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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 Ad Hoc 网络跨层QoS保证机制研究 姓名：袁昊 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：许宗泽 2010-12 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 摘 要 在无线网络技术飞速发展的今天，无线移动多跳 Ad Hoc 网络的随时随地接入性，使得网络 具有广阔的应用前景。但是 Ad Hoc 网络同时又具有其脆弱性的一面，如由于节点移动导致网 络拓扑动态多变，链路连接的动态变化，无线信道的不稳定性，业务流有很强的突发性，这些 都使得网络的 QoS 得不到合理保障。传统的分层协议在 Ad Hoc 网络中的应用，虽解决了大部 分的功能定义型问题，但是
2、由于严格分层结构的束缚，使得传统的分层协议在 Ad Hoc 的应用 中存在很大的局限。而跨层算法打破了这一传统束缚，通过层间信息交互，达到了信息共享的 目的，可以充分利用各层的状态资源，调节本层功能，提高网络性能。 本文首先介绍了 Ad Hoc 网络的发展和特点，以及跨层设计为思路的基本模型和方法，并分 析了影响端到端时延的因素，接着，抓住主要影响因素，在 IEEE802.11e 区分服务的基础上， 提出了一种基于事件紧急度和考虑路径拥塞性的跨层协议。本文主要内容如下： 针对传统 Ad Hoc 网络数据包管理的先到先服务机制， 提出了一种新的基于事件紧急度的网 络队列管理原则。发送节点根据数据
3、包的时延要求和距离目的节点的跳数信息，计算出数据包 的紧急度，并用数据包头携带此紧急度系数，在发送节点成功占用信道准备传输数据时，根据 紧急度系数，在发送队列中选择合适的数据包进行发送。仿真结果表明，该算法能够改善实时 业务流的平均端到端时延和时延抖动，使网络时延平衡在一个可以接受的范围，从而显著提高 网络性能。 传统的应用于 Ad Hoc 网络的 DSR 路由协议，是基于最短路径原则来选择合适的路由的， 只有当前使用的路径“中断”时，才会丢弃这条路由，这并不能很好地适应网络业务流负载变 化，当过多业务流集中于一条路径时，容易导致网络拥塞。本文利用跨层设计的思想，提出了 一种在 DSR 路由协
4、议基础上的路由置换协议 RRDSR。该协议结合数据包的时延要求和数据包 当前时延情况，判断网络是否发生拥塞的，当判断已发生拥塞时，重新选择合适的路由。该协 议能够有效利用当前网络状况，避开拥塞路径。仿真结果表明，改进的路由协议在网络吞吐量， 业务流端到端时延方面有很大的改善。 关键词关键词：Ad Hoc 网络，紧急度，路由协议，拥塞性，跨层，QoS 保障，路由置换 Ad Hoc 网络跨层 QoS 保证机制研究 II ABSTRACT In the rapid development of wireless network technology today, the ubiquitous cha
5、racteristics of wireless mobile multi-hop Ad Hoc network makes it a wide application prospects. However, Ad Hoc network is still facing some problems, such as dynamic topology changes caused by node mobility, variable quality of wireless link, the instability of wireless channel and the sudden burst
6、 of traffic, which makes QoS provision difficult in the network. The tradition protocol stack in the Ad Hoc network indeed solve some functional problems, but there are still some problems in practical application because of the shackles of the traditional protocol stack. Cross-layer design breaks t
7、he shackles of tradition protocol stack, it achieves an overall optimization by information sharing and interaction between the network layers. This paper first introduced the development and characteristics of Ad Hoc network, the basic model and method of cross-layer design, and analysed the factor
8、s which effect end-to-end delay. Then seized the main factor, and proposed the urgent based method and congestion control protocol. The main contributions of the paper are as follows: Proposed a urgent-based queue management algorithm instead of the traditional “First come First Serve” method. The s
9、ender computes the urgent factor based on the packets delay requirement and their remaining hops to the destination, then the packets urgent factor is stored in its IP header. When the node seized the channel, it would choose the proper packets to transmit according to each packets urgent factor. Si
10、mulation results show that the proposed algorithm can control the average end-to-end delay and jitter, which can make the average delay fall in an acceptable range, decrease the delay jitter and improve the network performance. Traditional DSR routing protocol in Ad Hoc networks are mainly based on
11、“the Shortest Paths”, the on using path should be discarded only when it is detected broken. So the protocol can not fully support the change of traffic load and which may lead to local congestion. This paper proposed a Route Reverse based on DSR （RRDSR）routing protocol with cross-layer design. It t
12、akes delay requirement and the time the packet has already consumed into account, and will choose another path when the former one faces congestion. This method can utilize the newest channel condition to avoid local congestion. Simulation results show that the RRDSR performs better in end-to-end th
13、roughputs and average delay. Keywords: Ad Hoc network, urgent factor, routing protocol, congestion, cross-layer，QoS guarantee, route reverse. Ad Hoc 网络跨层 QoS 保证机制研究 VI 图表清单 图 1.1 蜂窝无线网络.2 图 1.2 无线局域网.2 图 1.3 无线 Ad Hoc 网络.3 图 1.4 Ad Hoc 网络协议栈模型5 图 1.5 传统五层协议 QoS 模型9 图 1.6 跨层设计模型.9 图 1.7 跨层优化工作.10 图 2
14、.1 DACME 模型12 图 2.2 跨层数据通道模型.13 图 2.3 CLD 系统结构图.14 图 2.4 CCACC 模块结构图.15 图 2.5 Ad Hoc 网络 MAC 协议.16 图 2.6 CSMA 随机接入过程.17 图 2.7 IEEE802.11 传输模式.17 图 2.9 IEEE802.11 帧格式19 图 2.10 影响 Ad Hoc 网络路由设计各种因素.20 图 2.11 Ad Hoc 网络路由协议分类 22 图 3.1 不同的接入类型和各自的退避时间27 图 3.2 IEEE802.11e MAC 帧格式.28 图 3.4 网络三类时延.31 图 3.5 基
15、于紧急度的跨层模型.33 图 3.6 UDP 用户数据报文首部.34 图 3.7 修改后的 IP 头34 图 3.8 修改后的路由选项头结构.34 图 3.9 网络插包规则.35 图 3.10 网络队列.36 图 3.11 GloMoSim 仿真软件结构体系图.37 图 3.12 在服务节点处统计的各个客户节点的平均时延.39 图 3.13 网络静态时改变包发送速率下分组时延抖动.40 南京航空航天大学硕士学位论文 VII 图 3.14 动态情况下改变包发送速率时的分组时延抖动.40 图 4.1 DSR 中 route request 包格式43 图 4.2 DSR 中 route reply
16、 包格式 .43 图 4.3 RRDSR 跨层设计方案44 图 4.4 超时估计算法.45 图 4.5 RRDSR 的 RREV 消息格式.46 图 4.6 线形拓扑中的路由置换.46 图 4.7 路由置换表结构.47 图 4.8 路由置换流程图.48 图 4.9 不同负载下网络端到端吞吐量.48 图 4.10 不同负载下分组平均时延.49 表 1.1 优先级和对应的接入类. 28 表 2.2 IEEE802.11e MAC 参数设置 30 Ad Hoc 网络跨层 QoS 保证机制研究 VIII 注释表 AC ACK AIFS ALOHA AODV AP ARQ CBR CDMA CTS CSMA CW DIFS DS DSDV DSR EDCF EIFS FDMA FSR HSR IFS Access Category Acknowledge Character Access Inter-Frame Space Additive Link On-line Hawaii system Ad-hoc On Demand Distance
