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(yè)務的發(fā)展，業(yè)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(yè)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(qū)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(chuàng)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(zhàn)。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(fā)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(jié)點都有維護流的狀態(tài)。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(fā)送端給接收端發(fā)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(fā)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(fā)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(qū)空間，并且把相關的流狀態(tài)信息保存到路由節(jié)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(yè)務流是否被預留資源。分類器用來劃分各種業(yè)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(huán)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(jié)點路徑的經常變化，意味著移動節(jié)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(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)。本文設計了基于源路由的類DSR的路由協議，而且在路由發(fā)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(huán)重復。

時幀如圖3所示，分為控制階段和數據階段?？刂茢祿诳刂齐A段發(fā)送，如果使用TDMA的方法，那么可以保證控制數據無沖突發(fā)送，如果使用時隙CSMA方法，則通過競爭實現控制數據的發(fā)送。數據階段為K個時隙組成，用來被節(jié)點預留的時隙。通過控制報文在控制階段的發(fā)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(fā)送，即每個節(jié)點安排1個微時隙。

2.2 協議簡述

首先，每個節(jié)點會周期性2跳廣播自己節(jié)點的時隙分配表；這樣，本地節(jié)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)送一個QRep(…，PATH)應答報文，它是沿著PATH的反轉路徑單播發(fā)送的。QRep返回的過程中，路徑上的節(jié)點直接預留時隙資源。由于節(jié)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(fā)起建鏈請求，直到鏈路不可用。轉發(fā)數據業(yè)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(fā)送。

2.3 數據結構

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

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

（3） H_x［1...n，1...n］：節(jié)點x記錄的跳數矩陣，它記錄節(jié)點x的二跳鄰居節(jié)點間的關系。H_x［i，j］=1表示節(jié)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(qū)別其他預留請求；b為要預留的帶寬；x為當前轉發(fā)QReq的節(jié)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(jié)點，所以h₁，h₂，…，h_k，x代表當前的路徑。l_i代表的是h_i節(jié)點到h_i+1節(jié)點的需要預留的發(fā)送時隙集合，而l_k表示的是h_k節(jié)點到x節(jié)點時被預留的發(fā)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(jié)點。l_i ′代表的是當前節(jié)點到下一跳h_i ′可以預留的發(fā)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(fā)節(jié)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(jié)點y收到節(jié)點x發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)送Qreq］

if(NH_tmp!=φ)

PATH=PATH_tmp

NH=NH_tmp

BroadCast Qreq(....，y，PATH，NH)

初始節(jié)點發(fā)送Qreq，PATH集合為空，NH為選擇的下一跳集合。

目的節(jié)點收到Qreq后，如果可以預留時隙，那么把上一跳節(jié)點加入PATH，并沿途反向單播發(fā)送Qreq到初始節(jié)點，同時沿途返回節(jié)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(fā)送到節(jié)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(jié)點使用；

（2）t時隙未被X節(jié)點的一跳鄰居使用為接收時隙；

（3）t時隙未被Y節(jié)點的一跳鄰居使用為發(fā)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(jié)點組成的自組網，時間模型采用3.1節(jié)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(yè)務流需要帶寬可能為3種QoS選擇：預留1，2或4個時隙；節(jié)點移動使用文獻9提供的模型，移動速度為0～14 m/s；節(jié)點的無線覆蓋范圍設定為10 km；新業(yè)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(yè)務流隨機在32個節(jié)點中選擇，持續(xù)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??；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

［1］Tanenbaum A.Computer Network\\.4th Edition.NewJersey，Prenticfe Hall PTR，2003.

［2］Braden R，Clark D，Shenker S.Integrated Services in the Internet Architecture:An Overview\\.http://www.ietf.org/rfc/Rfc1633.txt.

［3］Blake S.An Architecture for Differentiated Services\\.http://www.ietf.org/rfc/rfc2475.txt.

［4］Hardy W.QoS:Measurement and Evaluation of Telecommunications Quality of Service\\.Wiley，2001.

［5］Broch J，Johnson D B，Maltz D A.The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks.Internet Draft，1998.

［6］Broch J，Maltz D A，Johnson D B，et al.A Performance Comparison of MultiHop Wireless Ad Hoc Network Routing Protocols.Proceedings of ACM/IEEE OBICOM′98，Dallas，TX，1998:8597.

［7］Nikaein N，Bonnet C.A Glance at Quality of Service Models in Mobile Ad Hoc Networks\\.Proc.of DNAC 2002: 16th Conference of New Architectures for Communications，Paris，France，2002.

［8］Liao W H，Tseng Y C，Shih K P.A TDMA-based Bandwidth Reservation Protocol for QoS Routing in a Wireless Mobile Ad Hoc Network\\.Communications，ICC 2002.IEEE International Conference on，2002，5:3 1863 190.

［9］Camp T，Boleng J，Davies V.Mobility Models for Ad Hoc Network Simulations.Wireless Communication and Mobile Computing (WCMC):Special Issue on Mobile Ad Hoc Networking:Research，Trends and Applications，2002.

［10］Perkins E，Royer E，Das R.Ad Hoc on Demand Distance Vector (AODV)Routing.IETF Internet Draft.draft-ietf-manet-aodv-13.txt.

［11］OPNET modeler on line document，Product Documentation．OPNET Technologies，Inc，2000.

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。