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1、WORD一种新型的移动AD HOC网络跨层服务质量模型 王磊春，实宏，肖坤，胡瑞敏国家多媒体软件工程研究的中心，大学 430072 ，中国，电子： wlc2345702163. 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
2、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
3、的，即，该环境随时间而变化，具有不可靠的物理、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，多级跳以与自组性，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
4、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
5、统一的QoS管理和控制。本文剩下容将作如下安排：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. 移动AD HOC网络跨层服务质量模型-CQMM2.1 CQMM结构目前，在移动AD HOC网络部分的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 ） 。 应用约束层次状态QoS 控制(QoS 应用层要求)传送约束层次状
6、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)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
7、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，为保持模块机构的优势，它还允许逻辑上相邻的两个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
8、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，
9、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，以与高层的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
10、，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
11、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，以与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。网络资源的
12、管理和调度：网络资源包括各种资源，例如高速缓存，每一个节点能力和队列，节点之间的通信频道，等等。在CQMM中，为了增加各种通信QoS，网络资源的管理和调度并不是统一的，有限的资源也不是完全利用的。QoS的合作和控制：在CQMM中 ，各种QoS的控制和合作，例如，比率调整，延迟保证和拥塞控制等，都并不是由各层单独实现的，而是协议栈各层相互协作完成的。举例来说，通过个协议层的协作，如物理子层的ACK，网络层的路由信息、包的丢失率和延时，传输层的比率调整信息等等，MANETs的拥塞可以较早地被预防和控制。性能优化：在CQMM中 ，网络性能的优化主要目的是建立一个由协议结构所有层制约的网络优化模型，并
13、根据这个模型找到一种能够改进MANETs整体新能的方法。3CQMM分析 目前MANETs的QoS模型可被归为两类，一类是基于传统层划分结构的DQMM，另一类是本文介绍的跨层QoS模型CQMM。 1,5-8 所使用的QoS模型本质上只是在DQMM基础上一定程度的拓宽。在这里，我们只是比较CQMM与DQMM。3.1信息交流CQMM 与DQMM协议体系和原则的不同在信息交流的方式，频率，时间，需求也存在很大的区别。（见表1 ） 从表1中可以看出，与DQMM比较 ，CQMM有许多优点： 1 ）更灵活的信息交流 。相邻层可以通过层或NSR之间的接触交换信息，交叉层也可以通过NSR交换信息。2 ）更简单的
14、信息格式变换。不同层之间通过NSR可以交换信息，因此这些层只需要处理层与NSR之间的格式转换问题。3 ）更低的要求。协议层可以从临时存在NSR中的不同协议层适时信息读取它们，因此信息改变的层不必要与时保持同步4 ）更精确地控制。在CQMM中，NSR存储了不同层某些时候的信息，这样更利于准确地掌握网络状态和管理网络。3.2 Protocol Design .3.2协议设计在DQMM中，由于功能和协议设计上的相互独立性，各层之间在执行可靠的信息传输时不可避免的会出现一些功能上的荣誉。不过，CQMM可以在不同的层之间执行统一的功能分配，并且能通过各层协作支持的QoS实现通信。表1.CQMM与DQMM
15、之间信息交换的对比信息交换对比DQMMCQMM方式临域层:静态交叉层层次接口:中间层临域层:静态 交叉层: NSR频率临域层: 高频交叉层: 低频临域层: 高频交叉层: 高频转换格式临域层: 一次交叉层: 多次各层与NSR之间的转换格式共享层所有的共享层和中间层NSR 和共享层时间需求特殊“有时”同步需求严格同步异步性时间交换稍微大量信息量临域层: 大交叉层: 小临域层大交叉层: 大3.3网络资源和性能优化的管理和调度不同协议层之间缺乏充分的信息交流限制了DQMM网络性能的整体改进。在DQMM中，通过NSR,协议栈里不同层之间能够自由、充分地交换信息，有利于网络资源统一的规划和调度，在整个网络的基础上建立性能优化模型，并做好网络性能整体改善。3.4执行议定成本和复杂性由于栈里每个协议层的相互独立性，不同协议层之间只有较少的接触与信息的交流，因此DQMM需要较低的层本于复杂度。在CQMM中，栈中不同协议层之间自由、充分地交换信息需要：每个节点
