面向认知Ad Hoc网络的可靠路由技术分析

任海鹏 方继才 何晶 范宏宇 汪学文

(安徽机电职业技术学院信息工程系，安徽 芜湖 241002)

常用网络通信中，一般以路由器为中继、骨干网为传输信道、多种上网设备为终端而组成单跳传输模式网络。面对复杂多变的移动信息网络，这种网络模式适应性较差。相较于一般的网络，Ad Hoc网络的显著优势就是对数据传输模式进行了改良。单跳传输模式的弊端在于数据传输速率比较慢，并且传输质量不稳定，很容易造成数据丢失［1-2］。本次研究中对Ad Hoc网络加以改进，突破以往的单跳传输模式，通过对不同节点的控制实现高效、稳定的多跳传输。

1 认知Ad Hoc网络体系特性

在实际组网应用当中，Ad Hoc网络体系充分体现了其灵活性，但是在同时使用多个移动终端时，依然会出现频谱短缺的现象。为了解决此问题，将cognitive radio技术和Ad Hoc结合在一起，形成认知Ad Hoc模式的网络体系架构。这种架构通过对节点进行重构认知，使其能够完成自动分析和推断，从而自动进行传输频率及传输信道的转换，即最大化地自动分配以提升信息传输的效率［3］。认知 Ad Hoc网络构造的目的就是，让各个节点实现对当前网络资源的自主认知，并通过对当前网络的综合分析，判断最优解决方案，进行网络系统的重构［4］。认知Ad Hoc的特性，使其能够在终端实时移动、网络拓扑多变的情况下实现快速、稳定、高效的运作。

(1)资源限制性。虽然CRAHN体系架构能够实现高负载的传输任务，但是还需充分考虑其他物理因素。在现实环境中，CRAHN间断地对节点服务器进行空闲频谱的检测，一旦发现合适的频谱段，就会使用和分配该空闲的频谱段。这个检测过程无法避免对资源的占用和时间的耗费，因此应该尽可能地减少不必要的设备终端，以降低对频谱的占用及不同移动终端设备相互干扰的耦合性。

(2)网络结构的动态性。在认知Ad Hoc的网络结构中，由于受外部环境的影响，网络结构随着环境的改变而改变。当各个设备位置和距离不断变换时，移动终端与设备之间的信号强度和连接质量也在随之发生着变化，这些都会导致整个网络结构的改变。Ad Hoc网络能够充分适应这种多变的网络结构，实现快速反应和信息更新。

(3)多跳性。传统网络连接模式中通常采用是单跳模式。单跳模式目前已不能适应多变的网络，而且在复杂环境下的传输效率不易得到保障，一旦某个环节出现问题，整个网络就可能瘫痪。认知Ad Hoc网络体系充分解决了这些问题，其中每个节点既能当作路由器来使用，又可以看作独立的终端，数据可以通过多个节点进行传输，即使某个节点出现问题，也可以动态地进行网络架构的重组。

2 认知Ad Hoc网络可靠路由技术

2.1 前期研究工作

认知路由协议其实是通过对频谱空闲资源的识别，以及系统对空闲资源的智能分配，来实现资源的充分利用和传输的可靠连接［5-6］。这就要求系统具有充分的灵活性和可变性，可以在分配资源时进行不同路径的选择和分析。在选择路径时，还应考虑协议的鲁棒性，若其中某个节点出现了问题，数据仍可以通过第二路径进行传输，避免了数据丢失和堵塞［7-8］。同时，为了提升路由协议的可靠性，应避免采用单一的连接模式。此外，不同节点之间应该采用链路的方式进行数据连接，以适应多变的路由环境。

2.2 QDSR协议改进

QDSR协议虽然能够保证各个节点拥有充足的频谱资源的利用，但是在应对同一时刻大流量的请求时仍有困难，带宽分配可能出现阻塞。解决此问题有2种方案:一是对各个节点进行动态的监控和分配;二是通过内存缓冲去优化多跳传输方式。

(1)对各个节点进行动态监控和分配。在进行数据传输过程中，各终端首先应对其数据包进行验证。当数据包长度超过限制时，应该考虑该数据包是否能够正常地发送到目的地址，以及较大数据包放到网络中引起网络阻塞的可能性。在判断数据包大小的时候，若该数据包小于设定上限，则允许进行数据传输;若数据包大于所设定上限，应该对此数据包进行一定比例的分割，然后再进行数据传输。图1所示为数据包动态监控过程。

图1 数据包动态监控过程

(2)通过内存缓冲去优化多跳传输方式。在高负荷数据传输过程中，一旦所有的频率空间都被占用，那么其他数据传输将被阻塞，严重时可能会导致移动终端出现断链现象。如果开链、断链频繁出现，服务器就需要不断地进行重构，重构完毕后再将数据包发送给各个客户端，以通知网络结构的变化。那么在这个过程中，移动端势必会占用大量的系统资源和传输管道资源，可通过内存缓冲技术来有效改善此现象。内存缓冲技术的原理是，传输过来的数据包通过时间戳进行排序，依次存放到服务器的一小块缓存中，当服务器无法处理过多的请求时，就会将数据包临时存放在这块缓存区域里，然后在服务器有空闲资源时依次封发出去。

2.3 改进技术的性能评价

通过与CRAHN体系的结合及QDSR协议的改进和优化，认知Ad Hoc系统具备了更强的抗毁性和更加高效的传输速率。该系统能适应更为复杂的移动网络，面对不同环境快速组织相对应的网络，还提高了频谱空间的利用率，减少了各个节点数据流的等待时间，提高了数据传输效率，降低了数据堵塞和丢失的可能性，并且在高负载的网络中能够实现动态的带宽分配。

(1)链路质量。认知Ad Hoc主要面临的外部环境具有临时性和多变性，且各个移动终端节点在变化过程中容易出现断链现象而导致数据丢失。可以通过研究各个节点的数据吞吐量和节点能量需求的关系，设计一种改进的算法。这种算法首先应保证断链后数据的质量，对不同移动终端的位置信息和能源信息进行收集整理，通过对多重数据的详细分析，从而预测出移动终端位置和系统资源消耗间的关系，并通过该关系进行后期数据的预测分析。其次在数据传输过程中，可以通过函数关系对数据传输路径的质量和能源消耗的关系进行预测，通过服务器计算出最佳的路径选择，并将该数据通过选择出来的路径信息传递出去。

在此针对数据传输过程中的质量损耗提供一种检测思路。首先添加数据报文的回传机制，数据每到达一个节点就要进行一次自我检测，然后通过数据包地址头文件中的目的地址对当前节点的地址进行匹配。如果当前节点的地址就是目的地址，那么就向源地址发送一个确认报文;如果该节点并不是所需要的地址，那么就对源地址发送数据完整性报文，进而寻找目的地址。

既然能够得到实时的数据质量信息，那么服务器就应该能够实现对数据的认知。一旦数据的完整性低于设计水平，服务器就会主动地抛弃该数据包，并通过第二数据包再次发送该数据，从而保证数据传输质量的可靠性。通过这种前期检测、后期重发的算法机制，能有效地避免数据丢失、数据不稳定等问题，从而提升Ad Hoc网络的可靠性和稳定性。

(2)改进QDSR和原DSE备用路由对比。原始的DSE备用路由并不能对应用层进行实际的控制，各个移动终端的数据流都可以无限制地传输，于是就有可能造成单一的移动终端抢占过多带宽现象的发生，从而导致其他移动终端无法进行正常传输。通过改进的QDSR协议，可以对流经各个节点的数据带宽进行控制，从而实现精确的传输。

(3)改进QDSR和原QDSR备用路由对比。通过改进的QDSR，避免了原始QDSR备用路由器的带宽控制不严格的弊端。同时，通过对数据流的缓冲延迟，提高了多跳数据传输的效率，避免了传输堵塞和传输空白。在一定意义上，减少了各个节点间数据流的交叉干扰，提高了数据的吞吐率，降低了数据传输的延迟率。

3 结语

针对QDSR协议在应对同一时刻大流量请求时不能及时应对带宽分配的问题，提出对各个节点进行动态监控分配、内存缓冲优化多跳传输方式的解决方案。通过与CRAHN体系的结合以及对QDSR协议的改进和优化，使认知Ad Hoc系统具备了更强的抗毁性和更加高效的传输速率，从而减少了各个节点数据流的等待时间，提高了数据传输效率，减少了数据堵塞和丢失的可能性，在高负载的网络中能够实现动态的带宽分配。

［1］朱斌，曾孝平，陈礼，等.自适应负载均衡路由算法研究［J］.西安电子科技大学学报，2011(5):62-64.

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