战术Ad Hoc网络中的QoS路由协议设计与仿真

王彦刚,吕遵明,万留进

(总参第六十三研究所,南京 210007)

1 引 言

战术Ad Hoc网络是Ad Hoc技术在军事上的一种应用,能够保证在任意的作战环境下快速地搭建起互联互通的网络,是战役战术级部队机动作战的信息基础设施。随着现代战争对信息化依赖不断加深,业务种类已经由单一的话音业务拓展到以话音、数据以及部分实时多媒体业务(如预警侦察部队所得到的敌方兵力调动、武器配置及阵地分布等画面和视频)为主,而且一部分数据业务和实时多媒体业务都需要在误码率、时延和带宽等方面有一定的QoS保证,尤其是带宽的保证。由于Ad Hoc网络具有带宽窄、拓扑易变等特点,大都只提供无连接的best-effort服务,很难满足一些业务的需求,但是战术Ad Hoc网络的节点大都按照建制协同行动,节点之间相对密集且具有组移动特性(Group Mobility),拓扑结构在大多数时间内变化很小,因此在战术Ad Hoc网络中通过资源预约的方式建立一条专用资源的QoS路径是有意义的。

目前,国内外对Ad Hoc网络的QoS路由协议和QoS信令都有大量的研究。其中,QoS路由协议大都是通用型的[1-6],并不针对具体的MAC机制,只是假设MAC协议具有本地可用带宽估计、时延估计和资源预留等功能,这限定了这些协议的实用性,但将一个通用型的QoS路由协议和一种具有资源预留功能的MAC协议进行简单的叠加也势必会带来冗余。为了克服这个问题,一部分QoS路由协议也考虑了MAC层的资源管理问题,例如:C.R.Lin等人[7,8]提出的基于TDMA的QoS路由协议较以往协议无论是在资源预约还是在资源管理方面都有很大的改进,但是它们都依赖控制小时隙,这些控制小时隙需要占用一定的带宽,只有将控制时隙长度划分得尽量小才有实际意义,但在工程实现过程中,时隙同步等问题导致很难将时隙划分得很小,这也就限制了这类协议的实用性;Yuh-Shyan.Chen等人[9,10]提出了TDMA和CDMA相结合的多址技术即在TDMA之上叠加CDMA,网络中不同节点使用不同的正交码,相邻节点可以在相同的时隙发送数据,不存在隐终端问题,其带宽的估计和时隙预留算法相对简单,但其代价是需要在TDMA之上叠加复杂的CDMA机制,总体来说效率不高。除了QoS路由协议之外,一些QoS信令也被提出,例如EDRSVP[11]和INSIGNIA[12]。EDRSVP是一种带外信令,为了克服Ad Hoc网络中的暴露终端和隐终端问题,每个节点周期性地向两跳邻居广播自己时隙的使用情况,当QoS路由建立成功后,源节点和目的节点之间通过周期性地发送PATH和RESV消息的方式保持QoS路由的有效性,当节点超时收不到PATH或RESV消息则释放预留的资源。由于EDRSVP的时隙通告和QoS路由维护消息的开销较大且这些消息的可靠性直接影响EDRSVP的效率,因此随着网络负载增大或QoS路由增多,EDRSVP的效率会大幅度下降。INSIGNIA是一种带内信令,它利用IP包的IP选项字段携带信令消息,源节点发送带有信令消息的IP包,中间节点收到这种IP包后,在可用资源满足要求的情况下进行预留资源,当IP包到达目的节点时,这条QoS链路就建立起来了,目的节点周期性地发给源节点QoS报告,通知源节点业务流路径上的可用资源的变化情况,以便源节点对数据发送速率作自适应的调节。基于INSIGNIA扩展的信令还有ASAP[13]和INORA[14],带内信令将信令消息放在数据的IP报头中,能避免信令消息与数据报文竞争无线信道。但INSIGNIA只是网络层的信令并没有MAC层的资源管理功能,不能直接用于Ad Hoc网络的端到端资源预约。

综上所述,目前的QoS路由协议和QoS信令很难直接用于战术Ad Hoc网络,原因大都是出现在MAC层的资源管理方面。MAC层的资源管理是实现数据可靠传输的前提,因此本文首先提出一种基于TDMA的资源预约及管理方式,然后依托反应式路由协议设计了一种具有QoS保证的路由协议。文章第2节对协议设计做了详细描述,第3节对协议进行了性能仿真分析并得出结论,最后是全文总结。

2 本文设计的QoS路由协议

由于TDMA信道接入机制具有带宽划分灵活、抗干扰性能好等特点,目前,大多数无线战术互联网中都采用TDMA的信道接入机制,例如美军的EPLRS(Enhanced Position Locate Radio System)系统。因此,本文的QoS协议也是基于TDMA的信道接入机制进行设计的。

2.1 资源预约方式

为了灵活和高效地使用有限的时隙资源,将时隙动态地划分为专有时隙和竞争时隙,即时隙被预约的时候为专有时隙,只能由预约的节点使用;没有被预约的时候为竞争时隙,被网络中的所有节点竞争使用。预约时隙原则为:本节点未预约且没有邻居预约为发送的时隙可预约为接收时隙;本节点未预约且没有邻居预约为接收的时隙可预约为发送时隙;其它情况的时隙为不可预约时隙。

本文借鉴现有研究成果[15]提出一种协商式的资源预约机制,具体如图1所示。

图1 时隙预约过程Fig.1 Process of reserving time slots

(1)节点M1将自己可以预约为发送的时隙和将要预约的时隙数量通过REQ信令通告给节点M2,然后等待节点M2的RESV信令,超时收不到RESV信令则重传REQ信令。当重传次数过多则认为和节点M2之间无法预约指定数量的时隙。

(2)节点M2收到REQ信令后,按照预约时隙数量的要求从节点M1提供的时隙中选择出本节点可预约为接收的时隙进行预约,然后通过RESV信令将预约时隙通告给节点M1,等待节点M1发送的QoS报文,如果超时收不到QoS报文,则释放预约时隙。另外,如果本节点可预约为接收时隙的数量不满足预约要求则将REQ信令丢弃。

(3)节点M1收到节点M2的RESV信令后,从中提取协商出的时隙进行预约,然后节点M1就可以将具有QoS“标记”的报文在预约时隙发送出去。

根据前面定义的预约时隙原则,网络节点必须知道周围邻居节点的时隙使用情况,这可以通过侦听的方式实现。如图1,邻居M4侦听到M2发送的RESV信令时,就可以知道节点M2预约了哪些时隙为接收时隙,避开在这些时隙发送报文;邻居M3侦听到带有QoS标记的报文就会知道该时隙被预约为发送时隙,避开在这些时隙接收报文。通过侦听方式获得邻居使用时隙的信息,既节省了开销又保证了信息的实时性。

由于Ad Hoc网络具有拓扑动态变化、报文碰撞等特点,节点有时不会及时或者根本无法侦听到邻居节点的通告,如图2所示,节点M1和节点M2同时预约1号时隙为发送时隙,且节点M1和M2都是节点M3的邻居,则节点M3无法通过侦听的方式判断出1号时隙被预约为发送时隙,如果M3将该时隙预约为接收时隙则势必会发生冲突。因此,协商式的资源预约策略仍然可能存在预约冲突。为了克服上述的缺陷,引入以下机制:当节点M1或M2侦听到邻居节点M3的RESV信令,发现节点M3预约的接收时隙和本节点预约的发送时隙冲突,则向节点M3发送REJECT信令,通告节点M3释放预约的接收时隙,如果节点M3没有正确收到REJECT命令,它会由于超时收不到正确数据而重新预约时隙。

图2 预约时隙无法侦听的示例Fig.2 Example of no-intercepting the reserved time slots

2.2 QoS路径建立过程

上述的资源预约方式只适用节点之间的资源预约,本文对其进行了扩展,与反应式路由协议的路由发现过程相绑定(将信令REQ和路由请求消息级联在一起),实现了端到端的资源预约,具体过程如图3所示。

图3 QoS路由建立过程Fig.3 Process of setting up QoS route

(1)源节点发送REQ信令到目的节点,REQ信令中携带本节点可以预约为发送的时隙和QoS带宽的需求。当中间节点收到REQ信令后,按照QoS带宽的需求从中选择出本节点可以预约为接收的时隙进行软预约(软预约的时隙可以收/发送竞争报文,但不能预约给其它QoS路由),然后更新REQ信令,选择本节点可预约为发送的时隙放到REQ信令中,继续转发。软预约时隙超时收不到相应的RESV信令则释放。

(2)当目的节点收到REQ信令时,按照QoS带宽的需求从中选择出可以预约为接收的时隙进行硬预约(硬预约的时隙是QoS路由专有时隙,只能用于收/发QoS报文),同时将这些时隙放到RESV信令中按原路径向源节点发送。中间节点收到RESV信令后,取出本节点和下游节点之间协商的时隙进行硬预约,然后更新RESV信令,将开始阶段的软预约时隙放到RESV信令中继续向上游节点转发,同时将这些软预约时隙进行硬预约,至此,中间节点和上、下游节点之间都成功预约了时隙。当源节点收到RESV信令后,将其中的时隙进行硬预约后,QoS路由建立成功。

REQ信令到达目的节点的过程就是无冲突时隙的选择过程,当某条路径的节点收到REQ信令后发现资源不足(可预约的时隙不满足QoS带宽的需求),就将REQ信令丢弃,如图3中的节点M4。那么,REQ信令到达目的节点的路径一定是资源充足的,当有多个REQ信令到达目的节点时,目的节点选择路径较短建立Qos路由,如图3。

2.3 预约资源的维护与释放

本文采用超时处理的机制进行维护和释放预约资源,具体方式如下所述。

(1)QoS路由建立成功后,节点将报文打上QoS标记后在预约时隙发送。当邻居节点侦听到具有QoS标记的报文,则可以判断该时隙被预约为发送时隙,将避开在这些时隙接收数据。当QoS路由中的节点超时收不到QoS报文时,则认为QoS路由失效,释放为QoS路由预约的时隙,同时邻居节点超时侦听不到带有QoS标记的报文,则认为这些时隙为空闲时隙。

(2)QoS路由建成功后,目的节点周期性地向源节点发送RESV信令。由于RESV信令中包含转发节点为本条QoS路由预约的接收时隙,邻居节点侦听到RESV信令,则可以知道周围哪些时隙被预约为接收,将避开在这些时隙发送数据。当QoS路由中的节点超时收不到RESV信令后,则认为QoS路由失效,释放为QoS路由预约的时隙,同时邻居节点超时侦听不到RESV信令则认为这些时隙为空闲时隙。

2.4 QoS路由的故障处理

由于战术Ad Hoc网络中的节点大都按照建制协同行动,网络拓扑变化并不剧烈,QoS路由的故障往往是由于个别节点的移动造成的,那么在这种环境下进行局部修复损坏的QoS路径、充分利用没有失效部分的QoS路径是有意义的,既能提高QoS恢复速度又能减少信令的开销。本文QoS路由的修复机制具体过程如图4所示。

图4 链路局部修复过程Fig.4 Process of locally repairing the link failure

QoS路由节点M2和M3中断,节点M2和节点M1超时T1收不到节点M3转发的RESV信令释放了为QoS路由预约的时隙,源节点M1停止发送QoS报文并且进行重新建立QoS路由,当节点M3收到REQ信令后,发现本节点已经为该QoS路由预约了时隙,说明这个QoS路由在上游发生故障了,正在修复中。节点M3释放和原来上游节点M2之间预约的时隙,根据REQ信令重新和上游节点预约时隙,然后返回RESV信令,不再继续转发REQ信令。节点M3超时T2收不到QoS报文则释放为QoS路由预约的时隙,在这里T2必须大于T1,防止节点M3在信令REQ到达前释放为QoS路由预约的时隙,也即要给QoS路由修复留出一定的时间。

3 仿真及性能分析

为了研究上述QoS路由协议性能,本文采用GlomoSim仿真软件对该协议和EDRSVP进行了仿真和对比,之所以选择与EDRSVP对比是因为它们都基于普通的TMDA信道接入机制,而且都包含MAC层的资源管理机制。

3.1 网络模型设置

节点数量为32个,随机分布在40km×40km范围之内;节点传播覆盖半径是15km;节点随机移动速度为40km/h;网络层为DSR路由协议;MAC层协议为TDMA,时隙大小为32ms,一个时帧包含32个时隙;物理层的信道带宽设为256 kbit/s;载频设为340MHz;信道误码率为10-3;信道采用自由空间衰减模型;仿真时间为60 min;QoS报文采用间隔为1.5 s的CBR数据流;由于在战术网中的QoS业务并不多,更多的是态势感知业务,因此假设网络中有5条持续时间为15 min的QoS业务,QoS路由的源、目的节点和开始时间随机选取;态势感知业务具有周期期性特点,采用间隔为5 s的CBR数据流,源节点和目的节点随机选取,开始时间为仿真开始时间,结束数时间为仿真结束时间,态势感知报文在竞争时隙随机转发。

3.2 性能分析

本文在不同的网络负载下对协议的QoS路由建立时间、开销和报文转发率进行了统计。网络负载指仿真期间内向网络中灌入的报文数量即QoS报文和态势感知报文的数量总和。在仿真过程中,QoS报文数量不变,通过改变态势感知报文数量的方法达到改变网络负载的效果。

图5为QoS路由建立时间的仿真曲线图。QoS路由建立时间指从源节点发送预约请求到收到目的节点应答信令之间的这段时间。由图5可以看到,随着网络负载的增大,QoS路由的建立时间增长,这是因为网络负载增大导致信令碰撞概率增大,信令超时重传造成的。从图5可以看出,本文设计的协议在QoS路由建立时间方面明显优于EDRSVP。这是因为本文设计的协议和DSR路由协议进行了绑定,在寻找路由的过程中完成了资源预约,而 EDRSVP的资源预约方式决定了它不能和其它路由协议绑定,必须首先寻找路由,然后再沿着路由进行预约资源。

图5 QoS路由建立时间Fig.5 The time of setting up QoS route

图6为建立QoS路由开销的仿真曲线图。QoS路由开销指与建立QoS路由有关的报文,例如信令消息、时隙通告消息等。由图6可以看到,本文设计的协议开销远低于EDRSVP,原因有3点:一是本文设计的协议采用协商式的资源预约方式,每个节点只需知道自己一跳邻居的时隙占用情况,且通过侦听的方式完成时隙通告,而EDRSVP采用的资源预约方式要求每个节点知道其一跳和两跳邻居的时隙占用情况,节点必须周期性地向两跳邻居广播自己时隙的占用情况;二是本文的QoS路由信令能够和DSR路由协议邦定,而EDRSVP完全独立于路由协议;三是QoS路由建立成功后,为了保持QoS路由的有效性,本文设计的协议只需目的节点周期性地沿QoS路径向源节点发送维护信令,而EDRSVP则需要源节点和目的节点之间相互发送维护信令。另外,从图6可以看出,随着网络负载增大,EDRSVP的开销迅速减小,这是因为随着网络负载增大,每个节点周期性地向两跳范围内邻居节点广播的时隙通告报文的碰撞概率会增大,那么就会有一部分一跳邻居节点收不到时隙通告报文,就不会继续向两跳邻居节点广播,因此统计的开销就会减小,这会导致节点获取时隙信息的准确程度迅速下降,产生“隐终端”问题。而本文的QoS路由协议采用侦听方式获得邻居节点使用时隙情况,因此,随着网络负载的增大,统计的开销基本不变。

图6 建立QoS路由的开销Fig.6 The overload of setting up QoS route

图7为建立QoS报文转发成功率的仿真曲线图。从图7可以看到,QoS报文转发率随着网络负载的增大而下降,这是因为:随着网络负载增大,时隙通告消息的碰撞概率会增大,节点预约的时隙不能够及时可靠地通告给邻居节点,邻居节点依然使用这些时隙,造成“隐终端”现象。在使用本协议的网络中,节点通过侦听的方式获取邻居节点使用时隙的情况,因此节点获取时隙信息的准确程度不会随着网络负载的增大迅速下降,相比之下,EDRSVP采用广播的方式进行时隙通告,随着网络负载的增大时隙通告报文碰撞概率就会增大,其节点获取时隙信息的准确程度会迅速下降。因此,本文协议预约的时隙比EDRSVP更加准确,报文转发成功率也就更高一些。

图7 QoS报文转发成功率Fig.7 The rate of successfully transmitting QoS packet

4 总 结

本文以战术Ad Hoc网络应用为背景,设计了一种分布式的QoS协议,该协议不仅具有建立QoS路由的功能,而且具有MAC层资源预约及管理机制,实现了MAC层和网络层的较好结合,实用性较强,从仿真结果也可看出该协议比现有典型协议开销小、可靠性高,因此该协议能够有效提高战术Ad Hoc网络的QoS保障能力。但从仿真结果也可看出,随着网络负载增大,数据转发成功率会迅速下降,这主要是由于预约的时隙向邻居节点通告不及时造成的,下一步的工作可以针对预约资源的通告方式进行深入研究,进一步完善该协议。

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