軍的EPLRS(Enhanced Position Locate Radio System)系統。因此,本文的QoS協議也是基于TDMA的信道接入機制進行設計的。

2.1 資源預約方式

為了靈活和高效地使用有限的時隙資源,將時隙動態地劃分為專有時隙和競爭時隙,即時隙被預約的時候為專有時隙,只能由預約的節點使用;沒有被預約的時候為競爭時隙,被網絡中的所有節點競爭使用。預約時隙原則為:本節點未預約且沒有鄰居預約為發送的時隙可預約為接收時隙;本節點未預約且沒有鄰居預約為接收的時隙可預約為發送時隙;其它情況的時隙為不可預約時隙。

本文借鑒現有研究成果[15]提出一種協商式的資源預約機制,具體如圖1所示。

圖1 時隙預約過程Fig.1 Process of reserving time slots

(1)節點M1將自己可以預約為發送的時隙和將要預約的時隙數量通過REQ信令通告給節點M2,然后等待節點M2的RESV信令,超時收不到RESV信令則重傳REQ信令。當重傳次數過多則認為和節點M2之間無法預約指定數量的時隙。

(2)節點M2收到REQ信令后,按照預約時隙數量的要求從節點M1提供的時隙中選擇出本節點可預約為接收的時隙進行預約,然后通過RESV信令將預約時隙通告給節點M1,等待節點M1發送的QoS報文,如果超時收不到QoS報文,則釋放預約時隙。另外,如果本節點可預約為接收時隙的數量不滿足預約要求則將REQ信令丟棄。

(3)節點M1收到節點M2的RESV信令后,從中提取協商出的時隙進行預約,然后節點M1就可以將具有QoS“標記”的報文在預約時隙發送出去。

根據前面定義的預約時隙原則,網絡節點必須知道周圍鄰居節點的時隙使用情況,這可以通過偵聽的方式實現。如圖1,鄰居M4偵聽到M2發送的RESV信令時,就可以知道節點M2預約了哪些時隙為接收時隙,避開在這些時隙發送報文;鄰居M3偵聽到帶有QoS標記的報文就會知道該時隙被預約為發送時隙,避開在這些時隙接收報文。通過偵聽方式獲得鄰居使用時隙的信息,既節省了開銷又保證了信息的實時性。

由于Ad Hoc網絡具有拓撲動態變化、報文碰撞等特點,節點有時不會及時或者根本無法偵聽到鄰居節點的通告,如圖2所示,節點M1和節點M2同時預約1號時隙為發送時隙,且節點M1和M2都是節點M3的鄰居,則節點M3無法通過偵聽的方式判斷出1號時隙被預約為發送時隙,如果M3將該時隙預約為接收時隙則勢必會發生沖突。因此,協商式的資源預約策略仍然可能存在預約沖突。為了克服上述的缺陷,引入以下機制:當節點M1或M2偵聽到鄰居節點M3的RESV信令,發現節點M3預約的接收時隙和本節點預約的發送時隙沖突,則向節點M3發送REJECT信令,通告節點M3釋放預約的接收時隙,如果節點M3沒有正確收到REJECT命令,它會由于超時收不到正確數據而重新預約時隙。

圖2 預約時隙無法偵聽的示例Fig.2 Example of no-intercepting the reserved time slots

2.2 QoS路徑建立過程

上述的資源預約方式只適用節點之間的資源預約,本文對其進行了擴展,與反應式路由協議的路由發現過程相綁定(將信令REQ和路由請求消息級聯在一起),實現了端到端的資源預約,具體過程如圖3所示。

圖3 QoS路由建立過程Fig.3 Process of setting up QoS route

(1)源節點發送REQ信令到目的節點,REQ信令中攜帶本節點可以預約為發送的時隙和QoS帶寬的需求。當中間節點收到REQ信令后,按照QoS帶寬的需求從中選擇出本節點可以預約為接收的時隙進行軟預約(軟預約的時隙可以收/發送競爭報文,但不能預約給其它QoS路由),然后更新REQ信令,選擇本節點可預約為發送的時隙放到REQ信令中,繼續轉發。軟預約時隙超時收不到相應的RESV信令則釋放。

(2)當目的節點收到REQ信令時,按照QoS帶寬的需求從中選擇出可以預約為接收的時隙進行硬預約(硬預約的時隙是QoS路由專有時隙,只能用于收/發QoS報文),同時將這些時隙放到RESV信令中按原路徑向源節點發送。中間節點收到RESV信令后,取出本節點和下游節點之間協商的時隙進行硬預約,然后更新RESV信令,將開始階段的軟預約時隙放到RESV信令中繼續向上游節點轉發,同時將這些軟預約時隙進行硬預約,至此,中間節點和上、下游節點之間都成功預約了時隙。當源節點收到RESV信令后,將其中的時隙進行硬預約后,QoS路由建立成功。

REQ信令到達目的節點的過程就是無沖突時隙的選擇過程,當某條路徑的節點收到REQ信令后發現資源不足(可預約的時隙不滿足QoS帶寬的需求),就將REQ信令丟棄,如圖3中的節點M4。那么,REQ信令到達目的節點的路徑一定是資源充足的,當有多個REQ信令到達目的節點時,目的節點選擇路徑較短建立Qos路由,如圖3。

2.3 預約資源的維護與釋放

本文采用超時處理的機制進行維護和釋放預約資源,具體方式如下所述。

(1)QoS路由建立成功后,節點將報文打上QoS標記后在預約時隙發送。當鄰居節點偵聽到具有QoS標記的報文,則可以判斷該時隙被預約為發送時隙,將避開在這些時隙接收數據。當QoS路由中的節點超時收不到QoS報文時,則認為QoS路由失效,釋放為QoS路由預約的時隙,同時鄰居節點超時偵聽不到帶有QoS標記的報文,則認為這些時隙為空閑時隙。

(2)QoS路由建成功后,目的節點周期性地向源節點發送RESV信令。由于RESV信令中包含轉發節點為本條QoS路由預約的接收時隙,鄰居節點偵聽到RESV信令,則可以知道周圍哪些時隙被預約為接收,將避開在這些時隙發送數據。當QoS路由中的節點超時收不到RESV信令后,則認為QoS路由失效,釋放為QoS路由預約的時隙,同時鄰居節點超時偵聽不到RESV信令則認為這些時隙為空閑時隙。

2.4 QoS路由的故障處理

由于戰術Ad Hoc網絡中的節點大都按照建制協同行動,網絡拓撲變化并不劇烈,QoS路由的故障往往是由于個別節點的移動造成的,那么在這種環境下進行局部修復損壞的QoS路徑、充分利用沒有失效部分的QoS路徑是有意義的,既能提高QoS恢復速度又能減少信令的開銷。本文QoS路由的修復機制具體過程如圖4所示。

圖4 鏈路局部修復過程Fig.4 Process of locally repairing the link failure

QoS路由節點M2和M3中斷,節點M2和節點M1超時T1收不到節點M3轉發的RESV信令釋放了為QoS路由預約的時隙,源節點M1停止發送QoS報文并且進行重新建立QoS路由,當節點M3收到REQ信令后,發現本節點已經為該QoS路由預約了時隙,說明這個QoS路由在上游發生故障了,正在修復中。節點M3釋放和原來上游節點M2之間預約的時隙,根據REQ信令重新和上游節點預約時隙,然后返回RESV信令,不再繼續轉發REQ信令。節點M3超時T2收不到QoS報文則釋放為QoS路由預約的時隙,在這里T2必須大于T1,防止節點M3在信令REQ到達前釋放為QoS路由預約的時隙,也即要給QoS路由修復留出一定的時間。

3 仿真及性能分析

為了研究上述QoS路由協議性能,本文采用GlomoSim仿真軟件對該協議和EDRSVP進行了仿真和對比,之所以選擇與EDRSVP對比是因為它們都基于普通的TMDA信道接入機制,而且都包含MAC層的資源管理機制。

3.1 網絡模型設置

節點數量為32個,隨機分布在40km×40km范圍之內;節點傳播覆蓋半徑是15km;節點隨機移動速度為40km/h;網絡層為DSR路由協議;MAC層協議為TDMA,時隙大小為32ms,一個時幀包含32個時隙;物理層的信道帶寬設為256 kbit/s;載頻設為340MHz;信道誤碼率為10-3;信道采用自由空間衰減模型;仿真時間為60 min;QoS報文采用間隔為1.5 s的CBR數據流;由于在戰術網中的QoS業務并不多,更多的是態勢感知業務,因此假設網絡中有5條持續時間為15 min的QoS業務,QoS路由的源、目的節點和開始時間隨機選取;態勢感知業務具有周期期性特點,采用間隔為5 s的CBR數據流,源節點和目的節點隨機選取,開始時間為仿真開始時間,結束數時間為仿真結束時間,態勢感知報文在競爭時隙隨機轉發。

3.2 性能分析

本文在不同的網絡負載下對協議的QoS路由建立時間、開銷和報文轉發率進行了統計。網絡負載指仿真期間內向網絡中灌入的報文數量即QoS報文和態勢感知報文的數量總和。在仿真過程中,QoS報文數量不變,通過改變態勢感知報文數量的方法達到改變網絡負載的效果。

圖5為QoS路由建立時間的仿真曲線圖。QoS路由建立時間指從源節點發送預約請求到收到目的節點應答信令之間的這段時間。由圖5可以看到,隨著網絡負載的增大,QoS路由的建立時間增長,這是因為網絡負載增大導致信令碰撞概率增大,信令超時重傳造成的。從圖5可以看出,本文設計的協議在QoS路由建立時間方面明顯優于EDRSVP。這是因為本文設計的協議和DSR路由協議進行了綁定,在尋找路由的過程中完成了資源預約,而 EDRSVP的資源預約方式決定了它不能和其它路由協議綁定,必須首先尋找路由,然后再沿著路由進行預約資源。

圖5 QoS路由建立時間Fig.5 The time of setting up QoS route

圖6為建立QoS路由開銷的仿真曲線圖。QoS路由開銷指與建立QoS路由有關的報文,例如信令消息、時隙通告消息等。由圖6可以看到,本文設計的協議開銷遠低于EDRSVP,原因有3點:一是本文設計的協議采用協商式的資源預約方式,每個節點只需知道自己一跳鄰居的時隙占用情況,且通過偵聽的方式完成時隙通告,而EDRSVP采用的資源預約方式要求每個節點知道其一跳和兩跳鄰居的時隙占用情況,節點必須周期性地向兩跳鄰居廣播自己時隙的占用情況;二是本文的QoS路由信令能夠和DSR路由協議邦定,而EDRSVP完全獨立于路由協議;三是QoS路由建立成功后,為了保持QoS路由的有效性,本文設計的協議只需目的節點周期性地沿QoS路徑向源節點發送維護信令,而EDRSVP則需要源節點和目的節點之間相互發送維護信令。另外,從圖6可以看出,隨著網絡負載增大,EDRSVP的開銷迅速減小,這是因為隨著網絡負載增大,每個節點周期性地向兩跳范圍內鄰居節點廣播的時隙通告報文的碰撞概率會增大,那么就會有一部分一跳鄰居節點收不到時隙通告報文,就不會繼續向兩跳鄰居節點廣播,因此統計的開銷就會減小,這會導致節點獲取時隙信息的準確程度迅速下降,產生“隱終端”問題。而本文的QoS路由協議采用偵聽方式獲得鄰居節點使用時隙情況,因此,隨著網絡負載的增大,統計的開銷基本不變。

圖6 建立QoS路由的開銷Fig.6 The overload of setting up QoS route

圖7為建立QoS報文轉發成功率的仿真曲線圖。從圖7可以看到,QoS報文轉發率隨著網絡負載的增大而下降,這是因為:隨著網絡負載增大,時隙通告消息的碰撞概率會增大,節點預約的時隙不能夠及時可靠地通告給鄰居節點,鄰居節點依然使用這些時隙,造成“隱終端”現象。在使用本協議的網絡中,節點通過偵聽的方式獲取鄰居節點使用時隙的情況,因此節點獲取時隙信息的準確程度不會隨著網絡負載的增大迅速下降,相比之下,EDRSVP采用廣播的方式進行時隙通告,隨著網絡負載的增大時隙通告報文碰撞概率就會增大,其節點獲取時隙信息的準確程度會迅速下降。因此,本文協議預約的時隙比EDRSVP更加準確,報文轉發成功率也就更高一些。

圖7 QoS報文轉發成功率Fig.7 The rate of successfully transmitting QoS packet

4 總 結

本文以戰術Ad Hoc網絡應用為背景,設計了一種分布式的QoS協議,該協議不僅具有建立QoS路由的功能,而且具有MAC層資源預約及管理機制,實現了MAC層和網絡層的較好結合,實用性較強,從仿真結果也可看出該協議比現有典型協議開銷小、可靠性高,因此該協議能夠有效提高戰術Ad Hoc網絡的QoS保障能力。但從仿真結果也可看出,隨著網絡負載增大,數據轉發成功率會迅速下降,這主要是由于預約的時隙向鄰居節點通告不及時造成的,下一步的工作可以針對預約資源的通告方式進行深入研究,進一步完善該協議。

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