基于跨層設計的無線自組網方案①

王彥剛, 萬留進, 呂遵明, 樓 俐

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基于跨層設計的無線自組網方案①

王彥剛, 萬留進, 呂遵明, 樓 俐

(中國電子設備系統工程公司南京電訊技術研究所, 南京210007)

首先詳細描述了目前無線自組網現狀及問題, 然后基于跨層設計思想提出一種無線節點組網方案, 尤其對MAC層、網絡層的實現方案進行了詳細描述, 最后進行樣機實現并搭建半實物仿真環境進行了仿真試驗, 仿真結果顯示該組網方案在網絡吞吐量方面比傳統組網模式有顯著提升.

跨層設計; 半實物仿真; 網絡吞吐量

隨著無線自組網技術在軍事領域、搶險救災等民用領域的廣泛應用, 目前各種類型的無線自組網節點設備被研制使用, 經過科研人員的多年努力, 物理層數據傳輸速率有了較大幅度的提升, 但網絡構建方面還沒有突破性的進展, 組網應用時網絡吞吐量仍然偏低, 將物理信道提升的性能大打折扣. 主要表現在:

1) 信道接入效率不高, 在信道接入方面普遍采用CSMA或TDMA接入方式, CSMA模式適用于突發業務較多的網絡環境, 在節點數增多且網絡流量較均勻時, 性能會急劇下降, TDMA模式適用于網絡流量較均勻的網絡環境, 但在實際使用中, 網絡環境復雜多變, 位于網絡中不同位置的節點之間的網絡環境都會有巨大差別;

2) 網絡易產生擁塞, 當前無線自組網在建立路由時, 往往不考慮業務負載分布情況, 這種方式非常容易產生局部網絡流量較大情況, 尤其對TDMA的信道接入方式, 局部網絡流量較大情況極易造成“瓶頸”節點的出現, 導致網絡擁塞, 甚至網絡“癱瘓”, 造成嚴重后果;

3) QoS保證能力不夠, 話音、圖像等多媒體信息的實時傳輸需求日益增長, 但無線自組網具有拓撲動態變化、隱終端、暴露終端等特性, 導致為應用業務提供一條端到端的具有QoS保證的通道仍然具有很大難度.

本文以解決或改善上述問題為目標, 基于跨層設計思想[1,2]提出了一種自適應的自組網方案, 同時進行了樣機實現, 最后經過半實物仿真環境測試, 測試結果表明, 該組網方案在網絡吞吐量方面比傳統組網模式有顯著提升.

1　基本架構

根據無線自組網節點既要能夠產生業務又要具有路由器功能的特點, 本方案將無線節點設計成為一個符合TCP/IP協議的路由器節點, 對外提供以太網接口,通過網口可以連接任意多個符合TCP/IP協議棧的終端, 例如常用的PC機等, 業務由終端產生, 通過無線節點發送出去, 如圖1所示.

圖1　系統總體框圖

2　實現方案

2.1 概述

本方案借鑒跨層設計思想將分散在網絡各個子層的特性參數協調融合, 使協議棧能夠以全局的方式適應特定應用和網絡狀況變化, 從而通信終端能夠在盡可能少的人為操作下, 自適應的完成組網. 本方案中MAC層和網絡層之間相互共享參數信息, 能夠對網絡資源進行有效分配, 提高網絡的綜合性能. 本方案基于TCP/IP協議棧進行設計, 邏輯框圖如圖2所示, 該框圖只給出了本方案所獨有的模塊, 對于其它TCP/IP協議固有模塊進行了省略.

圖2 協議棧功能模塊

2.2 MAC層方案

2.2.1 信道接入模塊

本方案采用時隙化信道, 時隙化信道由多個持續時間相等的時隙組成, 時隙組合成一個較大的時幀, 時幀循環重復使用. 信道接入模塊的設計目標主要為: 網絡中不采用固定設施進行集中管理, 節點以分布式的工作模式接入信道, 無需人工干預; 具有資源預約功能和時隙空間復用能力.

(1) 時幀格式

無線信道劃分為連續時幀, 每個時幀有6N(N>1, N為基本時隙數量)個時隙構成, 如圖3所示. 其中, 前面3N個時隙作為專用時隙, 后3N個時隙為公共時隙, 另外, 專用時隙又分為基本時隙、應達時隙和再應答時隙三種. 下面詳細描述這四種時隙.

圖3 時幀格式

1) 基本時隙. 節點能否申請到一個基本時隙作為節點是否入網的標志, 當節點準備入網時, 首先通過一段時間的偵聽過程, 然后通過基本時隙的申請算法競爭獲得一個屬于自己的基本時隙. 基本時隙能夠實現可靠廣播, 對信道資源預約、路由協議、網絡時間同步等都有很好的支持.

2) 應答時隙和再應答時隙. 每個基本時隙后面都緊跟一個應答時隙和再應答時隙, 兩個應答時隙和基本時隙是對應的. 在需要進行信道資源預約時, 兩個應答時隙配合基本時隙一起進行資源預約, 當不需要信道資源預約時, 這兩個時隙和基本時隙一起作為本節點的可靠廣播時隙.

3) 公共時隙. 這些時隙允許網絡中節點根據需要進行預約使用.

(2) 基本時隙申請及維護

采用RR-ALOHA協議[3,4]中的算法進行申請和維護基本時隙, 該算法保證每個節點能夠在局部范圍內獲得一個可靠的廣播時隙.

(3) 時隙預約及釋放

采用RTS/CTS握手機制進行時隙預約. 不同的網絡環境中對RTS/CTS握手機制的實現方式是不同的, 本方案基于節點的基本時隙進行實現, 下面從四個部分進行詳細介紹時隙預約及釋放過程:

1) 時隙無沖突預約條件. 當發送節點與接收節點預約時隙時, 發送節點必須選擇無沖突且可空間復用的時隙進行預約, 這些時隙需要同時滿足條件為: 對于本節點和接收節點這些時隙是空閑的; 對于本節點的鄰居節點這些時隙沒有被預約為接收時隙; 對于接收節點的鄰居節點這些時隙沒有被預約為發送時隙.

2) 時隙預約. 發送節點將選擇的可預約為發送的時隙和預約時隙數量放到RTS中, 在基本時隙發送給接收節點, 接收節點收到RTS后從中選擇可預約為接收的時隙放到CTS中, 在應答時隙回復, 當發送節點收到CTS后, 提取預約時隙, 則在接下來的預約時隙發送數據, 同時將預約的時隙放入到RESV, 通過再應答時隙發送出去, 向鄰居節點通告預約的發送時隙, 如圖4所示.

圖4 資源預約過程

3) 時隙通告. 根據1)中描述的無沖突預約時隙條件, 發送節點必須知道本節點的鄰居預約時隙的情況. 時隙通告采用監聽機制, 當鄰居節點監聽到CTS消息, 就會得知鄰居節點預約了哪些時隙為接收, 當鄰居節點監聽到RESV消息, 就會得知鄰居節點預約了哪些時隙為發送.

4) 時隙釋放. 由于網絡拓撲在不停的變化, 可能有新鄰居節點到達, 同時沒有監聽到時隙通告消息, 就會造成預約沖突, 此時則放棄使用這些時隙.

2.2.2 同步模塊

同步模塊用來進行時隙和時幀同步. 首先網內各個節點都具備高穩時鐘, 這些時鐘在網絡系統運行之前被統一校準, 依靠硬件時鐘的高穩定特性能夠維持網絡同步較長時間, 同時在組網時指定時間主控節點, 其它節點通過周期性與時間主控節點進行交互TOD(Time Of Date)信息, 進行維持網絡時間同步, 另外時間主控節點使用第1個基本時隙, 同時在基本時隙內廣播當前網絡時幀長度以及當期基本時隙的編號, 其它節點通過監聽這些信息實現時幀同步.

2.2.3 監聽模塊

監聽模塊收到一個MAC幀時, 通過其幀類型字段判斷當前數據部分的內容并進行處理, 通過這種方式可以獲得鄰居節點、時隙使用狀態、TOD等信息.

2.2.4 擁塞監測模塊

本方案引入報文隊列增長系數進行描述節點的擁塞情況, 即一個時幀內到達的報文數量除以轉發數量的值, 反映了報文隊列的變化趨勢. 這需要設置兩個預警門限: 最小預警門限和最大預警門限. 當報文隊列達到最小預警門限, 則擁塞檢測模塊開始計算報文隊列增長系數. 如果增長系數大于1就表示緩存隊列變長, 擁塞程度增加, 則不再通過該節點繼續建立路由, 直到擁塞狀態解除.

2.3 網絡層方案

2.3.1 IP報文解析模塊

當前網絡層下面有兩個MAC層, 都有數據到達和轉發. IP報文解析模塊負責對兩個MAC層提交上來的IP包進行解析, 然后提供給相應的模塊處理.

2.3.2路由模塊

(1) 設計目標

AODV協議[5]是為自組網節點設計的, 能夠對動態鏈路狀況快速自適應, 具有處理開銷和存儲開銷低等特點. 本方案基于本文第二節描述的MAC層協議設計了一種AODV協議的改進方案, 設計目標如下:

1) 具有流量均衡功能, 能夠避開網絡流量集中的節點, 減少網絡擁塞發生;

2) 具有端到端資源預約功能, 提供QoS保證.

(2) 設計方案

AODV協議的工作過程可以簡單概述為源節點發起RREQ消息, 中間節點轉發RREQ消息, 目的節點收到RREQ消息后回復RREP消息, RREP消息按照RREQ消息路徑到達源節點, 源節點收到RREP消息表示路由建立完畢.

本方案將MAC層的資源預約過程與AODV協議進行結合. 在RREQ發送階段, 源節點將RTS和RREQ消息級聯后進行發送, 中間收到RTS-RREQ級聯消息后, 提取RTS并分析, 認為資源滿足需求, 則構建給上游節點回復的CTS消息、以及給下游節點的RTS消息, 然后與RREQ消息進行級聯繼續轉發, 否則不處理, 當上游節點偵聽到CTS-RTS-RREQ級聯的消息后, 提取CTS消息完成資源預約握手, 下游節點收到CTS-RTS-RREQ消息后, 提取RTS和RREQ消息進行處理, 處理過程和上游節點相同. 在RREP回復階段, 目的節點收到CTS-RTS-RREQ的級聯消息后, 構建給上游節點回復的CTS消息然后和RREP消息級聯發送給上游節點, 上游節點收到CTS-RREP消息后, 根據CTS構建RESV消息,然后再與RREP消息級聯為RESV-RREP繼續向上游節點發送, 直到源節點收到RESV-RREP消息, 表示一條資源充沛的路徑被選擇. 具體如圖5所示.

圖5 路由建立過程

當路由建立成功后, 源節點和目的節點之間周期地發送正向路由和反向路由的維護消息, 完成路由的維護, 當節點超時收不到路由維護消息, 則認為路由失效, 將路由刪除并釋放預約資源.

2.3.3 QoS申請模塊

當有QoS申請信令到達, 則觸發QoS申請模塊, 該模塊將QoS請求命令進行解析, 根據其QoS要求進行端到端的資源預約.

2.3.4 IP報文轉發模塊

該模塊用于區分普通IP報文和QoS IP報文, 同時進行相應的轉發處理. 對于普通的IP報文, 通過路由表轉發, 如果沒有路由, 則觸發路由模塊重新建立路由; 對于QoS IP報文, 則放入QoS報文緩存隊列, 通過QoS路徑轉發, 如果沒有QoS路徑, 則丟棄.

3　半實物仿真

3.1 仿真內容

利用VRNET搭建半實物網絡環境仿真環境, 其中實物節點兩個, 仿真節點12個, 采用網絡性能測試軟件IxChariot仿真測試網絡吞吐量和網絡時延.

3.2 軟件介紹

3.2.1 VRNET網絡仿真軟件

VRNET Developer 是一款由北京未爾科技研發的離散事件網絡仿真器, 提供大量通信協議庫, 能夠支持用戶在有線和無線網絡領域的各種仿真需求, 尤其在無線自組網以及無線傳感器網絡方面, VRNET提供了大量的協議模型, 能夠滿足用戶的各種應用.

3.2.2 IxChariot網絡測試軟件

IxChariot是美國IXIA公司推出的針對應用層性能測試的一款軟測試工具, 能夠評估網絡應用的性能和容量, 對網絡和設備進行壓力測試, 得到設備及網絡在不同應用、不同參數下的吞吐量、時延、丟包、反應時間等性能參數.

3.3 半實物網絡環境搭建

3.3.1 場景描述

半實物仿真場景搭建需要一臺服務器、兩臺計算機終端和兩臺無線節點樣機, 其中服務器運行VRNET仿真環境, 模擬12個網絡虛擬節點, 計算機終端1和無線節點樣機1映射到虛擬仿真環境中的兩個節點, 計算機終端2和無線節點樣機2連接, 樣機之間可以進行無線通信, 如圖6所示. 此時計算機終端1和終端2都運行IxChariot軟件, 通過半實物的網絡環境進行通信測試.

圖6 半實物仿真場景

3.3.2 仿真場景參數配置

根據一般使用環境, 網絡仿真環境設置為: 信息速率1.5 Mbit/s; 節點隨機移動; 節點移動隨機速度0 km/h～60 km/h; 鏈路誤比特率4.42×10-5; 節點通信距離5 km; 拓撲范圍20 km×15 km; 節點數12; 路由模塊AODV、改進版AODV; MAC層CSMA/CA、TDMA(時隙長度10 ms)、本方案MAC協議(時隙長度10 ms); 仿真節點隨機產生背景業務, 報文間隔符合指數分布.

3.3.3 測試過程

測試過程可以分為以下幾個步驟:

1) 運行計算機終端1、終端2的IxChariot控制端軟件, 同時配置測試參數;

2) 在IxChariot控制端軟件加載吞吐量測試腳本文件, 運行測試軟件, 同時更改VRNET Developer仿真環境中的背景業務量, 再重復上述步驟, 記錄當前網絡背景業務情況下的平均吞吐量, 共計測試八種背景業務量下的平均吞吐量;

3) 按照2)中方法再測試網絡時延.

3.4 仿真測試結果分析

本仿真基于背景業務量由輕及重的過程, 對網絡性能進行了仿真測試, 并將測試結果進行了對比.

3.4.1 網絡吞吐量分析

圖7是網絡吞吐量測試結果. 通過仿真結果看出:

1) 當沒有背景業務或背景業務比較小時, CSMA/CA和本方案的網絡吞吐量相對比較高, 靜態TDMA網絡吞吐量較低. 這是因為背景業務較少, 信道競爭不激烈, 對CSMA/CA有利, 但在節點轉發過程中, 仍然會與上下游節點競爭, 依然存在報文碰撞及空閑信道被誤認為繁忙的現象, 本方案通過協商的方式接入信道, 能夠很大程度減小上述現象的發生, 但本方案中還有接近一半的時隙被靜態劃分出的作為基本時隙使用, 因此與CSMA/CA吞吐量相差不大. 對于靜態TDMA來說, 資源被固定劃分給每個節點, 處于較忙狀態的節點資源必定不夠, 即使其它大部分時隙空閑, 也無法使用, 因此即使沒有背景業務, 靜態TDMA的吞吐量也較低.

2)隨著背景業務的增加, 本方案仍然保持較穩定的吞吐量, CSMA/CA吞吐量在逐步下降, 靜態TDMA吞吐量下降幅度較大. 這是因為網絡節點競爭信道的頻率增加了, 對于CSMA/CA來說, 每個節點占用信道的機會變小且碰撞概率增大, 導致發送隊列變長且重傳次數增加, 網絡吞吐量開始下降, 對于本方案來說, 節點之間通過協商的方式使用信道, 碰撞概率低, 空閑時隙能夠被充分利用, 吞吐量基本不會下降太多, 對于靜態TDMA來說, 雖然沒有碰撞問題發生, 但每個節點僅有的帶寬被眾多業務平分, 發送隊列迅速增加, 導致發送端超時重傳, 進一步導致隊列長度倍增, 網絡擁塞現象逐步顯現.

3.4.2 網絡時延分析

圖8是網絡時延測試結果. 通過仿真結果看出:

1)當沒有背景業務或背景業務比較小時, CSMA/CA的時延最小、本方案次之、靜態TDMA時延最大. 這是因為CSMA/CA不受時隙限制, 只要有數據就可以競爭信道發送, 對于靜態TDMA方式, 則必須等到自己的時隙到達后才能發送, 因此報文在發送隊列里的等待時間較長, 本方案的時延要明顯好于靜態TDMA, 可以根據需要在一個時幀內預約多個空閑時隙, 時延降低.

2) 隨著背景業務增多, CSMA/CA時延增大, 本方案變化不明顯, 靜態TDMA時延增大, 這是因為CSMA/CA競爭信道困難且報文碰撞概率增大, 報文重傳增多, 時延增大, 對于本方案來說, 此時依然可以保持高效利用信道資源, 時延增加不明顯, 對于靜態TDMA來說, 緩存隊列增加明顯, 導致發送端超時重傳, 隊列長度倍增, 網絡出現擁塞, 時延增大明顯.

3.4.3 總體評價

實際使用過程中, 任何節點既不會長期處于負載較輕也不會處于負載過重狀態, 此時本方案要優于CSMA/CA和靜態TDMA, 雖然在時延方面比CSMA/CA略差一些, 但也基本能夠滿足大部分業務需求, 另外, 隨著物理信道性能的提升, 時隙劃分可以越來越小, 時延會得到更好的改善. 對于網絡擁塞問題, 本方案提出的路由協議是可以對其改善的, 即便網絡負載過重, 也不會導致網絡“癱瘓”.

圖7 網絡吞吐量測試結果

圖8 網絡時延測試結果

4　結語

目前, 本方案組網性能還遠沒有達到高效接入、智能管理等理想實用狀態, 只是在一定程度上具有自適應功能, 比傳統組網模式具有一定先進性, 與理想狀態還有很大距離, 例如: 組網時必須指定時間主控節點, 一旦時間主控節點出現故障或者被摧毀, 網絡時間就會隨著時間的推移逐步“失步”; 另外, 本方案雖然節點通過監聽自動入網, 能夠省去手動分配時隙的繁瑣, 但網絡規模(網絡節點)數需要事先確定, 當網絡飽和后, 節點將無法繼續入網, 不能根據實際情況進行擴大網絡規模. 因此, 后續還需針對上述的題進一步研究并提出更好的解決思路.

1 王金龍,吳啟暉,龔玉萍,等.認知無線網絡.北京:電子工業出版社,2010.

2 Su H, Zhang X. Cross-layer based opportunistic MAC protocols for QoS provisionings over cognitive radio wireless networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2008, 26(1): 118–129.

3 Borgonovo F, Capone A, Cesana M, Fratta L. RR-ALOHA: A reliable R-ALOHA broadcast channel for ad-hoc inter- vehicle communication networks. Proc. of Med-Hoc-Net 2002. Chia, Italy. 2002. 15–19.

4 Borgonovo F, Capone A, Cesana M, Fratta L. Ad hoc MAC: A new MAC architecture for ad hoc networks providing efficient and reliable point-to-point and broadcast services. ACM Wireless Networks (WINET), 2004, 10(4): 359–366.

5 陳林星,曾曦,曹毅.移動Ad hoc網絡.北京:電子工業出版社,2012:210–236.

Wirless Self-Organized Network Scheme Based on Cross-Layer Design

WANG Yan-Gang, WAN Liu-Jin, LV Zun-Ming, LOU Li

(Nanjing Telecommunication Technology Research Institute of CESEC, Nanjing 210007, China)

After analyzing the shortages of current wireless self-organized network, this paper presents a radio self-organized network scheme based on cross-layer design, particularly describes the scheme contents of MAC and Network layers. Then, the semi-physical simulation environment for prototype aeroplane is developed. The simulation results show that this scheme can obviously improve the ability of network throughput comparing with the traditional self-organized network mode.

cross-layer design; semi-physical simulation; network throughput

國家自然科學基金(61201216)

2016-04-20;收到修改稿時間:2016-07-07

[10.15888/j.cnki.csa.005605]