移動自組織網絡跨層QoS保證機制研究

袁昊+吳進紅+于永良

摘? 要：在無線網絡技術飛速發展的今天，無線移動自組織網絡（Ad Hoc網絡）的隨時隨地接入性，使其具有廣闊的應用前景。但是同時Ad Hoc網絡又有其脆弱性的一面，如由于節點移動導致網絡拓撲動態多變以及鏈路連接的動態變化，無線信道具有不穩定性，業務流具有很強的突發性等，這些都使得網絡中業務流的QoS得不到有效保障。因此，本文以跨層設計為思路，重點研究了Ad Hoc網絡中MAC層和路由層技術。

關鍵詞：Ad Hoc;跨層;服務質量

將傳統的分層協議應用在Ad Hoc網絡中，可以解決大部分功能定義型的問題，但是由于嚴格分層結構的束縛，使得傳統的分層協議在Ad Hoc中的應用存在很大的局限。而跨層算法打破了這一傳統束縛，它通過層間信息交互，使節點可以充分利用網絡狀態資源，調節各協議層功能，達到了信息共享的目的，提高網絡性能。

一、跨層協議簡介

目前，對于通信網絡的研究，一般采用分層的方式。分層協議模型將通信中的所有問題劃分到相應協議層去加以研究與解決。對于移動Ad Hoc網絡，可以采用如圖1所示的傳統五層協議模型和QoS控制體系來分析與設計。

傳統的無線網絡都是基于圖1所示的協議模型，它將整個網絡功能劃分為5部分，分別在5個網絡子層中實現，并且定義了每一層應該提供的服務功能和各層的服務質量保障機制。這樣，可以將整個網絡的功能分發到各個子層去分離執行完成，簡化了網絡的設計。由于移動Ad Hoc網絡需要支持多種業務類型，并且有一些異于傳統無線網絡的特性，如：網絡拓撲結構動態多變、分布式控制特性等。圖1所示的嚴格分層QoS保障網絡體系，不能很好地為Ad Hoc網絡提供服務質量保障。

圖1? 傳統五層協議QoS模型

跨層設計是一種支持網絡各層之間靈活交流信息的方法。它保留了協議棧的分層模式，通過各層間互相交換狀態信息來控制網絡行為，提高網絡整體性能[1]，如圖2所示。各個協議層通過相鄰或不相鄰層傳遞到本層的信息調整自己的行為，也可以通過特定的跨層控制模塊在各層中收集所需要的信息，這些信息將會通過具有優化網絡某性能目標的特定模塊的處理;最后，利用這些經過處理的信息，指示網絡某一層或某幾層做出合理的調整，最終達到優化網絡性能的目的[2]。

圖2? 跨層設計模型

二、跨層設計相關研究綜述

文獻論述了一種聯合應用層、傳輸層和網絡層的跨層探測模式DACME（Distributed Admission Control for MANET Envi

ronments）。對于有嚴格帶寬、時延和時延抖動要求的業務，DACME算法通過發送相應的探測包提前預測網絡的性能。如果評估網絡性能滿足業務流QoS要求時，可以立即發送數據包，這樣可以提高報文分組的成功傳遞率。另外，DACME在路由層采用最大非相交路由選擇原則，源節點在發送數據包時優先選用與已使用的路由不相交的那些路徑，這樣不僅可以避免擁塞，同時可以防止由于網絡某一個節點停止工作而造成的大量數據包丟失情況的發生。DACME模型圖如圖3所示。

圖3? DACME模型

跨層數據通道模型[4]如圖4所示。模型包括三個跨層模塊：QoS映射模塊、自適應資源分配預留模塊和無線鏈路自適應模塊。利用QoS映射模塊將應用層的業務流時延要求量化，確定業務流屬于何種優先級，網絡層根據時延量化結果為業務流傳輸選擇合適路由，實現了應用層與網絡層間的跨層通信。自適應資源分配預留模塊包含了接納控制模塊和自適應調度模塊。由于不同優先級業務流的帶寬需求和接入延遲是不同的，接納控制模型根據業務流的優先級信息，結合當前網絡的狀況，對業務流進行合適的調度。另外，接納控制模塊還可以將應用層業務流時延要求信息共享至MAC層，幫助MAC層實現數據包調度。

圖4? 跨層數據通道模型

文獻論述了一種應用于Ad Hoc網絡的跨層設計模塊CLD（Cross-Layer Design）。CLD利用一個自適應鏈路估計模塊來估計無線鏈路質量。通過使用一個卡爾曼濾波器來實現的鏈路估計模塊，不僅可為路由決策提供精確的現有鏈路狀態信息，同時還可預測下一時刻鏈路質量，以保證可靠的數據傳輸。CLD跨層設計中跨層模型由三部分組成：鏈路估計模塊、鏈路監測模塊和動態路由選擇模塊。鏈路監測模塊存儲著本節點與相鄰節點之間的鏈路狀態信息，給鏈路估計模塊提供無線鏈路相關參數。鏈路估計模塊根據監測模塊所提供的鏈路狀態信息來估計當前鏈路狀況，并預測下一時刻鏈路的情況。具體的系統結構圖如圖5所示。

圖5? CLD系統結構圖

結束語：無線Ad Hoc網絡的應用環境要求它支持QoS，由于Ad Hoc網絡的不確定性，限制了傳統分層協議在網絡中的應用。本文通過對國內外研究現狀的分析，指出跨層通信機制打破了網絡嚴格分層模型的束縛，能夠很好地為Ad Hoc網絡提供QoS保障，將成為未來Ad Hoc網絡中支持QoS保證機制的研究方向

參考文獻：

[1] Bangkok， Thailand. Performance Analysis of Cross-Layer MAC and Routing Protocols in MANETs[J]. 2010 Second International Conference on Computer and Network Technology， 2010： 53-59

[2] 阮加勇. 無線Ad Hoc網絡中的跨層QoS保證研究[D].武漢：華中科技大學，2005.endprint

摘? 要：在無線網絡技術飛速發展的今天，無線移動自組織網絡（Ad Hoc網絡）的隨時隨地接入性，使其具有廣闊的應用前景。但是同時Ad Hoc網絡又有其脆弱性的一面，如由于節點移動導致網絡拓撲動態多變以及鏈路連接的動態變化，無線信道具有不穩定性，業務流具有很強的突發性等，這些都使得網絡中業務流的QoS得不到有效保障。因此，本文以跨層設計為思路，重點研究了Ad Hoc網絡中MAC層和路由層技術。

關鍵詞：Ad Hoc;跨層;服務質量

將傳統的分層協議應用在Ad Hoc網絡中，可以解決大部分功能定義型的問題，但是由于嚴格分層結構的束縛，使得傳統的分層協議在Ad Hoc中的應用存在很大的局限。而跨層算法打破了這一傳統束縛，它通過層間信息交互，使節點可以充分利用網絡狀態資源，調節各協議層功能，達到了信息共享的目的，提高網絡性能。

一、跨層協議簡介

目前，對于通信網絡的研究，一般采用分層的方式。分層協議模型將通信中的所有問題劃分到相應協議層去加以研究與解決。對于移動Ad Hoc網絡，可以采用如圖1所示的傳統五層協議模型和QoS控制體系來分析與設計。

傳統的無線網絡都是基于圖1所示的協議模型，它將整個網絡功能劃分為5部分，分別在5個網絡子層中實現，并且定義了每一層應該提供的服務功能和各層的服務質量保障機制。這樣，可以將整個網絡的功能分發到各個子層去分離執行完成，簡化了網絡的設計。由于移動Ad Hoc網絡需要支持多種業務類型，并且有一些異于傳統無線網絡的特性，如：網絡拓撲結構動態多變、分布式控制特性等。圖1所示的嚴格分層QoS保障網絡體系，不能很好地為Ad Hoc網絡提供服務質量保障。

圖1? 傳統五層協議QoS模型

跨層設計是一種支持網絡各層之間靈活交流信息的方法。它保留了協議棧的分層模式，通過各層間互相交換狀態信息來控制網絡行為，提高網絡整體性能[1]，如圖2所示。各個協議層通過相鄰或不相鄰層傳遞到本層的信息調整自己的行為，也可以通過特定的跨層控制模塊在各層中收集所需要的信息，這些信息將會通過具有優化網絡某性能目標的特定模塊的處理;最后，利用這些經過處理的信息，指示網絡某一層或某幾層做出合理的調整，最終達到優化網絡性能的目的[2]。

圖2? 跨層設計模型

二、跨層設計相關研究綜述

文獻論述了一種聯合應用層、傳輸層和網絡層的跨層探測模式DACME（Distributed Admission Control for MANET Envi

ronments）。對于有嚴格帶寬、時延和時延抖動要求的業務，DACME算法通過發送相應的探測包提前預測網絡的性能。如果評估網絡性能滿足業務流QoS要求時，可以立即發送數據包，這樣可以提高報文分組的成功傳遞率。另外，DACME在路由層采用最大非相交路由選擇原則，源節點在發送數據包時優先選用與已使用的路由不相交的那些路徑，這樣不僅可以避免擁塞，同時可以防止由于網絡某一個節點停止工作而造成的大量數據包丟失情況的發生。DACME模型圖如圖3所示。

圖3? DACME模型

跨層數據通道模型[4]如圖4所示。模型包括三個跨層模塊：QoS映射模塊、自適應資源分配預留模塊和無線鏈路自適應模塊。利用QoS映射模塊將應用層的業務流時延要求量化，確定業務流屬于何種優先級，網絡層根據時延量化結果為業務流傳輸選擇合適路由，實現了應用層與網絡層間的跨層通信。自適應資源分配預留模塊包含了接納控制模塊和自適應調度模塊。由于不同優先級業務流的帶寬需求和接入延遲是不同的，接納控制模型根據業務流的優先級信息，結合當前網絡的狀況，對業務流進行合適的調度。另外，接納控制模塊還可以將應用層業務流時延要求信息共享至MAC層，幫助MAC層實現數據包調度。

圖4? 跨層數據通道模型

文獻論述了一種應用于Ad Hoc網絡的跨層設計模塊CLD（Cross-Layer Design）。CLD利用一個自適應鏈路估計模塊來估計無線鏈路質量。通過使用一個卡爾曼濾波器來實現的鏈路估計模塊，不僅可為路由決策提供精確的現有鏈路狀態信息，同時還可預測下一時刻鏈路質量，以保證可靠的數據傳輸。CLD跨層設計中跨層模型由三部分組成：鏈路估計模塊、鏈路監測模塊和動態路由選擇模塊。鏈路監測模塊存儲著本節點與相鄰節點之間的鏈路狀態信息，給鏈路估計模塊提供無線鏈路相關參數。鏈路估計模塊根據監測模塊所提供的鏈路狀態信息來估計當前鏈路狀況，并預測下一時刻鏈路的情況。具體的系統結構圖如圖5所示。

圖5? CLD系統結構圖

結束語：無線Ad Hoc網絡的應用環境要求它支持QoS，由于Ad Hoc網絡的不確定性，限制了傳統分層協議在網絡中的應用。本文通過對國內外研究現狀的分析，指出跨層通信機制打破了網絡嚴格分層模型的束縛，能夠很好地為Ad Hoc網絡提供QoS保障，將成為未來Ad Hoc網絡中支持QoS保證機制的研究方向

參考文獻：

[1] Bangkok， Thailand. Performance Analysis of Cross-Layer MAC and Routing Protocols in MANETs[J]. 2010 Second International Conference on Computer and Network Technology， 2010： 53-59

[2] 阮加勇. 無線Ad Hoc網絡中的跨層QoS保證研究[D].武漢：華中科技大學，2005.endprint

摘? 要：在無線網絡技術飛速發展的今天，無線移動自組織網絡（Ad Hoc網絡）的隨時隨地接入性，使其具有廣闊的應用前景。但是同時Ad Hoc網絡又有其脆弱性的一面，如由于節點移動導致網絡拓撲動態多變以及鏈路連接的動態變化，無線信道具有不穩定性，業務流具有很強的突發性等，這些都使得網絡中業務流的QoS得不到有效保障。因此，本文以跨層設計為思路，重點研究了Ad Hoc網絡中MAC層和路由層技術。

關鍵詞：Ad Hoc;跨層;服務質量

將傳統的分層協議應用在Ad Hoc網絡中，可以解決大部分功能定義型的問題，但是由于嚴格分層結構的束縛，使得傳統的分層協議在Ad Hoc中的應用存在很大的局限。而跨層算法打破了這一傳統束縛，它通過層間信息交互，使節點可以充分利用網絡狀態資源，調節各協議層功能，達到了信息共享的目的，提高網絡性能。

一、跨層協議簡介

目前，對于通信網絡的研究，一般采用分層的方式。分層協議模型將通信中的所有問題劃分到相應協議層去加以研究與解決。對于移動Ad Hoc網絡，可以采用如圖1所示的傳統五層協議模型和QoS控制體系來分析與設計。

傳統的無線網絡都是基于圖1所示的協議模型，它將整個網絡功能劃分為5部分，分別在5個網絡子層中實現，并且定義了每一層應該提供的服務功能和各層的服務質量保障機制。這樣，可以將整個網絡的功能分發到各個子層去分離執行完成，簡化了網絡的設計。由于移動Ad Hoc網絡需要支持多種業務類型，并且有一些異于傳統無線網絡的特性，如：網絡拓撲結構動態多變、分布式控制特性等。圖1所示的嚴格分層QoS保障網絡體系，不能很好地為Ad Hoc網絡提供服務質量保障。

圖1? 傳統五層協議QoS模型

跨層設計是一種支持網絡各層之間靈活交流信息的方法。它保留了協議棧的分層模式，通過各層間互相交換狀態信息來控制網絡行為，提高網絡整體性能[1]，如圖2所示。各個協議層通過相鄰或不相鄰層傳遞到本層的信息調整自己的行為，也可以通過特定的跨層控制模塊在各層中收集所需要的信息，這些信息將會通過具有優化網絡某性能目標的特定模塊的處理;最后，利用這些經過處理的信息，指示網絡某一層或某幾層做出合理的調整，最終達到優化網絡性能的目的[2]。

圖2? 跨層設計模型

二、跨層設計相關研究綜述

文獻論述了一種聯合應用層、傳輸層和網絡層的跨層探測模式DACME（Distributed Admission Control for MANET Envi

ronments）。對于有嚴格帶寬、時延和時延抖動要求的業務，DACME算法通過發送相應的探測包提前預測網絡的性能。如果評估網絡性能滿足業務流QoS要求時，可以立即發送數據包，這樣可以提高報文分組的成功傳遞率。另外，DACME在路由層采用最大非相交路由選擇原則，源節點在發送數據包時優先選用與已使用的路由不相交的那些路徑，這樣不僅可以避免擁塞，同時可以防止由于網絡某一個節點停止工作而造成的大量數據包丟失情況的發生。DACME模型圖如圖3所示。

圖3? DACME模型

跨層數據通道模型[4]如圖4所示。模型包括三個跨層模塊：QoS映射模塊、自適應資源分配預留模塊和無線鏈路自適應模塊。利用QoS映射模塊將應用層的業務流時延要求量化，確定業務流屬于何種優先級，網絡層根據時延量化結果為業務流傳輸選擇合適路由，實現了應用層與網絡層間的跨層通信。自適應資源分配預留模塊包含了接納控制模塊和自適應調度模塊。由于不同優先級業務流的帶寬需求和接入延遲是不同的，接納控制模型根據業務流的優先級信息，結合當前網絡的狀況，對業務流進行合適的調度。另外，接納控制模塊還可以將應用層業務流時延要求信息共享至MAC層，幫助MAC層實現數據包調度。

圖4? 跨層數據通道模型

文獻論述了一種應用于Ad Hoc網絡的跨層設計模塊CLD（Cross-Layer Design）。CLD利用一個自適應鏈路估計模塊來估計無線鏈路質量。通過使用一個卡爾曼濾波器來實現的鏈路估計模塊，不僅可為路由決策提供精確的現有鏈路狀態信息，同時還可預測下一時刻鏈路質量，以保證可靠的數據傳輸。CLD跨層設計中跨層模型由三部分組成：鏈路估計模塊、鏈路監測模塊和動態路由選擇模塊。鏈路監測模塊存儲著本節點與相鄰節點之間的鏈路狀態信息，給鏈路估計模塊提供無線鏈路相關參數。鏈路估計模塊根據監測模塊所提供的鏈路狀態信息來估計當前鏈路狀況，并預測下一時刻鏈路的情況。具體的系統結構圖如圖5所示。

圖5? CLD系統結構圖

結束語：無線Ad Hoc網絡的應用環境要求它支持QoS，由于Ad Hoc網絡的不確定性，限制了傳統分層協議在網絡中的應用。本文通過對國內外研究現狀的分析，指出跨層通信機制打破了網絡嚴格分層模型的束縛，能夠很好地為Ad Hoc網絡提供QoS保障，將成為未來Ad Hoc網絡中支持QoS保證機制的研究方向

參考文獻：

[1] Bangkok， Thailand. Performance Analysis of Cross-Layer MAC and Routing Protocols in MANETs[J]. 2010 Second International Conference on Computer and Network Technology， 2010： 53-59

[2] 阮加勇. 無線Ad Hoc網絡中的跨層QoS保證研究[D].武漢：華中科技大學，2005.endprint