1、 一种新型的 移动 AD HOC 网络 跨层服务质量模型 王磊春 ， 陈 实宏，肖 坤 ， 胡瑞敏 国家 多媒体软件 工程研究的中心， 武汉大学 武汉 430072 ， 中国 ， 湖北 电子邮件： 摘 要 分 层 协议的体系结构 只能 为移动 Ad Hoc 网络（简 称 MANETs ）提供部分 堆栈 。 这给 移动 Ad Hoc网络 中的多媒体通信的质量保证带来了很大的困难。为了改进 移动 Ad Hoc 网络 中的多媒体信息传输的服务质量，本文将介绍一种针对 移动 Ad Hoc 网络 的跨层服务质量模型 -CQMM。 CQMM 的一个核心组件是 网络状态储存库 (NSR)，它是 信息交换的
2、中心，而且能在堆栈中的不同协议层之间共享。同时， CQMM 能够实现所有标准的 QoS 控制。另外， CQMM 还能消除堆栈中不同协议层之间的冗余功能 ，并有效的执行 QoS 控制和网络性能的全面改善。 关键字 跨层 QoS 模型，移动 Ad Hoc 网络（ MANETs） ， 网络状态储存库 （ NSR） ， QoS 控制 。 1、 引 言 随着多媒体技术的快速发展，和 个人通信带宽的增加，音频 和视频服务 已 开始 在 MANETs 中出现 。与 静态网络和因特网 不同的是 ， MANETs 中的 多媒体通信， 如音频和视频服务，它们对 QoS 的保证有非常严的要求，特别是延迟的保证。 此
3、外， 具有不同 QoS 要求 用户之间的通信 可以集成服务。这给 MANETs.多媒体通信的 QoS 保证提出了很大的挑战 。主要有两个原因 ： 1 ） MANETs 是在一种传统的无线环境下运行的，即 ，该环境 随时间 而变化 ， 具有 不可靠的物理链接、广播频道和动态的有限的带宽，等等 。因此，它 只能 为有严格 QoS 要求 的被区分的服务 提供有限的能力 1 . 2 ） 由于 MANETs 的灵活性， 多级跳 以及自组性，因而，传 统 的 流动项目和访问控制机制 就非常难以实现。 目前，我国大部分 基于 MANETs 传统的多层协议结构的 QoS 研究 都侧重于 支持 QoS 2 的
4、MAC协议 ， QoS 路由协议 3 和 与 QoS 支持 4 适应 的 应用层协议，等等。 但，这无法避免堆栈中不同协议层之间会出现冗余。 这会增加 QoS 实施 的 复杂性 ，并且给网络性能的整体改进造成困难。 因此， MANETs 必须具备较高的 处理能力 。 近年来， 基于 MANETs 部份协议层的跨层设计得到了很大发展。 1 提出 了网络层与 MAC 层交换信息而产生的异构流的 机制 ，并有 QoS 保证。 5,6,7,8 主要是研究在保证 QoS 的前提下，在 MANETs.中如何通过少层之间的信息交换与协作而实现视频通信。 这些 在某种程度上可以改进 MANETs.通信的服务质
5、量。 然而 MANETs.比 有线系统和静态网络 复杂得多， 而且 QoS 保证 的 改善取决于 协议栈 中所有层的 充分合作 。 因此 ，在 MANETs.中很难设计一种能为通信与网络性能的改进提供有效的 QoS 保证的方案。 为了充分的利用有限的资源和 MANETs 整体性能的最优化，本文将介绍一种 新型的跨层 QoS 模型 ，CQMM， 即不同层次 可以 充分 交换信息， 还可以执行 统一的 QoS 管理和控制 。 本文剩下内容将作如下安排： 第 2 部分仔细介绍 CQMM。 第 3 部分 ，我们 将通过与 DQMM 的对比来分析 CQMM。 第 4 部分将对全文给与总结 。 . 2.
6、移动 AD HOC 网络 跨层服务质量模型 -CQMM 2.1 CQMM 结构 目前， 在 移动 AD HOC 网络 中大部分的 QoS 研究 都是 基于传统的分层协议架构， 支持 QoS 的信号和算法 是在不同层次分别地设计和实施的 。 例如 ，在 数据链路层 9 的 支持 QoS 的 MAC协议， 在网络层 10.11 支持 QoS 路由协议，等等。它可以 被 归纳为一个 移动 AD HOC 网络 多 层次的 QoS 模型， DQMM（见图 1 ） 。 在 DQMM 中 ， 协议栈里的 不同层 设计 是独立设计与工作的。在逻辑上相邻的不同层之间只有静态的接触 ；每个协议层有一定的 QoS
7、的，如 在逻辑链路层 误 差控制， 网络 中的 拥塞控制等 。 一方面， DQMM 可以 极大 简化 MANETs 设计，并 增加了 高可靠性和 扩展性 的协议 。 另 一方面 ， DQMM也有一些不足之处： 1） 由于 不同的协议层 间 独立 设计， 因此堆栈中不同协议层会存在功能上的冗余。 2 ） 由于逻辑上不相邻 的 层与层之间信息交换 十分困难， 从而引起了在 统一的管理，QoS 控制，网络性能的改善 方面的许多问题。 Fig 2 因此， 当试图最优化 MANETs.各层的性能时， 有必要 把 更多地注意 力 集中物理层 、 数据链路层 、网络层和较高的 层之间的协作。 为此，我们结合
8、 分散在不同层次 参数 ， 设计了一种新型的跨层QoS 模型， CQMM，以改善 QoS 保证和网络的整体性能。 CQMM 的 结构 如 图 2 图 2 从图 2 ， 我们 可以看出 CQMM 保持了堆栈中每个协议层的核心功能和相关独立性，为保持模块机应用约束 层次状态 QoS 控制 (QoS 应用层要求 ) 传送约束 层次状态 网络约束 层次状态 数据传输约束 层次状态 物理约束 层次状 态 QoS 控制 (传输控制和比率控制 ) QoS 控制 （ 队列与缓冲器管理 , 拥塞控制 ） QoS 控制 (错误控制和信道管理 ) QoS 控制 (媒体调频选择 ) 构的优势，它还允许逻辑上相邻的两个
9、层之间的直接信息交换。在这些基础上， CQMM 还增加了一个核心组件， 网络状态储存库 (简称 NSR)。 NSR 是核心，通过它，不同层之间可以充分地交换和共享信息。一方面，通过 NSR,每个协议层能够 知道其它协议层的状态信息 ， 并决定自己的功能与执行机制。 另一方面，每个协议层在 NSR 上注明自己的状态信息以供协议栈的其它层查询。在 CQMM，逻辑上相邻的协议层之间通过 NSR 可以直接或间接的交换信息， 而 那些逻辑上不相邻的协议层之间通过 NSR 用跨层的方法也可以交换信息。因此，在 CQMM 中，信息交换是非常灵活的。 CQMM 的各种 QoS 控制 都不是独立的进行的 ，如
10、网络资源管理和调度 、网络寿命、差错控制、 拥塞控制和性能优化等 。 与此相反， 通过堆栈中各协议层之间的协作， CQMM 负责统一管理和所有QoS 控制。 MANETs 中的每个 QoS 控制与协议栈的所有层都相关，同时也受到它们的限制。 QoS 操作和管理的所有结果都要反馈给所有的层，并写进 NSR 成为 MANETs.所有 QoS 控制的参数。 2.2 的协议设计 CQMM 协议 设计 着眼于 各协议层之间信息的自由、 充分 交换和协作不会出现功能上的冗余，同时又能保持各协议层之间的相关独立性和模结构的优势。 物理层：物理层 负责 数据的调制，传输与接收， 同时 也决定 MANETs 各
11、节点大小、成本和能源消耗 。在 CQMM ， 物理层的设计是根据执行成本，能量的大小和限制，以及高层的 QoS 要求，选择低成本，低耗能，低复杂度和大信道能力的传输介质、频率范围、调制算法。 数据链路层：该层 处于 协议栈 是低层，可分为两个 子 层：逻辑连接子层和 MAC 子层。相对于高层，数据链路层可以 较早 感知 MANETs 中的 网络状态，如 频道 质量 更改， 网络拥塞等。因此，一方面是数据链路层能够 执行 基本 QoS 的控制，如误差控制和 交流频道 管理。 另一方面 ，可以 与 高层次相互结合，建立 、 选择和维护 更快速度 的 路由， 较早预防网络阻塞 ，并 为传输层 选择适
12、当的传输机制和控制战略。 网络层： CQMM 网络层协议的设计和实施是为了建立，选择， 维持适当的路由，同时考虑路由中每个节点的耗能，高速缓存和可靠性。 QoS 需要较高层的服务，如带宽、延迟，较低层次的实施策略，如逻辑连接子层的错误控制机制 ，物理层子层的频道管理的方法。 传输层： CQMM 传输层协议的设计需要同时考虑 低层的功能与执行机制，如数据链路层的错误控制方法，网络层路由的建立、选择、维持的方法，决定相应传输策略的来至应用层的 QoS 要求。 。 应用层：有两种不同的应用层设计策略： 1 ）区分服务 ： 按照 各低层次所提供的职能划分为不同 的优先等级。 2 ） 应用智能 设计 ： 分析 不同应用 程序 的 具体要求，如带宽，时延和 twitter时延等，然后 根据协议栈各层的要求分配和执行相应的功能。 2.3 CQMM 的 QoS 合作与管理 QoS 合作和管理 的核心是作为协议栈里信息状态交流和共享中心的 NSR， 通过不同协议层之间网络状态的充分交流与 共享，网络资源的管理和 调度 ，以及网络性能的整体优化都能够有效地实现。其中包括网络资源的管理与调度，跨层 QoS 协作和网络性能的整体优化。
