ＴＤＭＡ自組網的ＱｏＳ設計

摘 要：QoS設計是一個復雜的問題，IETF針對有線網絡提出實現QoS的2種標準模型；然而在無線自組網中，由于隱終端、顯終端問題的存在和帶寬限制問題，有線網絡使用的QoS模型略顯繁瑣并使實現無線QoS較為困難。通過對TDMA方式自組網的分析，使用跨層合并方法設計一個QoS路由協議，并得到集成服務模型在無線自組網絡的一個實現。通過仿真，驗證此路由協議設計的正確性，同時分析此協議性能，結果表明該路由協議高效可行。

關鍵詞：自組網;路由協議;IntServ;QoS;TDMA

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1810904

QoS Design of the Ad Hoc TDMA Network

XIAO Hong，YE Rongfei

(Chongqing Jinmei Comamunication Co.Ltd.，Chongqing，400030，China)

Abstract：QoS design is a complex problem，and IETF presents two standard models;but in Ad Hoc network，wirless QoS design must face the challenge of hidden/exposingterminal and bandwidth，traditional two QoS models in wirenetwork can′t apply Ad Hoc network easily.The article analyses QoS of the TDMA mode Ad Hoc network，designs a QoS routing protocol using spanlayer combination method，and achieves application using integrated service model in wireless selforganizing network.The protocol is verified by simulation，and result presents protocol′s high performance.

Keywords：Ad Hoc network;routing protocol;IntServ;QoS;TDMA

隨著多種通信業務的發展，業務的需求也日漸復雜，其中，QoS（Quality of Service）服務質量保證已經成為通信系統必須支持的一項重要功能，對于TDMA自組網，QoS設計很有必要。QoS保證就是網絡要采取一系列策略和措施來確保對用戶業務承諾的QoS。一套比較完整的QoS保證體系包括QoS模型、QoS路由、QoS信令、QoS MAC以及其他組件，比如排隊調度等。

Internet工程任務組（IETF）先后制定了2種QoS服務模型：集成服務（InterServ）/RSVP模型和區分服務（DiffServ）模型，用來在不同的場合提供相應的質量保證。由于自組網是一種自創建，自組織和自管理的多跳無線網絡，因此，在自組網中保證QoS面臨著比有線網絡中更大的挑戰。其中的帶寬計算、資源預留分布等一些核心組件處在不同層次的協議中，它們之間的信息融合也存在一些問題。本文通過重點分析集成服務模型，根據自組網的特點，使用跨層合并設計，融合帶寬計算/資源預留算法和路由算法，得到集成服務模型在自組網中的一種實現。

1 集成服務模型分析及在自組網中的設計

1.1 IETF集成服務模型分析

集成服務模型的主導思想是：從接收方到發送方之間的沿途的每個路由器都要為每個要求QoS的數據流預留資源，并且每個路由節點都有維護流的狀態。事實上，集成服務采用RSVP這個信令協議來實現對數據流資源的預留、維護和拆除。

IntServ/RSVP的主要工作機制：發送端給接收端發送一個PATH消息，指定通信的特性，沿途每個中間路由器把PATH消息轉發給由路由協議決定的下一跳，當收到一個PATH消息時，接收方用一個RESV消息為該路流請求資源。沿途的每個中間路由器可以拒絕或接受RESV消息請求。如果請求被拒絕，路由器將發送一個出錯消息給接收方，并且中斷信令的處理過程。如果請求被接受，則為該流分配鏈路帶寬和緩沖區空間，并且把相關的流狀態信息保存到路由節點。

IntServ主要包括：分類器、調度器、信令協議（RSVP）、路由協議和接納控制組件。如圖1所示：信令協議負責請求預留資源；接納控制告訴業務流是否被預留資源。分類器用來劃分各種業務的QoS，調度器來達到所要求的QoS。它們統一協作，實現集成服務。

集成服務模型沒有考慮自組網移動環境下的 QoS保證，RSVP不是路由協議，也不是傳輸層協議，而是一種單向信令協議。由于RSVP使用一條特定路徑上的預留資源，通信對端到移動節點路徑的經常變化，意味著移動節點每次切換鏈路時都要進行路由更新并且重新資源預留，這樣導致RSVP協議的在無線鏈路大量開銷，這對于無線自組網是不可接受的；而且RSVP在無線環境中需要無線MAC層的帶寬計算服務：MAC層的帶寬計算由于自組網的隱終端和顯終端的問題而難以解決，并且在多個流并發預留資源時，可能導致信息的不準確，以致于大量的RSVP消息被錯誤擴散，增加了無線網絡的負載。所以有必要設計一種較為高效的方法來實現自組網的集成服務。

1.2 集成服務模型在TDMA模式自組網中的分析、設計在自組網絡中，從協議層次的角度分析如圖1所示，調度器是無線MAC層實現的功能模塊；信令協議是應用協議，而路由協議處于它們的中間層次。在保持分類器功能不變的情況，根據跨層合并思路，可以由路由層合并信令協議、調度器、接納控制的功能完成一個集成服務的功能。

通過分析無線自組網的一些按需路由協議，可以發現一些按需路由協議能夠方便地集成RSVP中的資源預留功能，使得資源預留的過程與路由發現的過程同時進行，大大減少了無線鏈路的開銷。

在一般的自組網QoS框架設計中鏈路帶寬的計算是無線MAC的一部分功能，但是在已知底層幀結構的基礎上，可以結合特定路由協議設計路由路徑帶寬計算算法來合并MAC鏈路帶寬計算功能，即路由協議通過路徑帶寬計算實現了接納控制功能。

在調度器的設計上，由于MAC的接入方式是TDMA網絡，可以直接由上層（路由層）調度QoS數據，這樣使無線MAC層的功能復雜度減小，即無線MAC層不再參與TDMA鏈路資源的獲取、調度，而只是根據路由層指示在已經被預留的時隙發送數據。

最終設計的自組網集成服務QoS框架如圖2所示。無線路由協議除完成自身的路由轉發功能之外，還集合了資源預留功能和一部分調度功能。這樣，通過集合不同協議層次的功能，大大簡化了集成服務框架的復雜度。

2 TDMA網絡下QoS功能的實現

為了實現跨層合并設計，關鍵點是設計實現路徑資源預留的路由協議，而且此路由協議要承載數據轉發。本文設計了基于源路由的類DSR的路由協議，而且在路由發現的過程中計算并預留時隙。

2.1 系統的時間模型

在TDMA網絡系統中，時間上的概念是時幀和時隙。時隙是系統的基本單元，時幀由N個時隙組成，時幀為循環重復。

時幀如圖3所示，分為控制階段和數據階段。控制數據在控制階段發送，如果使用TDMA的方法，那么可以保證控制數據無沖突發送，如果使用時隙CSMA方法，則通過競爭實現控制數據的發送。數據階段為K個時隙組成，用來被節點預留的時隙。通過控制報文在控制階段的發送，來預留數據階段的時隙。

在本文使用的時間模型中，控制階段的時隙可以比數據階段的時隙長度短，其為微時隙；控制數據使用無競爭的方式發送，即每個節點安排1個微時隙。

2.2 協議簡述

首先，每個節點會周期性2跳廣播自己節點的時隙分配表；這樣，本地節點會基本實時地獲知2跳鄰居的時隙分配情況及相互鄰接關系。

當要尋找1條預約帶寬為b，到目的地D的路由，路由協議按照按需方式，會廣播發送請求QReq(…，b，PATH，NH)到它的全部鄰居。其中PATH提供了QReq到目前為止發現的部分路由和時隙的分配情況；NH是為了擴展路徑，在本地已經被計算為符合QoS要求的下一跳和時隙分配。任何一個在NH集合中的鄰居如果收到QReq，而且根據時隙選擇算法后發現沒有沖突時隙，那么擴展QReq的PATH和NH信息后重新廣播，如果不在NH集合中，則不能重新廣播。

如果目的地收到QReq后，會發送一個QRep(…，PATH)應答報文，它是沿著PATH的反轉路徑單播發送的。QRep返回的過程中，路徑上的節點直接預留時隙資源。由于節點的移動導致路由不可用時，在鏈路關系丟失的上一跳，協議會重新發起建鏈請求，直到鏈路不可用。轉發數據業務時，路由協議根據預留分配的時隙資源，給數據報文打上具體時隙標志，調度無線MAC在具體時隙上發送。

2.3 數據結構

（1） ST_x［1...n，1...s］節點x記錄的發送時隙表，它記錄節點x的2跳范圍內的節點的發送時隙表。ST_x［i，j］表示了節點x的2跳范圍的鄰居節點i在時隙j上被預留為發送。如果未被預留發送，那么ST_x［i，j］=0

（2） RT［1...n，1...s］：節點x記錄的接收時隙表，它記錄節點x的2跳范圍內的節點的接收時隙表。RT_x［i，j］=1表示節點x的2跳范圍的鄰居節點i在時隙j上被預留為接收。如果未被預留發送，那么RT_x［i，j］=0

（3） H_x［1...n，1...n］：節點x記錄的跳數矩陣，它記錄節點x的二跳鄰居節點間的關系。H_x［i，j］=1表示節點x的二跳鄰居i，j也相互為1跳鄰居。

（4） QReq(S，D，id，x，PATH，NH)格式：其中S為源；D為目的；id為標簽以區別其他預留請求；b為要預留的帶寬；x為當前轉發QReq的節點；PATH為路徑列表；NH為候選列表。

① PATHZ格式：((h₁，l₁)，.，(h_i，l_i)..(h_k，l_k))。其中h_i代表的是沿途的節點，所以h₁，h₂，…，h_k，x代表當前的路徑。l_i代表的是h_i節點到h_i+1節點的需要預留的發送時隙集合，而l_k表示的是h_k節點到x節點時被預留的發送時隙集合

② NHZ格式：((h₁ ′，l₁ ′)，.，(h_i ′，l_i ′))。其中h_i ′代表候選的下一跳節點。l_i ′代表的是當前節點到下一跳h_i ′可以預留的發送時隙集合

（5） QRep格式：QRep(S，D，id，PATH)。其中參數與QReq的參數解釋相同。當QRep返回的過程中，轉發節點根據PATH的具體時隙內容來預留時隙資源

2.4 協議流程

假設一個節點y收到節點x發出的QReq(S，D，id，x，PATH，NH)，處理過程為以下偽代碼的方式給出：

［從報文中得到可能的下一跳列表和時隙預留安排］

NH_set=Get_NH_set(Qreq)

［從報文中得到路徑和預留時隙的集合］

PATH_set=Get_PATH_set(Qreq)

［如果y不在可能的下一跳列表中，則退出報文處理過程］

if(y Not In NH_set)

return

［從報文中得到x到y的發送時隙預留表，并附加到路徑中］

l_set=Get_own_slot(Qreq，y)

Path_tmp=PATH+(x，l_set)

［根據PATH_set，NH_set，STy，RTy，構造2跳鄰居ST_tmpy，RT_tmpy--臨時時隙記錄表］

ST_tmp=STy

RT_tmp=RTy

Updata_NB_slot_Tab()

［對于每個鄰居，選擇可以預留的下一跳，并得到可能的預留發送時隙］

NH_tmp=φ

for each NB∈Hy

if(Select_Slot(NB)==1)

NH_tmp=NH_tmp+(NB，l)

［NH_tmp不為空，那么發送Qreq］

if(NH_tmp!=φ)

PATH=PATH_tmp

NH=NH_tmp

BroadCast Qreq(....，y，PATH，NH)

初始節點發送Qreq，PATH集合為空，NH為選擇的下一跳集合。

目的節點收到Qreq后，如果可以預留時隙，那么把上一跳節點加入PATH，并沿途反向單播發送Qreq到初始節點，同時沿途返回節點預留時隙；若不能預留，則認為此次預留失敗。

2.5 時隙選擇算法

對于X點可以預留使用t時隙發送到節點Y的問題，考慮到自組網的隱終端和顯終端的影響，本文使用以下判據：

（1）t時隙未被X，Y節點使用；

（2）t時隙未被X節點的一跳鄰居使用為接收時隙；

（3）t時隙未被Y節點的一跳鄰居使用為發送時隙。

根據以上判據，根據鄰居關系表和更新后的臨時時隙使用表，可得出Selet_Slot()函數實現。

3 仿真設置和結果

32個節點組成的自組網，時間模型采用3.1節所述的時間模型，空中速率為1 Mb/s，每幀中的控制階段為32×500 μs，數據階段的時隙結構為24×3 ms。

設定的參數為：網絡場景為40 km×40 km；一次業務流需要帶寬可能為3種QoS選擇：預留1，2或4個時隙；節點移動使用文獻9提供的模型，移動速度為0～14 m/s；節點的無線覆蓋范圍設定為10 km；新業務流以平均速率為0.1，0.5，1，2次/s指數分布到達，每個業務流隨機在32個節點中選擇，持續120 s；仿真時間100 000 s。

對不同流量分別做仿真，得到各自的預留成功率。仿真的結果如圖4所示，從結果可看出，隨著流量的提高，預留成功率變小；單時隙預留成功率較高；多時隙預留成功率效低。

4 結 語

隨著對通訊網絡QoS要求的日漸提高，本文針對IntServ服務模型及其在無線自組網上的應用，提出一種實現IntServ模型的QoS路由協議。通過仿真，驗證了此種設計方法，這對于

無線自組網上IntServ服務的實現有一定的借鑒意義。

參 考 文 獻

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作者簡介 肖 宏 男，1968年出生，碩士，高級工程師。研究方向為通信工程。