王彥剛,呂遵明,萬留進

(總參第六十三研究所,南京 210007)

1 引 言

戰(zhàn)術(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是Ad Hoc技術(shù)在軍事上的一種應(yīng)用,能夠保證在任意的作戰(zhàn)環(huán)境下快速地搭建起互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò),是戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)級部隊機動作戰(zhàn)的信息基礎(chǔ)設(shè)施。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對信息化依賴不斷加深,業(yè)務(wù)種類已經(jīng)由單一的話音業(yè)務(wù)拓展到以話音、數(shù)據(jù)以及部分實時多媒體業(yè)務(wù)(如預(yù)警偵察部隊所得到的敵方兵力調(diào)動、武器配置及陣地分布等畫面和視頻)為主,而且一部分數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和實時多媒體業(yè)務(wù)都需要在誤碼率、時延和帶寬等方面有一定的QoS保證,尤其是帶寬的保證。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有帶寬窄、拓撲易變等特點,大都只提供無連接的best-effort服務(wù),很難滿足一些業(yè)務(wù)的需求,但是戰(zhàn)術(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點大都按照建制協(xié)同行動,節(jié)點之間相對密集且具有組移動特性(Group Mobility),拓撲結(jié)構(gòu)在大多數(shù)時間內(nèi)變化很小,因此在戰(zhàn)術(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中通過資源預(yù)約的方式建立一條專用資源的QoS路徑是有意義的。

目前,國內(nèi)外對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS路由協(xié)議和QoS信令都有大量的研究。其中,QoS路由協(xié)議大都是通用型的[1-6],并不針對具體的MAC機制,只是假設(shè)MAC協(xié)議具有本地可用帶寬估計、時延估計和資源預(yù)留等功能,這限定了這些協(xié)議的實用性,但將一個通用型的QoS路由協(xié)議和一種具有資源預(yù)留功能的MAC協(xié)議進行簡單的疊加也勢必會帶來冗余。為了克服這個問題,一部分QoS路由協(xié)議也考慮了MAC層的資源管理問題,例如:C.R.Lin等人[7,8]提出的基于TDMA的QoS路由協(xié)議較以往協(xié)議無論是在資源預(yù)約還是在資源管理方面都有很大的改進,但是它們都依賴控制小時隙,這些控制小時隙需要占用一定的帶寬,只有將控制時隙長度劃分得盡量小才有實際意義,但在工程實現(xiàn)過程中,時隙同步等問題導(dǎo)致很難將時隙劃分得很小,這也就限制了這類協(xié)議的實用性;Yuh-Shyan.Chen等人[9,10]提出了TDMA和CDMA相結(jié)合的多址技術(shù)即在TDMA之上疊加CDMA,網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點使用不同的正交碼,相鄰節(jié)點可以在相同的時隙發(fā)送數(shù)據(jù),不存在隱終端問題,其帶寬的估計和時隙預(yù)留算法相對簡單,但其代價是需要在TDMA之上疊加復(fù)雜的CDMA機制,總體來說效率不高。除了QoS路由協(xié)議之外,一些QoS信令也被提出,例如EDRSVP[11]和INSIGNIA[12]。EDRSVP是一種帶外信令,為了克服Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的暴露終端和隱終端問題,每個節(jié)點周期性地向兩跳鄰居廣播自己時隙的使用情況,當(dāng)QoS路由建立成功后,源節(jié)點和目的節(jié)點之間通過周期性地發(fā)送PATH和RESV消息的方式保持QoS路由的有效性,當(dāng)節(jié)點超時收不到PATH或RESV消息則釋放預(yù)留的資源。由于EDRSVP的時隙通告和QoS路由維護消息的開銷較大且這些消息的可靠性直接影響EDRSVP的效率,因此隨著網(wǎng)絡(luò)負載增大或QoS路由增多,EDRSVP的效率會大幅度下降。INSIGNIA是一種帶內(nèi)信令,它利用IP包的IP選項字段攜帶信令消息,源節(jié)點發(fā)送帶有信令消息的IP包,中間節(jié)點收到這種IP包后,在可用資源滿足要求的情況下進行預(yù)留資源,當(dāng)IP包到達目的節(jié)點時,這條QoS鏈路就建立起來了,目的節(jié)點周期性地發(fā)給源節(jié)點QoS報告,通知源節(jié)點業(yè)務(wù)流路徑上的可用資源的變化情況,以便源節(jié)點對數(shù)據(jù)發(fā)送速率作自適應(yīng)的調(diào)節(jié)?；贗NSIGNIA擴展的信令還有ASAP[13]和INORA[14],帶內(nèi)信令將信令消息放在數(shù)據(jù)的IP報頭中,能避免信令消息與數(shù)據(jù)報文競爭無線信道。但INSIGNIA只是網(wǎng)絡(luò)層的信令并沒有MAC層的資源管理功能,不能直接用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的端到端資源預(yù)約。

綜上所述,目前的QoS路由協(xié)議和QoS信令很難直接用于戰(zhàn)術(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),原因大都是出現(xiàn)在MAC層的資源管理方面。MAC層的資源管理是實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)那疤?因此本文首先提出一種基于TDMA的資源預(yù)約及管理方式,然后依托反應(yīng)式路由協(xié)議設(shè)計了一種具有QoS保證的路由協(xié)議。文章第2節(jié)對協(xié)議設(shè)計做了詳細描述,第3節(jié)對協(xié)議進行了性能仿真分析并得出結(jié)論,最后是全文總結(jié)。

2 本文設(shè)計的QoS路由協(xié)議

由于TDMA信道接入機制具有帶寬劃分靈活、抗干擾性能好等特點,目前,大多數(shù)無線戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中都采用TDMA的信道接入機制,例如美軍的EPLRS(Enhanced Position Locate Radio System)系統(tǒng)。因此,本文的QoS協(xié)議也是基于TDMA的信道接入機制進行設(shè)計的。

2.1 資源預(yù)約方式

為了靈活和高效地使用有限的時隙資源,將時隙動態(tài)地劃分為專有時隙和競爭時隙,即時隙被預(yù)約的時候為專有時隙,只能由預(yù)約的節(jié)點使用;沒有被預(yù)約的時候為競爭時隙,被網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點競爭使用。預(yù)約時隙原則為:本節(jié)點未預(yù)約且沒有鄰居預(yù)約為發(fā)送的時隙可預(yù)約為接收時隙;本節(jié)點未預(yù)約且沒有鄰居預(yù)約為接收的時隙可預(yù)約為發(fā)送時隙;其它情況的時隙為不可預(yù)約時隙。

本文借鑒現(xiàn)有研究成果[15]提出一種協(xié)商式的資源預(yù)約機制,具體如圖1所示。

圖1 時隙預(yù)約過程Fig.1 Process of reserving time slots

(1)節(jié)點M1將自己可以預(yù)約為發(fā)送的時隙和將要預(yù)約的時隙數(shù)量通過REQ信令通告給節(jié)點M2,然后等待節(jié)點M2的RESV信令,超時收不到RESV信令則重傳REQ信令。當(dāng)重傳次數(shù)過多則認為和節(jié)點M2之間無法預(yù)約指定數(shù)量的時隙。

(2)節(jié)點M2收到REQ信令后,按照預(yù)約時隙數(shù)量的要求從節(jié)點M1提供的時隙中選擇出本節(jié)點可預(yù)約為接收的時隙進行預(yù)約,然后通過RESV信令將預(yù)約時隙通告給節(jié)點M1,等待節(jié)點M1發(fā)送的QoS報文,如果超時收不到QoS報文,則釋放預(yù)約時隙。另外,如果本節(jié)點可預(yù)約為接收時隙的數(shù)量不滿足預(yù)約要求則將REQ信令丟棄。

(3)節(jié)點M1收到節(jié)點M2的RESV信令后,從中提取協(xié)商出的時隙進行預(yù)約,然后節(jié)點M1就可以將具有QoS“標(biāo)記”的報文在預(yù)約時隙發(fā)送出去。

根據(jù)前面定義的預(yù)約時隙原則,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須知道周圍鄰居節(jié)點的時隙使用情況,這可以通過偵聽的方式實現(xiàn)。如圖1,鄰居M4偵聽到M2發(fā)送的RESV信令時,就可以知道節(jié)點M2預(yù)約了哪些時隙為接收時隙,避開在這些時隙發(fā)送報文;鄰居M3偵聽到帶有QoS標(biāo)記的報文就會知道該時隙被預(yù)約為發(fā)送時隙,避開在這些時隙接收報文。通過偵聽方式獲得鄰居使用時隙的信息,既節(jié)省了開銷又保證了信息的實時性。

由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有拓撲動態(tài)變化、報文碰撞等特點,節(jié)點有時不會及時或者根本無法偵聽到鄰居節(jié)點的通告,如圖2所示,節(jié)點M1和節(jié)點M2同時預(yù)約1號時隙為發(fā)送時隙,且節(jié)點M1和M2都是節(jié)點M3的鄰居,則節(jié)點M3無法通過偵聽的方式判斷出1號時隙被預(yù)約為發(fā)送時隙,如果M3將該時隙預(yù)約為接收時隙則勢必會發(fā)生沖突。因此,協(xié)商式的資源預(yù)約策略仍然可能存在預(yù)約沖突。為了克服上述的缺陷,引入以下機制:當(dāng)節(jié)點M1或M2偵聽到鄰居節(jié)點M3的RESV信令,發(fā)現(xiàn)節(jié)點M3預(yù)約的接收時隙和本節(jié)點預(yù)約的發(fā)送時隙沖突,則向節(jié)點M3發(fā)送REJECT信令,通告節(jié)點M3釋放預(yù)約的接收時隙,如果節(jié)點M3沒有正確收到REJECT命令,它會由于超時收不到正確數(shù)據(jù)而重新預(yù)約時隙。

圖2 預(yù)約時隙無法偵聽的示例Fig.2 Example of no-intercepting the reserved time slots

2.2 QoS路徑建立過程

上述的資源預(yù)約方式只適用節(jié)點之間的資源預(yù)約,本文對其進行了擴展,與反應(yīng)式路由協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程相綁定(將信令REQ和路由請求消息級聯(lián)在一起),實現(xiàn)了端到端的資源預(yù)約,具體過程如圖3所示。

圖3 QoS路由建立過程Fig.3 Process of setting up QoS route

(1)源節(jié)點發(fā)送REQ信令到目的節(jié)點,REQ信令中攜帶本節(jié)點可以預(yù)約為發(fā)送的時隙和QoS帶寬的需求。當(dāng)中間節(jié)點收到REQ信令后,按照QoS帶寬的需求從中選擇出本節(jié)點可以預(yù)約為接收的時隙進行軟預(yù)約(軟預(yù)約的時隙可以收/發(fā)送競爭報文,但不能預(yù)約給其它QoS路由),然后更新REQ信令,選擇本節(jié)點可預(yù)約為發(fā)送的時隙放到REQ信令中,繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。軟預(yù)約時隙超時收不到相應(yīng)的RESV信令則釋放。

(2)當(dāng)目的節(jié)點收到REQ信令時,按照QoS帶寬的需求從中選擇出可以預(yù)約為接收的時隙進行硬預(yù)約(硬預(yù)約的時隙是QoS路由專有時隙,只能用于收/發(fā)QoS報文),同時將這些時隙放到RESV信令中按原路徑向源節(jié)點發(fā)送。中間節(jié)點收到RESV信令后,取出本節(jié)點和下游節(jié)點之間協(xié)商的時隙進行硬預(yù)約,然后更新RESV信令,將開始階段的軟預(yù)約時隙放到RESV信令中繼續(xù)向上游節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā),同時將這些軟預(yù)約時隙進行硬預(yù)約,至此,中間節(jié)點和上、下游節(jié)點之間都成功預(yù)約了時隙。當(dāng)源節(jié)點收到RESV信令后,將其中的時隙進行硬預(yù)約后,QoS路由建立成功。

REQ信令到達目的節(jié)點的過程就是無沖突時隙的選擇過程,當(dāng)某條路徑的節(jié)點收到REQ信令后發(fā)現(xiàn)資源不足(可預(yù)約的時隙不滿足QoS帶寬的需求),就將REQ信令丟棄,如圖3中的節(jié)點M4。那么,REQ信令到達目的節(jié)點的路徑一定是資源充足的,當(dāng)有多個REQ信令到達目的節(jié)點時,目的節(jié)點選擇路徑較短建立Qos路由,如圖3。

2.3 預(yù)約資源的維護與釋放

本文采用超時處理的機制進行維護和釋放預(yù)約資源,具體方式如下所述。

(1)QoS路由建立成功后,節(jié)點將報文打上QoS標(biāo)記后在預(yù)約時隙發(fā)送。當(dāng)鄰居節(jié)點偵聽到具有QoS標(biāo)記的報文,則可以判斷該時隙被預(yù)約為發(fā)送時隙,將避開在這些時隙接收數(shù)據(jù)。當(dāng)QoS路由中的節(jié)點超時收不到QoS報文時,則認為QoS路由失效,釋放為QoS路由預(yù)約的時隙,同時鄰居節(jié)點超時偵聽不到帶有QoS標(biāo)記的報文,則認為這些時隙為空閑時隙。

(2)QoS路由建成功后,目的節(jié)點周期性地向源節(jié)點發(fā)送RESV信令。由于RESV信令中包含轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點為本條QoS路由預(yù)約的接收時隙,鄰居節(jié)點偵聽到RESV信令,則可以知道周圍哪些時隙被預(yù)約為接收,將避開在這些時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)QoS路由中的節(jié)點超時收不到RESV信令后,則認為QoS路由失效,釋放為QoS路由預(yù)約的時隙,同時鄰居節(jié)點超時偵聽不到RESV信令則認為這些時隙為空閑時隙。

2.4 QoS路由的故障處理

由于戰(zhàn)術(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點大都按照建制協(xié)同行動,網(wǎng)絡(luò)拓撲變化并不劇烈,QoS路由的故障往往是由于個別節(jié)點的移動造成的,那么在這種環(huán)境下進行局部修復(fù)損壞的QoS路徑、充分利用沒有失效部分的QoS路徑是有意義的,既能提高QoS恢復(fù)速度又能減少信令的開銷。本文QoS路由的修復(fù)機制具體過程如圖4所示。

圖4 鏈路局部修復(fù)過程Fig.4 Process of locally repairing the link failure

QoS路由節(jié)點M2和M3中斷,節(jié)點M2和節(jié)點M1超時T1收不到節(jié)點M3轉(zhuǎn)發(fā)的RESV信令釋放了為QoS路由預(yù)約的時隙,源節(jié)點M1停止發(fā)送QoS報文并且進行重新建立QoS路由,當(dāng)節(jié)點M3收到REQ信令后,發(fā)現(xiàn)本節(jié)點已經(jīng)為該QoS路由預(yù)約了時隙,說明這個QoS路由在上游發(fā)生故障了,正在修復(fù)中。節(jié)點M3釋放和原來上游節(jié)點M2之間預(yù)約的時隙,根據(jù)REQ信令重新和上游節(jié)點預(yù)約時隙,然后返回RESV信令,不再繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)REQ信令。節(jié)點M3超時T2收不到QoS報文則釋放為QoS路由預(yù)約的時隙,在這里T2必須大于T1,防止節(jié)點M3在信令REQ到達前釋放為QoS路由預(yù)約的時隙,也即要給QoS路由修復(fù)留出一定的時間。

3 仿真及性能分析

為了研究上述QoS路由協(xié)議性能,本文采用GlomoSim仿真軟件對該協(xié)議和EDRSVP進行了仿真和對比,之所以選擇與EDRSVP對比是因為它們都基于普通的TMDA信道接入機制,而且都包含MAC層的資源管理機制。

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)置

節(jié)點數(shù)量為32個,隨機分布在40km×40km范圍之內(nèi);節(jié)點傳播覆蓋半徑是15km;節(jié)點隨機移動速度為40km/h;網(wǎng)絡(luò)層為DSR路由協(xié)議;MAC層協(xié)議為TDMA,時隙大小為32ms,一個時幀包含32個時隙;物理層的信道帶寬設(shè)為256 kbit/s;載頻設(shè)為340MHz;信道誤碼率為10-3;信道采用自由空間衰減模型;仿真時間為60 min;QoS報文采用間隔為1.5 s的CBR數(shù)據(jù)流;由于在戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)中的QoS業(yè)務(wù)并不多,更多的是態(tài)勢感知業(yè)務(wù),因此假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有5條持續(xù)時間為15 min的QoS業(yè)務(wù),QoS路由的源、目的節(jié)點和開始時間隨機選取;態(tài)勢感知業(yè)務(wù)具有周期期性特點,采用間隔為5 s的CBR數(shù)據(jù)流,源節(jié)點和目的節(jié)點隨機選取,開始時間為仿真開始時間,結(jié)束數(shù)時間為仿真結(jié)束時間,態(tài)勢感知報文在競爭時隙隨機轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 性能分析

本文在不同的網(wǎng)絡(luò)負載下對協(xié)議的QoS路由建立時間、開銷和報文轉(zhuǎn)發(fā)率進行了統(tǒng)計。網(wǎng)絡(luò)負載指仿真期間內(nèi)向網(wǎng)絡(luò)中灌入的報文數(shù)量即QoS報文和態(tài)勢感知報文的數(shù)量總和。在仿真過程中,QoS報文數(shù)量不變,通過改變態(tài)勢感知報文數(shù)量的方法達到改變網(wǎng)絡(luò)負載的效果。

圖5為QoS路由建立時間的仿真曲線圖。QoS路由建立時間指從源節(jié)點發(fā)送預(yù)約請求到收到目的節(jié)點應(yīng)答信令之間的這段時間。由圖5可以看到,隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增大,QoS路由的建立時間增長,這是因為網(wǎng)絡(luò)負載增大導(dǎo)致信令碰撞概率增大,信令超時重傳造成的。從圖5可以看出,本文設(shè)計的協(xié)議在QoS路由建立時間方面明顯優(yōu)于EDRSVP。這是因為本文設(shè)計的協(xié)議和DSR路由協(xié)議進行了綁定,在尋找路由的過程中完成了資源預(yù)約,而 EDRSVP的資源預(yù)約方式?jīng)Q定了它不能和其它路由協(xié)議綁定,必須首先尋找路由,然后再沿著路由進行預(yù)約資源。

圖5 QoS路由建立時間Fig.5 The time of setting up QoS route

圖6為建立QoS路由開銷的仿真曲線圖。QoS路由開銷指與建立QoS路由有關(guān)的報文,例如信令消息、時隙通告消息等。由圖6可以看到,本文設(shè)計的協(xié)議開銷遠低于EDRSVP,原因有3點:一是本文設(shè)計的協(xié)議采用協(xié)商式的資源預(yù)約方式,每個節(jié)點只需知道自己一跳鄰居的時隙占用情況,且通過偵聽的方式完成時隙通告,而EDRSVP采用的資源預(yù)約方式要求每個節(jié)點知道其一跳和兩跳鄰居的時隙占用情況,節(jié)點必須周期性地向兩跳鄰居廣播自己時隙的占用情況;二是本文的QoS路由信令能夠和DSR路由協(xié)議邦定,而EDRSVP完全獨立于路由協(xié)議;三是QoS路由建立成功后,為了保持QoS路由的有效性,本文設(shè)計的協(xié)議只需目的節(jié)點周期性地沿QoS路徑向源節(jié)點發(fā)送維護信令,而EDRSVP則需要源節(jié)點和目的節(jié)點之間相互發(fā)送維護信令。另外,從圖6可以看出,隨著網(wǎng)絡(luò)負載增大,EDRSVP的開銷迅速減小,這是因為隨著網(wǎng)絡(luò)負載增大,每個節(jié)點周期性地向兩跳范圍內(nèi)鄰居節(jié)點廣播的時隙通告報文的碰撞概率會增大,那么就會有一部分一跳鄰居節(jié)點收不到時隙通告報文,就不會繼續(xù)向兩跳鄰居節(jié)點廣播,因此統(tǒng)計的開銷就會減小,這會導(dǎo)致節(jié)點獲取時隙信息的準(zhǔn)確程度迅速下降,產(chǎn)生“隱終端”問題。而本文的QoS路由協(xié)議采用偵聽方式獲得鄰居節(jié)點使用時隙情況,因此,隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增大,統(tǒng)計的開銷基本不變。

圖6 建立QoS路由的開銷Fig.6 The overload of setting up QoS route

圖7為建立QoS報文轉(zhuǎn)發(fā)成功率的仿真曲線圖。從圖7可以看到,QoS報文轉(zhuǎn)發(fā)率隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增大而下降,這是因為:隨著網(wǎng)絡(luò)負載增大,時隙通告消息的碰撞概率會增大,節(jié)點預(yù)約的時隙不能夠及時可靠地通告給鄰居節(jié)點,鄰居節(jié)點依然使用這些時隙,造成“隱終端”現(xiàn)象。在使用本協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點通過偵聽的方式獲取鄰居節(jié)點使用時隙的情況,因此節(jié)點獲取時隙信息的準(zhǔn)確程度不會隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增大迅速下降,相比之下,EDRSVP采用廣播的方式進行時隙通告,隨著網(wǎng)絡(luò)負載的增大時隙通告報文碰撞概率就會增大,其節(jié)點獲取時隙信息的準(zhǔn)確程度會迅速下降。因此,本文協(xié)議預(yù)約的時隙比EDRSVP更加準(zhǔn)確,報文轉(zhuǎn)發(fā)成功率也就更高一些。

圖7 QoS報文轉(zhuǎn)發(fā)成功率Fig.7 The rate of successfully transmitting QoS packet

4 總 結(jié)

本文以戰(zhàn)術(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為背景,設(shè)計了一種分布式的QoS協(xié)議,該協(xié)議不僅具有建立QoS路由的功能,而且具有MAC層資源預(yù)約及管理機制,實現(xiàn)了MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的較好結(jié)合,實用性較強,從仿真結(jié)果也可看出該協(xié)議比現(xiàn)有典型協(xié)議開銷小、可靠性高,因此該協(xié)議能夠有效提高戰(zhàn)術(shù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS保障能力。但從仿真結(jié)果也可看出,隨著網(wǎng)絡(luò)負載增大,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功率會迅速下降,這主要是由于預(yù)約的時隙向鄰居節(jié)點通告不及時造成的,下一步的工作可以針對預(yù)約資源的通告方式進行深入研究,進一步完善該協(xié)議。

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