CN101119308B - 动态保证服务质量的无线移动自组织网络的路由装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态保证服务质量的无线移动自组织网络中的路由方法。该方法针对无线移动自组织网络的QoS路由协议，考虑网络中带宽资源有限、链路不稳定的特点，将应用流的QoS协商机制引入路由决策过程中。本发明包括以下步骤：(1)将用户对不同应用流的QoS需求，包括各个QoS指标和范围、流的优先级、网络资源需求、用户效益损失值，表示为计算机可处理的描述形式；(2)由QoS资源模块获得网络带宽资源及链路的服务质量参数；(3)根据应用流的QoS需求和网络有效资源，进行QoS协商机制；(4)根据QoS协商机制产生的动态QoS指标，进行路由计算，找到满足特定应用流QoS的路径；(5)传输控制模块维护一张针对应用流的传输映射表，控制应用流转发。采用本发明，无线自组织网络路由协议可根据动态QoS指标寻径，支持语音视频等应用流的QoS维持和协商，获得较大的用户效益，保证该网络中应用流传输的软服务质量。

Description

动态保证服务质量的无线移动自组织网络的路由装置及方法

技术领域

本发明涉及动态保证服务质量的无线移动自组织网络的路由方法，属于无线移动自组织网络(也称为MANET，Mobile Ad hoc Network)中服务质量路由(QoS Routing)技术领域。

背景技术

移动无线自组织网络是由一组移动主机构成的动态、多跳、无线的网络。该网络中的移动节点通过无线、多跳通信链路建立连接。不像传统的无线网络，移动无线自组织网络没有固定的网络基础设施或者管理支持。当移动节点加入或者退出该网络的时候，网络的拓扑结构动态变化；并且无线信道的带宽有限、无线链路不稳定。

移动无线自组织网络的应用有军事、紧急救灾等。随着移动用户逐渐增长的需求，用户可以在动态、分布式、实时的网络环境下使用多媒体服务，例如使用移动计算机进行视频会议应用，或者使用便携式终端进行实时语音服务。在通信上多媒体应用的出现，需要在无线移动自组织网络中提供服务质量保证，并且这些应用需要一条保证服务质量的路径。然而，该网络的拓扑结构的动态性、无线链路的不稳定性、网络状态信息的不精确、网络带宽等资源稀少，移动无线自组织网络中保证应用流的服务质量是个复杂的任务。

服务质量，即QoS(Quality of Service)，从定性和定量的角度定义了服务提供商和传输应用流的用户在连接上的需求。连接的服务质量需求是带宽、吞吐量、延时、抖动、丢包率、可靠性等限制参数的集合。

服务质量路由是多媒体支持的关键，它的目标是找到一条可行的路径，为多媒体应用流提供更好的端对端的QoS。无线移动自组织路由协议一般根据单个或者混合参数QoS指标进行路由选择，其中混合参数指标是以多个QoS度量参数为变量构建函数，并以此函数值作为选路标准。这种路由选择的策略本质是静态QoS指标，而在多个应用流同时传输的环境下，无法满足实时多应用流的不同QoS需求。

网络的接入控制机制在判断是否接受一个新的连接时，要检查根据给定的寻径机制仍然有足够的资源来接收新的连接请求。传统的接入控制机制采用“二进制(Binary)”决策，要么保证要么拒绝该请求。后面的请求会被拒绝，因为资源已经分配给先到来的服务。这种方案存在的问题是：对应用流的接入按照先来先服务的原则，没有考虑到用户对应用流需求的不同级别，进行应用流优先级筛选。

此外不仅网络环境在动态改变，用户的需求也在不断变化。为了保证系统的用户实时应用的需求，必须有方法控制和维持通信中多媒体应用的服务质量，最大化应用流传输的整体性能。而现有的方案使用固定的(甚至小部分)量的执行级别信息和应用流状态信息，不能适当将应用流的服务质量进行动态浮动，而且多考虑单个QoS指标的浮动，没有同时考虑多个QoS指标的变化。

发明内容

本发明的目的是提出一种动态保证服务质量的无线移动自组织网络的路由方法，它可保证无线移动自组织网络中语音、视频等实时多应用流传输的动态服务质量；考虑网络资源的情况和用户的需求进行QoS协商，最大化满足用户关注的应用需求；在网络中应用流过载、失效或者冲突的情况下，也进行预期的降级服务，保证软服务质量。

本发明采用以下技术方案：

一种动态保证服务质量的无线移动自组织网络的路由装置，包括QoS映射、QoS资源、QoS协商、路由表计算、传输控制各功能模块，其中：QoS映射模块将用户QoS表示为计算机可处理的描述形式；QoS资源模块用于测量获得网络带宽资源、链路的状态信息，并且维护网络资源的信息；QoS协商模块运行QoS协商机制，QoS协商机制是基于网络的有效资源和应用流的不同QoS需求而建立协商规则；路由表计算模块运行QoS路由协议来寻找路径；传输控制模块运行在应用层，其控制各个应用流的传输，并维护一张应用流的传输映射映射表。

一种动态保证服务质量的无线移动自组织网络的路由方法，包含以下步骤：

1)将用户对不同应用流的QoS需求，表示为计算机可处理的描述形式；

2)由QoS资源模块获得网络有效带宽资源、及链路的状态信息；

3)根据应用流的QoS需求和网络有效资源，进行QoS协商机制；

4)QoS路由协议根据QoS协商结果，采用动态的QoS指标进行选径，找到满足特定应用流服务质量的路径；

5)基于QoS协商机制、以及QoS路由协议寻径的结果，传输控制模块维护着传输映射表；

6)从应用层来的应用流根据该传输映射表，向下发送。

本发明将动态QoS协商机制与无线移动自组织网络路由协议相结合，依据QoS协商机制产生的动态QoS指标来进行路由选径。QoS协商机制是基于网络的有效资源和应用流的不同QoS需求而建立协商规则。QoS协商机制的原则是：保证在传不同级别应用流下网络获得最大的效益函数，同时尽力保证不同应用流的QoS指标，在无法满足最优的QoS指标下也满足其次优的QoS指标。此外，基于QoS协商机制的结果对应用流的接入控制，为接入的应用流分配合理的网络资源。

本发明具有以下优点：

本发明考虑无线移动自组织网络中带宽资源有限、链路不稳定的特点，采用QoS协商机制来指导应用流间的网络资源分配和应用流的传输方式。在网络资源不能充分满足下，也可提供保证应用流降级服务的传输方式。根据QoS协商机制产生的不同QoS指标进行路由决策，可实现动态的路由寻径。

本发明可以较大限度的使用网络有效资源，获得较大的用户效益，并找到满足不同应用流服务质量需求的不同路径，可适用于小规模网络中多节点对之间传输不同应用流、以及单节点对之间传输多应用流的情况。

本发明将QoS协商机制与路由协议相结合，将其应用于无线移动自组织网络中。QoS协商扩展了通常的实时应用请求接入方式，表现在以下两个方面：首先，它提供QoS降级服务来取代拒绝服务，因此提高了服务请求被接收的概率、以及系统的使用率；其次，它提供一种方法，使用特定应用的知识来控制QoS降级。

本发明吸收了软服务质量的思想。软实时应用的重要性质是，允许合理的降级应用的QoS，因此能够用较少的网络资源实现可接受的性能。

本发明在描述用户应用需求时，建立应用流不同的QoS指标、总效益函数和资源需求函数公式，使QoS协商机制更为智能的运行。

附图说明：

图1是本发明涉及的功能模块；

图2是集中控制的拓扑结构；

图3是QoS协商算法流程；

图4是传输表的映射关系；

图5和图6是应用场景之一；

图6是应用场景之二。

具体实施方式：

以下详细分析本发明方法中涉及的主要功能模块、应用流服务质量的描述、QoS协商机制的控制方式和协商算法、以及应用流的传输控制，最后介绍本发明的应用场景。

1.主要功能模块

如图1所示，本发明涉及的研究内容为图1中的灰色部分，功能模块包括QoS映射、QoS协商、QoS资源、路由表计算、传输控制。QoS映射将用户QoS表示为计算机可处理的描述形式；QoS协商模块运行QoS协商机制，QoS协商机制是基于网络的有效资源和应用流的不同QoS需求而建立协商规则；路由表计算模块运行QoS路由协议来寻找路径；传输控制模块运行在应用层，其控制各个应用流的传输，并维护一张应用流传输表；QoS资源模块用于测量获得网络带宽资源、链路的状态信息，并且维护网络资源的信息。

整体功能模块之间的操作过程，如图1中的数字箭头所示。下面说明实现过程：

步骤1：外部的角色是用户，用户QoS描述用户传输应用流的QoS需求，并传给QoS映射模块；

步骤2：QoS映射将用户QoS表示为计算机可处理的描述形式，并将结果传给QoS协商模块；

步骤3：QoS资源也将测量的链路状态信息、及网络有效带宽信息传给QoS协商模块；

步骤4：基于前面两个信息的基础上，运行QoS协商机制，得出网络可以接入的应用流和可以满足的QoS指标；

步骤5：路由计算模块依据QoS协商后的QoS指标，寻找路由，找到满足不同应用流QoS需求的不同路径；

步骤6：传输控制模块根据QoS协商后的应用流、QoS指标的信息(如图1中的箭头6.1)，以及路由表计算模块得出的对应QoS指标的下一跳信息(如图1中的箭头6.2)，建立一个应用流的传输映射表；

步骤7：从应用层来的应用流根据步骤6得出的传输映射表，向下发送。

2.应用流服务质量的描述

用户服务质量描述的工作是将用户对应用流的QoS需求表示为计算机可处理的描述形式。这部分工作由图1中的QoS映射模块来实现。在应用程序的开始阶段，用户可以提出对应用流的QoS需求，包括各个应用流的级别，QoS指标及其范围、以及传输应用流时用户获得的收益和不进行传输下遭受的损失。

应用流s_i的级别可用变量level_i表示，level_i取[1，n]中间的自然数。不同level_i的应用流s_i有对应不同的权重w_i，w_i的值取(0，1)之间的小数。级别和权重都反映了应用流s_i在n个应用流中的优先级，即相对重要性。

当应用流s有N个QoS指标时，QoS指标可以描述为Q_n(s)。Q_n(s)是L个QoS指标的集合。第n个应用流的QoS需求可以描述为以下形式：

Q_n(s)＝(q_n(1，min)，q_n(1，max)，q_n(2，min)，q_n(2，max)，…q_n(L，min)，q_n(L，max))其中n＝1，…N，q_n(L，min)和q_n(L，max)是用户描述的第L级别应用流的QoS指标要求的最小值和最大值。L的值越小，QoS指标的级别越高，说明应用流s对该QoS指标的要求严格。

此外，用变量Win_n(s)描述传输应用流s时用户所获得的收益，用Loss_n(s)描述应用流s传输不成功时用户造成的损失值。每个应用流具有不同的效益/损失函数，这取决于用户的需求和数据的内容。

在传输n个应用流情况下，用户获得的收益和可以表示为以下形式：

其中i＝1，…n

同样在应用流传输不成功时，带给用户的损失函数表示为以下形式：

其中i＝1，…n

使用效益(benefit)函数B(Q_n(s))描述用户在传输n个应用流具有Q_n(s)的服务质量下的总的受益情况，其值为总的收益值Win(s)减去总的Loss(s)，反映了不同传输方式下的受益情况。B(Q_n(s))值在(1，100)范围之间，其值越大表示用户该传输方式下所获得的效益越高。效益函数可用在资源有限的情况下对QoS参数的限制。效益函数B(Q_n(s))的计算公式可以表示为如下形式：

B(Q_n(s))＝Win(s)-Loss(s)    其中n∈(1，2，…N)

此外，假设应用流s_i在满足Q_n(s)指标下需要分配的网络资源为r_i，假定总的有效带宽资源为R_total，则资源使用的限制条件为如下表达式：

$\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\left(Q_n\left(s\right)\right)\≤R_{\mathrm{total}}$ 其中i＝1，...n

下面以文件传输为例，说明应用流s的QoS需求的表示方式。文件传输对可靠性要求严格，吞吐量的要求次之，对延时和抖动的较弱，根据IETF草案《rfc1193：Client requirementsfor real-time communication services》，文件传输流的各项QoS指标为如下表所示：

可靠性(％)	吞吐量(kbps)	延时(ms)	抖动(ms)	传输效益	不传输下的损失	权重
							[95％，100％]	[728，-]	[-，1500]	[-，1500]	60	30	0.40

表1

注：其中的-表示没有上限或者下限制

按照上面所述的QoS描述形式可以表示为：

Q₁(S)＝(q₁(1，95％)，q₁(1，100％)，q₂(2，728)，q₂(2，-)，q₃(3，-)，q₃(3，1500)，q₄(4，-)，q₄(4，1500))

Win₁＝60，Loss₁＝30，w1＝0.40

3.QoS的协商机制的控制方式以及协商算法

QoS协商机制必须在节点间采取集中控制、或者分布式控制的方式实现。由于本发明适用于小规模的语音视频等多媒体流传输的场景，如小组的视频会议，因此本发明采用集中控制的方式。如图2所示，由移动节点1、2、3、4、5组成的无线移动自组织网络，节点之间通过无线链路进行通信，控制节点A收集网络中其他节点的传输应用流的QoS需求，获得各节点测量得到的网络带宽资源、链路状态信息，并且由控制节点A运行QoS协商机制。在此方案中控制节点要求与网络中的其他节点保持实时通信。

QoS协商机制的原则是：保证传输不同级别应用流下网络获得最大的效益函数，同时尽力保证不同应用流的QoS指标，在无法满足最优的QoS指标下也满足其次优的QoS指标。

QoS协商算法的流程图如图3所示，其中用到的一些参数如下所示：

s_i：表示第i条应用流s；

r_i：表示第i条应用流s的传输流量需求；

R_total：表示初始给定的网络有效带宽资源；

R_reserve：表示分配给预留的资源；

R_alloc：表示分配给请求流的资源；

R_used：表示当前使用的总资源；

R_avail：表示可以分配的有效资源，其值等于(R_total-R_used)；

ψ(r_i)：表示降级服务的资源需求，值可以为r_i/k，其中k为一个常系数。

设应用流s1、s2、s3的优先级分别为1、2、3。下面结合图3说明协商算法的过程，步骤如下：

步骤1：首先获得各应用流QoS的需求，以及网络带宽资源和链路状态信息。

步骤2：判断请求接入的应用流的总资源需求量是否小于网络有效资源的总量，即判断下

$\underset{1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\left(Q_n\left(s\right)\right)\≤R_{\mathrm{total}}$

步骤3：如果步骤2的不等式成立，则传输控制模块没有降级服务地、按照3个流的优先级顺序分别接入s1、s2、s3。如果不等式不成立，则执行步骤4。

步骤4：计算应用流所有可能的接入组合方式，设应用流允许接入为+，拒绝为-，有以下接入方式：

(-s1，+s2，+s3)、(+s1，-s2，+s3)、(+s1，+s2，-s3)、

(-s1，-s2，+s3)、(-s1，+s2，-s3)、(+s1，-s2，-s3)

步骤5：基于步骤4中的各种接入方式，计算下列公式的值：

将接入某应用流的Win(s)减去拒绝其它应用流的损失Loss(s)，计算所有B(Q_n(s))可能值，计算公式如下：

B(Q_n(s))＝Win(s)-Loss(s)

计算接入应用流需要的网络资源，满足应用流所需的网络带宽资源小于剩余的网络总带宽资源，即如下约束条件：

$\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\left(Q_n\left(s\right)\right)\≤R_{\mathrm{total}}$

计算单位资源的效益值，取单位资源的效益值最大值，利用如下公式：

$\max \left\{\frac{B\left(Q_n\left(s\right)\right)}{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i\left(Q_n\left(s\right)\right)}\right\}$

步骤6：确定产生上述步骤5中，单位资源的效益值最大值下应用流的的传输方式。

分配网络资源，利用下面公式计算使用的网络资源以及剩余的有效资源：

${R_{\mathrm{alloc}}}^{*}\←\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{r}_i$

${R_{\mathrm{used}}}^{*}\←R_{\mathrm{used}}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{r}_i$

R_avail ^*←R_total-R_used

注：上面公式中加^*号表示中间结果。

步骤7：在完成上述分配方案后如果还有剩余的网络带宽资源，即R_avail ^*≥0，则对剩余的应用流进行降级接入。

R_alloc←ψ(R_reserve)

R_used←R_used+R_alloc

degraded＝1

注：上式中ψ(R_reserve)∈(0，r_i)，即满足降级后分配的网络资源小于初定的资源需求。Degraded＝1表示降级标志。

如果剩余应用流的降级服务级别存在，则分配剩余资源；否则，拒绝剩余的应用流接入。

4.应用流传输控制

传输控制模块的功能是控制应用流的发送。传输控制模块需要维护一张应用流的传输映射表，描述针对允许接入的应用流s_i在满足某QoS指标下，到达目的的下一跳地址。

下面分析传输控制模块如何维护着一张传输映射表。如图4所示，QoS协商机制指导QoS路由协议的寻径，即路由计算；路由计算后，路由协议将对应某QoS指标(如带宽、延时、抖动等)的下一跳地址信息、以及本地信息(包括本地地址)，写入到传输映射表中；QoS协商模块也写入其他QoS信息。最后的传输映射表包含的信息有：应用流的ID、流类型、本地地址、目的地址、QoS指标、下一跳。

本发明中采用应用层转发的方式。应用流去查询应用层的传输映射表进行下一跳的转发。

5.本发明的应用场景

本发明可适用于小规模网络中多节点对之间传输不同应用流、以及单节点对之间传输多应用流的情况。如图5和图6中，多个移动终端(可以是笔记本或者移动终端PDA)搭建的无线移动自组织网络，节点通过无线链路进行通信，每个节点上通过无线自组织网络的路由协议进行寻径、转发报文。图5的场景表示的是多对源节点和目的节点之间传输不同的应用流，图6的场景表示的是单对节点对之间应用流的传输，所示的场景图中传输的应用流可以有文件流、语音、视频(图片等)。

针对不同的应用流，用户关注的服务质量是不同的，如文件传输对可靠性要求严格，带宽次之，而对延时、抖动要求较弱；语音流对抖动的要求严格，带宽次之，对延时、可靠性要求较弱；视频流也对抖动、带宽要求严格，对延时、可靠性要求较弱。采用本发明的动态QoS协商机制来指导QoS路由协议，可以寻找满足不同QoS指标的路径，如图5和图6中所示的不同颜色路径。

以上所述仅是本发明动态保证服务质量的无线移动自组织网络路由方法的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明方法原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种动态保证服务质量的无线移动自组织网络的路由方法，其特征在于包含以下步骤：

1)将用户对不同应用流的QoS需求，表示为计算机可处理的描述形式，用户对不同的应用流QoS需求包括：应用流的级别、应用流的各个QoS指标、QoS指标的范围、应用流的权重、应用流的资源需求、用户的效益值和损失值，所述用户的效益值指的是用户在传输某应用流的情况下能够获得的效益值，用户的损失值指的是用户在没有传输某应用流的情况下会损失的效益值；

2)由QoS资源模块获得网络有效带宽资源、及链路的状态信息；

3)根据应用流的QoS需求和网络有效资源，进行QoS协商机制；

4)QoS路由协议根据QoS协商结果，采用动态的QoS指标进行选径，找到满足特定应用流服务质量的路径；

5)基于QoS协商机制、以及QoS路由协议寻径的结果，传输控制模块维护传输映射表；

6)从应用层来的应用流根据该传输映射表，向下发送。

2.根据权利要求1所述的动态保证服务质量的无线移动自组织网络的路由方法，其特征在于：QoS协商机制采用集中控制的方式，由一个控制节点从网络中的其他节点收集信息进行分析判断，该策略适合小规模的无线移动自组织网络。

3.根据权利要求1所述的动态保证服务质量的无线移动自组织网络的路由方法，其特征在于：所述步骤3)中进行QoS协商机制进一步分为以下子步骤：

3.1)判断请求接入的应用流的总资源需求量是否小于网络有效资源的总量；

3.2)若是，则传输控制模块将各应用流不降级服务地按照其优先级顺序分别接入，步骤3)结束，否则执行下一步骤；

3.3)计算应用流所有可能的接入组合方式；

3.4)对各种接入组合方式分别计算其单位资源的效益值，取其中最大值；

3.5)确定最大单位资源效益值下应用流的传输方式；

3.6)分配网络资源，计算在该传输方式下使用的网络资源以及剩余的有效资源；

3.7)如果还有剩余的网络带宽资源，则对剩余的应用流进行降级接入。

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