一種改進的移動自組織網多路徑路由協議
2016-12-16 11:10:04李旭仇頌清彭進霖王聰
兵工學報 2016年11期
李旭， 仇頌清， 彭進霖， 王聰
(1.北京交通大學 電子信息工程學院, 北京 100044; 2.北京跟蹤與通信技術研究所, 北京 100092)
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一種改進的移動自組織網多路徑路由協議
李旭1， 仇頌清1， 彭進霖2， 王聰1
(1.北京交通大學 電子信息工程學院, 北京 100044; 2.北京跟蹤與通信技術研究所, 北京 100092)
在移動自組網中，相比于單路徑路由協議，多路徑路由協議通過建立和維護多條備用路徑，可以有效地減小通信中斷的概率，降低端到端的時延。然而，目前對備用路徑數目的分析方法不適合于復雜多變的無線自組網絡傳輸環境，而且現有多路徑路由協議難以滿足混合業務中不同業務對傳輸質量的不同要求。為解決上述問題，對單路徑與多路徑路由協議進行建模研究，分析維護備用路徑數目參量對多路徑路由協議性能的影響；基于此建模分析的結論，提出一種面向業務的多路徑路由協議，根據不同業務的服務質量(QoS)需求，綜合考慮跳數、平均連接度、最小帶寬等參數，選擇針對本業務QoS需求的最優路徑。仿真結果表明，調整權值系數，數據類業務的投遞率最多可提高25%，語音類業務的平均時延可減少10%～20%，證明該協議針對不同業務能選擇性地帶來時延、可靠性、可用帶寬等性能的提升。
計算機系統結構； 移動自組網； 多路徑路由協議； 多路徑路由協議； 服務質量
0 引言
在移動自組網中，由于節點移動速度較快、網絡拓撲變化劇烈、傳輸環境干擾較大等原因，通信鏈路中斷的概率較大。如果使用單路徑路由協議在鏈路每次發生中斷時重新尋路，則會由于多次尋路而帶來較大時延，嚴重影響通信質量。使用多路徑路由協議能有效地解決這個問題，減小復雜的無線環境對數據傳輸造成的影響。多路徑路由協議在尋路過程中建立多條路徑，在信息傳輸過程中可以選擇其中的一條或者多條路徑傳輸數據，是基于單路徑路由協議的擴展。當一條路徑發生中斷時，數據可以通過其他的備用路徑進行傳輸，從而有效減小信息傳輸中斷的概率，同時避免由于單一路徑中斷造成的多次尋路過程，有效降低端到端時延。
現有的多路徑路由協議包括按需多徑距離矢量路由(AOMDV)[1]、多徑源路由(MSR)[2]、按需距離矢量備份路由(AODV-BR)[3]、分裂多徑路由(SMR)[4]、緩存多徑路由(CHAMP)[5]等。其中，AOMDV協議是一種較為完善的多路徑路由協議，其主要思想是在路由發現過程中建立和維護多條路徑，并選擇其中一條作為通信的主路徑，其余的則作為備用路徑，在傳輸數據時，如果主路徑發生故障，可啟用備用路徑進行通信。
AOMDV等多路徑路由協議可以有效地降低端到端時延，提高通信服務質量。但目前對多路徑路由協議的研究存在許多不足。備用路徑數目、環境節點密度、發包速率、包長度等參量對協議的性能有著重要的影響，特別是維護備用路徑的數目，極大程度上制約著多路徑路由協議的性能改進情況，影響了多路徑路由協議的適用場景。然而，目前缺乏對于備用路徑數目參量的有效判斷機制，美國Pham等[6]此前通過簡化條件，從分析兩次尋路時間間隔的角度出發探討多路徑的最優路徑數目。然而該方法主要基于傳輸環境比較穩定、干擾較小的情況進行分析，未能體現出多路徑路由協議的優勢，也不適合傳輸環境多變的移動自組網絡。
目前AOMDV等多路徑路由協議將路徑跳數作為尋路和選路的主要判斷依據，難以滿足移動自組網中混合業務傳輸的服務質量(QoS)需求。然而，隨著傳輸業務的多樣化，如何滿足業務的傳輸需求成為路由協議改進的一個重要方向。業務的QoS需求指標大體可分為時延、可靠性、帶寬、能量等方面。對于單路徑路由，目前已經提出多種針對業務QoS需求的路由協議。文獻[7]提出基于時延約束的QoS路由，應用于語音、視頻等對時延敏感的業務，主要方法是用定時器記錄探測包的累積時延，然后選取滿足時延要求的路由。文獻[8]提出基于帶寬約束的QoS路由，應用于對帶寬要求較嚴的業務，協議在建立路由時充分考慮節點的帶寬信息，選擇有效帶寬較大的節點建立路由，以滿足業務的帶寬需求。然而上述面向業務需求的QoS路由是基于單路徑路由協議提出的，并未涉及多路徑路由。文獻[9]在傳統AODV協議的基礎上根據負載情況和跳數擴展多路徑，文獻[10]則綜合考慮網絡負載和干擾因素對AOMDV協議進行改進，都達到了降低平均開銷和平均丟包率的目的，但依舊無法針對業務的特性作適合具體業務的路由選擇。
針對上述問題，本文首先對單路徑路由協議AODV與多路徑路由協議AOMDV的性能進行建模，分析維護備用路徑的數目對協議性能的影響；然后利用該建模分析的結論，基于AOMDV協議提出一種面向業務的多路徑路由協議(A-AOMDV)，綜合考慮時延、帶寬、連接度等多個參數的影響，建立和選擇適合于不同業務QoS需求的最優路徑，以滿足不同業務的需求。
1 單路徑與多路徑路由協議的建模分析
根據相交性，多路徑路由可分為3種方式：節點分離、鏈路分離和相交。節點分離多路徑，是指各條路徑除源節點和目的節點之外沒有其他共用節點。鏈路分離多路徑是指各條路徑沒有共用的鏈路，但可能共用節點。相交多路徑是指各條路徑間既可能共用節點，又可能共用鏈路。本文討論的AOMDV和A-AOMDV均為節點分離多路徑協議。
本節分別建立單路徑路由協議AODV和多路徑路由協議AOMDV的端到端傳輸時延模型，分析維護備用路徑數目對多路徑路由協議性能的影響。
在建模過程中進行如下假設：
1)一條端到端的k跳路徑由k段點到點的鏈路構成，每段鏈路的中斷概率滿足獨立同分布，設中斷概率為p，則每段鏈路有效的概率為q=1-p. 只有路徑的所有鏈路都有效才能確保路徑有效，那么該路徑有效的概率為qk；
2)設每段鏈路的傳輸時延為T1，則該路徑的端到端傳輸時延Tk滿足Tk=kT1；
3)設多路徑路由協議首選路徑跳數為m，備用路徑按路由表順序排列，跳數分別為k2,k3,…,km，所有路徑失效后重新尋路得到的路徑跳數為h. 由于傳輸時延與路徑跳數呈正比關系，應優先維護跳數較少的路由，滿足k1≤k2≤k3≤…≤km≤h.
4)新路徑的端到端傳輸時延Th滿足Th=hT1. 尋路過程通過源節點向目的節點發送路由請求(RREQ)分組并獲取路徑上節點回復的路由應答(RREP)分組來實現路由更新，路徑的最遠節點即為目的節點，所以尋路時間為RREQ分組從源節點到達目的節點和RREP分組從目的節點到達源節點的時間總和。令s為尋路過程中RREQ和RREP分組傳遞的總跳數，則s=2h，尋找新路徑用時Ts=2Th.
下面分別考慮單路徑路由協議和多路徑路由協議的端到端傳輸時延：
對于單路徑路由協議，端到端的傳輸時延包含兩部分：一部分是首選k1跳路徑有效時的傳輸時延；另一部分是該條路徑失效時，尋路找到h跳新路徑并用該路徑傳輸數據的時延(Ts+Th)。則單路徑路由協議端到端傳輸時延平均值Tu表達式為
Tu=qk1Tk1+(1-qk1)(Ts+Th),
將Tk1=k1T1，Th=hT1和Ts=2Th代入，得
Tu=qk1k1T1+3(1-qk1)hT1.
(1)
對多路徑路由協議，端到端傳輸時延Tm由3部分構成，第1部分TA是之前維護的首選k1跳路徑有效時的傳輸時延，其路徑有效的概率為qk1，則
TA=qk1Tk1=qk1k1T1.
(2)
第2部分TBm是當該首選路徑失效時，利用其他多條備用路徑傳輸的時延，則
TBm=(1-qk1)qk2Tk2+(1-qk1)(1-qk2)qk3Tk3+…+
(1-qk1)(1-qk2)…(1-qkm-1)qkmTkm=
(3)
第3部分TCm是所有維護路徑都失效時尋路找到h跳新路徑并用該路徑傳輸數據的時延，大小為(Ts+Th)，概率為(1-qk1)(1-qk2)…(1-qkm). 則
TCm=(1-qk1)(1-qk2)…(1-qkm)(Ts+Th)+
(4)
綜上，多路徑路由協議端到端時延為Tm=TA+TBm+TCm，將TA、TBm、TCm代入得
(5)
單路徑和多路徑路由協議的端到端時延差值為
σm=Tu-Tm.
(6)
下面根據增加維護路徑對傳輸時延改善的程度來討論m的合適取值，將維護路徑數量從m-1增加到m，改善的時延差Δm=σm-σm-1，將(1)式、(5)式、(6)式代入，得
Δm=Tm-1-Tm=
(7)
現用Δm與單路徑路由協議端到端時延Tu的比值ηm來表征改善程度，即
ηm=Δm/Tu=
(8)
按照假設3隨機構建1 000組不同的正整數序列(k1,k2,k3,…,km,h),并選取不同的中斷概率p對η進行仿真，并對1 000組結果取平均值，得到η與m和p的關系如圖1所示。
圖1 中斷概率和維護路徑數目對傳輸時延改善的影響Fig.1 Effects of outage probability and the number of maintenance paths on the improvement of transmission delay
從圖1中可看出，對于合理的中斷概率條件0
2 面向業務的多路徑路由協議
2.1 業務的QoS需求
業務的QoS需求指標包括時延、可靠性(丟包率)、帶寬等多個方面。3GPP[11]在TS22.105規范中從業務的QoS角度出發，將移動網絡業務分為4大類，即會話類、流媒體類、交互類和后臺類。每一類業務又包括音頻、視頻、數據等若干子類。不同類型的業務具有不同的QoS需求，如話音、可視電話等會話類業務對時延敏感，要求時延控制在250 ms內，而對可靠性要求較低；數據類業務則對可靠性要求嚴格，需要較低的丟包率，而對時延則沒有嚴格的要求。表1列出了一些主要應用的業務特征及QoS需求。
表1 主要應用的業務特征及QoS需求
2.2 協議設計目標和思路
本文提出的A-AOMDV協議主要針對不同業務的QoS需求，綜合考慮多個指標，建立和選擇針對本業務最優的路徑來傳輸業務流，從而克服傳統路由算法只根據某一項指標選路，不適合用于傳輸混合業務這一局限性，真正實現面向業務需求的目標。
本協議的主要設計思路為，在建路過程中建立源節點到目的節點的多條不相交路徑，每條路徑都有衡量自身服務質量的多個QoS參數。不同業務根據各自的QoS需求，選擇適合本業務的最優路徑進行傳輸。當所有備用路徑都失效時，則重新尋路。
2.3 參數定義
在A-AOMDV協議中，將業務的QoS需求歸結為3方面：時延、可靠性和可用帶寬?，F為每條路徑添加跳數D、平均連接度R、最小帶寬B3個服務質量參數，以分別衡量時延、可靠性和可用帶寬，并定義路徑整體服務質量L來表征具體某種業務的QoS需求。根據前面建模分析的結論，對每種QoS需求，將端到端之間的所有路徑按照L的大小進行排序，只維護排序靠前的3條路徑。修改后的路由表單元結構如圖2所示。
圖2 修改的路由表單元結構Fig.2 Unit structure of modified routing table
2.3.1 跳數D→時延
在多跳無線網絡中，路徑時延很大程度上取決于源節點到目的節點的跳數。跳數越大，時延越大。所以，我們將源節點到目的節點的跳數D作為衡量路徑時延的參數。
2.3.2 平均連接度R→可靠性
路徑上節點的連接度是路徑可靠性的最好度量。一般來說，節點的鄰居數越大，則連接度越高，路徑中斷概率越小，路徑也就越可靠，丟包率也越低。節點通過接收鄰居周期性廣播的Hello消息可以得知自身鄰居連接情況，也就是該節點的連接度。我們用路徑上所有節點的平均連接度R作為衡量路徑可靠性的參數：
(9)
式中：N為該路徑上的節點數；Ci為路徑上第i個節點的連接度，即節點i的鄰居個數。
2.3.3 最小帶寬B→可用帶寬
在多跳無線網絡中，路徑可用帶寬的大小取決于該路徑上所有節點的最小帶寬。節點的等待隊列中等待發送的數據包個數越多，可用的排隊空間越小，該節點可用帶寬越小。將路徑上所有節點的最小帶寬B作為衡量路徑可用帶寬的參數：
B=min{Qmax-Qi},
(10)
式中：Qmax為路徑上節點可發送數據包隊列的最大長度，現假設其為固定值；Qi為路徑中節點i等待發送的數據包隊列長度。
2.3.4 路徑整體服務質量L
L=|αD+βB+γR|ρ,
(11)
式中：ρ為修正因子；α、β、γ分別為跳數D、最小帶寬B和平均連接度R的權值，滿足α+β+γ=1，由用戶指定并添加到包頭結構中，可以根據不同的業務進行調整。比如：數據業務對可靠性要求較高，應將R所對應的權值γ提高；語音業務對時延和帶寬要求較大，則可將D、B所對應的權值α、β作適當提高。
需要注意的是，為平衡3個服務質量參數所占的比重，應根據具體的應用場景使用修正因子ρ來調整3個服務質量參數的權值。
2.4 路由協議的實現過程
2.4.1 數據轉發過程
當源節點從應用層接收數據包時，首先根據目的地址查找路由表有無到其目的節點的有效路由，如果有則根據數據包包頭中用戶指定的權值α、β、γ計算每條路徑的整體服務質量L，選擇適合于本業務的最優路徑；如果沒有則觸發尋路過程。
2.4.2 尋路過程
1)源節點廣播RREQ包，包結構中添加跳數、經過的所有節點的鄰居節點數總和(用以計算平均連接度)、所有節點中最小的可用等待隊列長度3種尋路信息。修改后的RREQ包結構如圖3所示，其中，灰色處為協議添加的信息，路徑所有節點的鄰居數總和簡稱為鄰居節點數，所有節點中最小的可用等待隊列長度表示為最小帶寬。
圖3 修改的RREQ分組Fig.3 Modified RREQ packet
2)中間節點接收到該RREQ包時：
①首先建立或更新到源節點的反向路由：
a.如果沒有到源節點的反向路徑則建立新的反向路徑；
b.如果有到源節點的反向路徑，且接收的RREQ包中攜帶的3種尋路信息中有一項或多項優于已存在的反向路徑的3個服務質量參數(跳數、可用等待隊列長度、路徑節點鄰居數總和)，則接收作為備用路徑；
②更新該RREQ包中的信息，繼續廣播。
3)當目的節點或到目的節點有效路由的中間節點接收到該RREQ包時，回復RREP包，包結構中同樣添加3種尋路信息。修改后的RREP包結構如圖4所示，其中，灰色處為協議添加的信息，路徑所有節點的鄰居數總和簡稱為鄰居節點數，所有節點中最小的可用等待隊列長度表示為最小帶寬。
4)中間節點接收到該RREP分組：
圖4 修改的RREP分組Fig.4 Modified RREP packet
①建立或更新到目的節點的反向路由；
②更新該RREP中的信息；
③查尋路由表，尋找到源節點的最優路徑，繼續轉發該RREP包
5)源節點接收多個RREP包，建立到目的節點的多條路徑。
3 仿真與分析
3.1 仿真環境與場景參數
利用NS2仿真軟件對改進后的協議A-AOMDV進行仿真，并與原始的AOMDV協議進行比較分析。底層協議為IEEE 802.11協議，實驗平臺是Fedora 8.0. 由于網絡中節點的移動性會造成網絡拓撲的動態變化，而網絡拓撲的動態變化會對路由協議的性能造成嚴重的影響。主要通過改變節點的最大移動速率，對比分析改進后的協議性能。
具體的仿真場景參數設置如表2所示。
表2 仿真場景參數
由于對協議的改進主要是為了滿足不同業務的QoS需求，所以分別選擇最具有代表性的數據類業務和語音類業務進行仿真分析。
在仿真結果分析中，選擇平均時延、投遞率和控制開銷3個指標來評估協議的性能。
3.2 仿真分析
3.2.1 數據類業務仿真結果分析
數據類業務對可靠性要求較高，主要關注投遞率的提升，所以應當相應的增大平均連接度R所對應的權值。本部分對數據類業務的投遞率、平均時延和控制開銷進行了仿真，結果如圖5～圖7所示。
圖5 數據類業務在不同移動速度下的投遞率Fig.5 Delivery rate of data service at different speed
圖6 數據類業務在不同移動速度下的平均時延Fig.6 Average delay of data service at different speed
圖7 數據類業務在不同移動速度下的控制開銷Fig.7 Control overhead of data service at different speed
由圖5可以看到，傳輸數據類業務時，A-AOMDV協議可以有效提高分組投遞率。因為在為業務選擇傳輸路徑時，AOMDV協議只考慮端到端跳數，A-AOMDV協議則更側重于路徑可靠性。通過增大平均連接度R所對應的權值，從多條路徑中選擇可靠性最高的路徑傳輸業務，可以提高分組的投遞率。在一定的范圍內，當節點的移動速率越高，A-AOMDV協議在分組投遞率方面優化越明顯。
從圖6和圖7中可以看到A-AOMDV和AOMDV協議的平均時延和控制開銷占比曲線存在交叉，但從整體趨勢而言兩者較為接近，說明協議改進沒有對時延和控制開銷產生太大影響。
3.2.2 語音類業務仿真結果分析
語音類業務主要關注時延的減少和可用帶寬的增加，應當相應的增大跳數D和最小帶寬B所對應的權值。本部分對語音類業務的投遞率、平均時延和控制開銷進行了仿真，結果如圖8～圖10所示。
圖8 語音類業務不同移動速度下的投遞率Fig.8 Delivery rate of voice service at different speed
圖9 語音類業務不同移動速度下的平均時延Fig.9 Average delay of voice service at different speed
圖10 語音類業務不同移動速度下的控制開銷Fig.10 Control overhead of voice service at different speed
由圖9可以看到，當傳輸語音類業務時，相比于AOMDV協議， A-AOMDV協議可以有效地降低分組的平均時延。因為在為語音類業務選擇傳輸路徑時， A-AOMDV協議綜合考慮端到端的跳數、路徑的最小帶寬兩個方面的QoS需求，從所建立的多條路徑中選擇綜合性能較好的路徑來傳輸業務，不僅考慮端到端的最短路徑，同時盡可能避免網絡擁塞，因此可以有效地降低分組平均時延。
圖8和圖10曲線的接近擬合反映A-AOMDV協議沒有影響語音業務的分組投遞率和控制開銷。
3.2.3 仿真分析總結
通過對數據類業務和語音類業務進行仿真，對比原AOMDV協議和改進后的A-AOMDV協議在投遞率、平均時延、控制開銷3個方面的性能指標，可以看到：改進的A-AOMDV協議在傳輸數據類業務時，可以在不過分影響分組時延和控制開銷的前提下有效提高投遞率；當傳輸語音類業務時，則能在保持AOMDV協議投遞率和控制開銷的基礎上大幅降低分組時延。在仿真中，選擇最具有代表性的兩類業務。對于其他類的業務可以相應調整3個服務質量參數的權值來滿足各自的QoS需求。
4 結論
針對移動自組織網，本文首先對單路徑路由協議和多路徑路由協議進行建模比較，分析維護備用路徑的數目對多路徑路由協議性能的重要影響。然后從尋路和選路的角度出發，基于AOMDV協議提出一種能適用于傳輸具有不同QoS需求的混合業務的多路徑路由協議A-AOMDV。該協議針對不同業務的QoS需求，綜合考慮時延、可靠性和可用帶寬3個參數來選擇最優路徑。最后通過仿真與AOMDV協議進行對比，對改進后協議的投遞率、時延、控制開銷等方面的性能進行驗證，結果證明該協議針對不同業務能選擇性地帶來時延、可靠性、可用帶寬等性能的提升。該協議最大的特點是針對業務需求對多路徑路由協議進行改進，不僅能有效減小移動自組網網絡拓撲動態變化等因素對通信質量造成的影響，同時能夠很好地適應于多種業務共存的場景，達到了面向業務需求的目的。
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An Improved Multi-path Routing Protocol in Mobile Ad Hoc Network
LI Xu1， QIU Song-qing1， PENG Jin-lin2， WANG Cong1
(1.School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology, Beijing 100092, China)
Multi-path routing protocol can effectively reduce the probability of communication interrupt and end-to-end delay by establishing and maintaining multiple alternate paths in mobile ad-hoc network. The current analysis methods of the number of alternate paths are unavailable for the complex wireless ad-hoc network transmission environment. The existing multipath routing protocols can’t meet the requirements of mixed services. In order to solve the above-mentioned problems, the models for single-path and multi-path routing protocols are established to analyze the effect of the number of alternate paths on the performance of multi-path routing protocol. An application-oriented ad hoc on-demand multipath distance vector (A-AOMDV) is proposed, in which many parameters, such as hop, average connectivity, minimum bandwidth and so on, are considered, and the best path is selected for any service. The simulated result shows that the delivery rate of data service can be increased by 25% and the average delay of voice service can be reduced by 10%～20% by adjusting the weights of parameters. The proposed protocol can selectively improve the properties of delay, reliability and available bandwidth for different services.
computer system architecture; mobile ad-hoc network; multi-path routing protocol; A-AOMDV; quality of service
2016-04-08
國家自然科學基金項目(61371068)；國家“863”計劃項目(2015AA01A705)；國家科技支撐計劃項目(2014BAK02B04)； 中央高?；究蒲袠I務費專項資金項目(2014JBZ002)
李旭(1970—)，女，教授，博士生導師。E-mail: xli@bjtu.edu.cn； 仇頌清(1991—)，男，碩士研究生。E-mail: 14120111@bjtu.edu.cn
TN915.04
A
1000-1093(2016)11-2022-07
10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.009
