任海鵬 方繼才 何晶 范宏宇 汪學(xué)文

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，安徽 蕪湖 241002)

常用網(wǎng)絡(luò)通信中，一般以路由器為中繼、骨干網(wǎng)為傳輸信道、多種上網(wǎng)設(shè)備為終端而組成單跳傳輸模式網(wǎng)絡(luò)。面對復(fù)雜多變的移動信息網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)模式適應(yīng)性較差。相較于一般的網(wǎng)絡(luò)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的顯著優(yōu)勢就是對數(shù)據(jù)傳輸模式進行了改良。單跳傳輸模式的弊端在于數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢，并且傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定，很容易造成數(shù)據(jù)丟失［1-2］。本次研究中對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)加以改進，突破以往的單跳傳輸模式，通過對不同節(jié)點的控制實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的多跳傳輸。

1 認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)體系特性

在實際組網(wǎng)應(yīng)用當(dāng)中，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)體系充分體現(xiàn)了其靈活性，但是在同時使用多個移動終端時，依然會出現(xiàn)頻譜短缺的現(xiàn)象。為了解決此問題，將cognitive radio技術(shù)和Ad Hoc結(jié)合在一起，形成認(rèn)知Ad Hoc模式的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。這種架構(gòu)通過對節(jié)點進行重構(gòu)認(rèn)知，使其能夠完成自動分析和推斷，從而自動進行傳輸頻率及傳輸信道的轉(zhuǎn)換，即最大化地自動分配以提升信息傳輸?shù)男剩?］。認(rèn)知 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的目的就是，讓各個節(jié)點實現(xiàn)對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源的自主認(rèn)知，并通過對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的綜合分析，判斷最優(yōu)解決方案，進行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重構(gòu)［4］。認(rèn)知Ad Hoc的特性，使其能夠在終端實時移動、網(wǎng)絡(luò)拓撲多變的情況下實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、高效的運作。

(1)資源限制性。雖然CRAHN體系架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高負載的傳輸任務(wù)，但是還需充分考慮其他物理因素。在現(xiàn)實環(huán)境中，CRAHN間斷地對節(jié)點服務(wù)器進行空閑頻譜的檢測，一旦發(fā)現(xiàn)合適的頻譜段，就會使用和分配該空閑的頻譜段。這個檢測過程無法避免對資源的占用和時間的耗費，因此應(yīng)該盡可能地減少不必要的設(shè)備終端，以降低對頻譜的占用及不同移動終端設(shè)備相互干擾的耦合性。

(2)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動態(tài)性。在認(rèn)知Ad Hoc的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于受外部環(huán)境的影響，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨著環(huán)境的改變而改變。當(dāng)各個設(shè)備位置和距離不斷變換時，移動終端與設(shè)備之間的信號強度和連接質(zhì)量也在隨之發(fā)生著變化，這些都會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)能夠充分適應(yīng)這種多變的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)快速反應(yīng)和信息更新。

(3)多跳性。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接模式中通常采用是單跳模式。單跳模式目前已不能適應(yīng)多變的網(wǎng)絡(luò)，而且在復(fù)雜環(huán)境下的傳輸效率不易得到保障，一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，整個網(wǎng)絡(luò)就可能癱瘓。認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)體系充分解決了這些問題，其中每個節(jié)點既能當(dāng)作路由器來使用，又可以看作獨立的終端，數(shù)據(jù)可以通過多個節(jié)點進行傳輸，即使某個節(jié)點出現(xiàn)問題，也可以動態(tài)地進行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重組。

2 認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可靠路由技術(shù)

2.1 前期研究工作

認(rèn)知路由協(xié)議其實是通過對頻譜空閑資源的識別，以及系統(tǒng)對空閑資源的智能分配，來實現(xiàn)資源的充分利用和傳輸?shù)目煽窟B接［5-6］。這就要求系統(tǒng)具有充分的靈活性和可變性，可以在分配資源時進行不同路徑的選擇和分析。在選擇路徑時，還應(yīng)考慮協(xié)議的魯棒性，若其中某個節(jié)點出現(xiàn)了問題，數(shù)據(jù)仍可以通過第二路徑進行傳輸，避免了數(shù)據(jù)丟失和堵塞［7-8］。同時，為了提升路由協(xié)議的可靠性，應(yīng)避免采用單一的連接模式。此外，不同節(jié)點之間應(yīng)該采用鏈路的方式進行數(shù)據(jù)連接，以適應(yīng)多變的路由環(huán)境。

2.2 QDSR協(xié)議改進

QDSR協(xié)議雖然能夠保證各個節(jié)點擁有充足的頻譜資源的利用，但是在應(yīng)對同一時刻大流量的請求時仍有困難，帶寬分配可能出現(xiàn)阻塞。解決此問題有2種方案:一是對各個節(jié)點進行動態(tài)的監(jiān)控和分配;二是通過內(nèi)存緩沖去優(yōu)化多跳傳輸方式。

(1)對各個節(jié)點進行動態(tài)監(jiān)控和分配。在進行數(shù)據(jù)傳輸過程中，各終端首先應(yīng)對其數(shù)據(jù)包進行驗證。當(dāng)數(shù)據(jù)包長度超過限制時，應(yīng)該考慮該數(shù)據(jù)包是否能夠正常地發(fā)送到目的地址，以及較大數(shù)據(jù)包放到網(wǎng)絡(luò)中引起網(wǎng)絡(luò)阻塞的可能性。在判斷數(shù)據(jù)包大小的時候，若該數(shù)據(jù)包小于設(shè)定上限，則允許進行數(shù)據(jù)傳輸;若數(shù)據(jù)包大于所設(shè)定上限，應(yīng)該對此數(shù)據(jù)包進行一定比例的分割，然后再進行數(shù)據(jù)傳輸。圖1所示為數(shù)據(jù)包動態(tài)監(jiān)控過程。

圖1 數(shù)據(jù)包動態(tài)監(jiān)控過程

(2)通過內(nèi)存緩沖去優(yōu)化多跳傳輸方式。在高負荷數(shù)據(jù)傳輸過程中，一旦所有的頻率空間都被占用，那么其他數(shù)據(jù)傳輸將被阻塞，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致移動終端出現(xiàn)斷鏈現(xiàn)象。如果開鏈、斷鏈頻繁出現(xiàn)，服務(wù)器就需要不斷地進行重構(gòu)，重構(gòu)完畢后再將數(shù)據(jù)包發(fā)送給各個客戶端，以通知網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。那么在這個過程中，移動端勢必會占用大量的系統(tǒng)資源和傳輸管道資源，可通過內(nèi)存緩沖技術(shù)來有效改善此現(xiàn)象。內(nèi)存緩沖技術(shù)的原理是，傳輸過來的數(shù)據(jù)包通過時間戳進行排序，依次存放到服務(wù)器的一小塊緩存中，當(dāng)服務(wù)器無法處理過多的請求時，就會將數(shù)據(jù)包臨時存放在這塊緩存區(qū)域里，然后在服務(wù)器有空閑資源時依次封發(fā)出去。

2.3 改進技術(shù)的性能評價

通過與CRAHN體系的結(jié)合及QDSR協(xié)議的改進和優(yōu)化，認(rèn)知Ad Hoc系統(tǒng)具備了更強的抗毀性和更加高效的傳輸速率。該系統(tǒng)能適應(yīng)更為復(fù)雜的移動網(wǎng)絡(luò)，面對不同環(huán)境快速組織相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，還提高了頻譜空間的利用率，減少了各個節(jié)點數(shù)據(jù)流的等待時間，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，降低了數(shù)據(jù)堵塞和丟失的可能性，并且在高負載的網(wǎng)絡(luò)中能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的帶寬分配。

(1)鏈路質(zhì)量。認(rèn)知Ad Hoc主要面臨的外部環(huán)境具有臨時性和多變性，且各個移動終端節(jié)點在變化過程中容易出現(xiàn)斷鏈現(xiàn)象而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失?？梢酝ㄟ^研究各個節(jié)點的數(shù)據(jù)吞吐量和節(jié)點能量需求的關(guān)系，設(shè)計一種改進的算法。這種算法首先應(yīng)保證斷鏈后數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對不同移動終端的位置信息和能源信息進行收集整理，通過對多重數(shù)據(jù)的詳細分析，從而預(yù)測出移動終端位置和系統(tǒng)資源消耗間的關(guān)系，并通過該關(guān)系進行后期數(shù)據(jù)的預(yù)測分析。其次在數(shù)據(jù)傳輸過程中，可以通過函數(shù)關(guān)系對數(shù)據(jù)傳輸路徑的質(zhì)量和能源消耗的關(guān)系進行預(yù)測，通過服務(wù)器計算出最佳的路徑選擇，并將該數(shù)據(jù)通過選擇出來的路徑信息傳遞出去。

在此針對數(shù)據(jù)傳輸過程中的質(zhì)量損耗提供一種檢測思路。首先添加數(shù)據(jù)報文的回傳機制，數(shù)據(jù)每到達一個節(jié)點就要進行一次自我檢測，然后通過數(shù)據(jù)包地址頭文件中的目的地址對當(dāng)前節(jié)點的地址進行匹配。如果當(dāng)前節(jié)點的地址就是目的地址，那么就向源地址發(fā)送一個確認(rèn)報文;如果該節(jié)點并不是所需要的地址，那么就對源地址發(fā)送數(shù)據(jù)完整性報文，進而尋找目的地址。

既然能夠得到實時的數(shù)據(jù)質(zhì)量信息，那么服務(wù)器就應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的認(rèn)知。一旦數(shù)據(jù)的完整性低于設(shè)計水平，服務(wù)器就會主動地拋棄該數(shù)據(jù)包，并通過第二數(shù)據(jù)包再次發(fā)送該數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的可靠性。通過這種前期檢測、后期重發(fā)的算法機制，能有效地避免數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問題，從而提升Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。

(2)改進QDSR和原DSE備用路由對比。原始的DSE備用路由并不能對應(yīng)用層進行實際的控制，各個移動終端的數(shù)據(jù)流都可以無限制地傳輸，于是就有可能造成單一的移動終端搶占過多帶寬現(xiàn)象的發(fā)生，從而導(dǎo)致其他移動終端無法進行正常傳輸。通過改進的QDSR協(xié)議，可以對流經(jīng)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)帶寬進行控制，從而實現(xiàn)精確的傳輸。

(3)改進QDSR和原QDSR備用路由對比。通過改進的QDSR，避免了原始QDSR備用路由器的帶寬控制不嚴(yán)格的弊端。同時，通過對數(shù)據(jù)流的緩沖延遲，提高了多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，避免了傳輸堵塞和傳輸空白。在一定意義上，減少了各個節(jié)點間數(shù)據(jù)流的交叉干擾，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t率。

3 結(jié)語

針對QDSR協(xié)議在應(yīng)對同一時刻大流量請求時不能及時應(yīng)對帶寬分配的問題，提出對各個節(jié)點進行動態(tài)監(jiān)控分配、內(nèi)存緩沖優(yōu)化多跳傳輸方式的解決方案。通過與CRAHN體系的結(jié)合以及對QDSR協(xié)議的改進和優(yōu)化，使認(rèn)知Ad Hoc系統(tǒng)具備了更強的抗毀性和更加高效的傳輸速率，從而減少了各個節(jié)點數(shù)據(jù)流的等待時間，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，減少了數(shù)據(jù)堵塞和丟失的可能性，在高負載的網(wǎng)絡(luò)中能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)的帶寬分配。

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