无线Ad Hoc网络跨层QoS保证的方法与应用探析

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摘 要：介绍了无线 ad hoc网络跨层设计的背景，指出了传统因特网的qos方法无法完全照搬到Ad Hoc网络上，而跨层设计是能够有效解决Ad Hoc网络服务质量问题的有效方法。同时，对跨层设计的基本原理进行了探讨，进而提出了一种跨层设计的方法。另外，对跨层信令的交互、内部消息的格式、外部消息的格式做出了规定，并用实例说明了这种跨层设计方法的具体实施过程。

关键词：无线自组网； 服务质量； 跨层设计；信令交互

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302(2012)09-0058-04

Application of cross-layer design for QoS guarantee in Ad Hoc Networks

JIANG Hua-long, ZHANG Shuai, WANG Zhi-peng

(College of Physics and Electronic Engineering, Nanyang Normal University, Nanyang 473061, China)

Abstract: The background of cross-layer design for wireless Ad Hoc networks is introduced. It is indicated that it is not suitable to apply the traditional Internet QoS method directly in Ad Hoc networks, and cross-layer design is able to effectively solve the Ad Hoc network quality of service problems effectively. The principle of cross-layer design is discussed, and then a cross-layer design scheme is proposed. In addition, the cross-layer signaling interaction, internal message format and external message format are provided, and an example is used to demonstrate the concrete implementation process of the cross-layer design.

Keywords: Ad Hoc; QoS; cross-layer design; signaling interaction

0 引 言

无线 Ad Hoc网络, 又称移动自组织网络, 是不依赖于任何固定基础设施的移动节点的动态联合体[1]。它具有无需基础设施支持、高度动态、移动通信等优点, 因而得到了广泛的应用(如军事应用、紧急救助、灾难援助、医疗应用、电子商务等)。随着无线网络技术的迅速发展, 人们需要移动 Ad Hoc网络支持多种多媒体应用[2- 4], 例如 VoIP、视频会议、实时协作等。

在上述应用中, 通常都要求语音图像等应用信息能实时准确传送, 文件下载等应用则要求有较好的带宽和较低的丢失率。因此, 人们迫切需要移动 Ad Hoc网络具备良好的 QoS机制。但是, 由于移动 Ad Hoc网络所具有的节点对等性、动态性和能量有限性等特点，互联网 QoS控制机制在移动 Ad Hoc网络上往往无法使用, 而且在移动 Ad Hoc网络上要提供 QoS控制支持则更为困难[4]。

1 跨层设计的背景

目前，对无线 Ad Hoc网络的研究主要的仍然是采用传统的Internet分层协议体系结构，在该体系的指导下，在网络的不同层展开了大量的研究。但是，这些研究基本上都忽略了网络设计的整体需求和各层功能之间的相关性[6]。协议栈的每一层都是独立设计和工作的，只在层与层之间有静态的、与网络各层的限制和应用无关的接口。分层结构极大程度地简化了网络设计，并导致了因特网中健壮的、可升级的协议，然而这种严格的分层设计方法缺乏灵活性，不能很好地适应无线 Ad Hoc网络的特点[7]。在实际的网络通信过程中，层与层之间的信息难以共享，也增加了大量难以控制的链路开销、信息冗余以及对等层间的通信开销。对于有线网络来说，为了应对这些开销以及网络其它层的动态变化，设计大都是通过过度的冗余设计网络每一层来处理的。然而，无线 Ad Hoc网络的能量和带宽等资源严重受限，因为对等层通信要消耗大量的带宽和能量资源，所以，分层结构的这种设计方式进一步加剧了无线 Ad Hoc网络带宽资源和能量资源的限制，使得网络性能恶化。

无线 Ad Hoc网络的能量效率、QoS支持、安全和可扩展性问题都涉及网络协议栈的各个层次，需要多个协议层共同配合得以优化。在实际的网络优化过程中，各个层次的独立优化不一定会带来整个系统的性能优化[8]，尤其是当能量受到限制、或是应用程序带宽需要很大、或者延迟受到严格的限制的时候。为了达到这些要求，需要具有自适应性和协议栈多层优化的跨层协议设计[9]，因而就出现了无线Ad Hoc，同时在网络中出现了支持跨层交互和实施性能优化的跨层设计方法。近年来，在无线 Ad Hoc网络中，应用跨层设计的思想受到了越来越多的关注。

2 跨层设计原理

跨层设计思想是相对于OSI模型而言的，目前并没有明确的定义。其总体目标是通过提高协议间在本地端的交互，来降低远程通信，节省带宽以达到优化网络性能的目的，但同时也必须考虑跨层所需付出的代价，包括设计、生产和维护。严格的分层能保证各层间可控制的交互，开发和维护任何一层与其他层都是相对独立的。在跨层设计的时候，应当保持模块结构的优点，尽量和已有的成熟标准兼容，少或不修改传统层次中的核心功能；不仅需要考虑静态跨层优化设计，还要考虑动态优化跨层自适应[8,10-12]。