移动自组织网络跨层QoS保证机制研究

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摘 要：在无线网络技术飞速发展的今天，无线移动自组织网络（Ad Hoc网络）的随时随地接入性，使其具有广阔的应用前景。但是同时Ad Hoc网络又有其脆弱性的一面，如由于节点移动导致网络拓扑动态多变以及链路连接的动态变化，无线信道具有不稳定性，业务流具有很强的突发性等，这些都使得网络中业务流的qos得不到有效保障。因此，本文以跨层设计为思路，重点研究了Ad Hoc网络中MAC层和路由层技术。

关键词：Ad Hoc;跨层;服务质量

将传统的分层协议应用在Ad Hoc网络中，可以解决大部分功能定义型的问题，但是由于严格分层结构的束缚，使得传统的分层协议在Ad Hoc中的应用存在很大的局限。而跨层算法打破了这一传统束缚，它通过层间信息交互，使节点可以充分利用网络状态资源，调节各协议层功能，达到了信息共享的目的，提高网络性能。

一、跨层协议简介

目前，对于通信网络的研究，一般采用分层的方式。分层协议模型将通信中的所有问题划分到相应协议层去加以研究与解决。对于移动Ad Hoc网络，可以采用如图1所示的传统五层协议模型和QoS控制体系来分析与设计。

传统的无线网络都是基于图1所示的协议模型，它将整个网络功能划分为5部分，分别在5个网络子层中实现，并且定义了每一层应该提供的服务功能和各层的服务质量保障机制。这样，可以将整个网络的功能分发到各个子层去分离执行完成，简化了网络的设计。由于移动Ad Hoc网络需要支持多种业务类型，并且有一些异于传统无线网络的特性，如：网络拓扑结构动态多变、分布式控制特性等。图1所示的严格分层QoS保障网络体系，不能很好地为Ad Hoc网络提供服务质量保障。

图1 传统五层协议QoS模型

跨层设计是一种支持网络各层之间灵活交流信息的方法。它保留了协议栈的分层模式，通过各层间互相交换状态信息来控制网络行为，提高网络整体性能[1]，如图2所示。各个协议层通过相邻或不相邻层传递到本层的信息调整自己的行为，也可以通过特定的跨层控制模块在各层中收集所需要的信息，这些信息将会通过具有优化网络某性能目标的特定模块的处理;最后，利用这些经过处理的信息，指示网络某一层或某几层做出合理的调整，最终达到优化网络性能的目的[2]。

图2 跨层设计模型

二、跨层设计相关研究综述

文献论述了一种联合应用层、传输层和网络层的跨层探测模式DACME（Distributed Admission Control for MANET Envi

ronments）。对于有严格带宽、时延和时延抖动要求的业务，DACME算法通过发送相应的探测包提前预测网络的性能。如果评估网络性能满足业务流QoS要求时，可以立即发送数据包，这样可以提高报文分组的成功传递率。另外，DACME在路由层采用最大非相交路由选择原则，源节点在发送数据包时优先选用与已使用的路由不相交的那些路径，这样不仅可以避免拥塞，同时可以防止由于网络某一个节点停止工作而造成的大量数据包丢失情况的发生。DACME模型图如图3所示。

图3 DACME模型

跨层数据通道模型[4]如图4所示。模型包括三个跨层模块：QoS映射模块、自适应资源分配预留模块和无线链路自适应模块。利用QoS映射模块将应用层的业务流时延要求量化，确定业务流属于何种优先级，网络层根据时延量化结果为业务流传输选择合适路由，实现了应用层与网络层间的跨层通信。自适应资源分配预留模块包含了接纳控制模块和自适应调度模块。由于不同优先级业务流的带宽需求和接入延迟是不同的，接纳控制模型根据业务流的优先级信息，结合当前网络的状况，对业务流进行合适的调度。另外，接纳控制模块还可以将应用层业务流时延要求信息共享至MAC层，帮助MAC层实现数据包调度。

图4 跨层数据通道模型

文献论述了一种应用于Ad Hoc网络的跨层设计模块CLD（Cross-Layer Design）。CLD利用一个自适应链路估计模块来估计无线链路质量。通过使用一个卡尔曼滤波器来实现的链路估计模块，不仅可为路由决策提供精确的现有链路状态信息，同时还可预测下一时刻链路质量，以保证可靠的数据传输。CLD跨层设计中跨层模型由三部分组成：链路估计模块、链路监测模块和动态路由选择模块。链路监测模块存储着本节点与相邻节点之间的链路状态信息，给链路估计模块提供无线链路相关参数。链路估计模块根据监测模块所提供的链路状态信息来估计当前链路状况，并预测下一时刻链路的情况。具体的系统结构图如图5所示。

图5 CLD系统结构图

结束语：无线Ad Hoc网络的应用环境要求它支持QoS，由于Ad Hoc网络的不确定性，限制了传统分层协议在网络中的应用。本文通过对国内外研究现状的分析，指出跨层通信机制打破了网络严格分层模型的束缚，能够很好地为Ad Hoc网络提供QoS保障，将成为未来Ad Hoc网络中支持QoS保证机制的研究方向

参考文献：

[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. 无线Ad Hoc网络中的跨层QoS保证研究[D].武汉：华中科技大学，2005.