Ad Hoc网络QoS保证机制研究

袁昊+于永良

摘  要：随遇通信时代主张无线网络为最合适的通信网络，而无线自组织多跳网络（Ad Hoc Networks）以其独特的特性为随时随地的访问提供了不可替代的技术支持[1]。但是同时Ad Hoc网络又有其脆弱性的一面，如由于节点移动导致网络拓扑动态多变，这会使得网络中业务流的QoS得不到有效保障。将IEEE802.11e协议应用在Ad Hoc网络中，可以解决大网络服务保障性能的问题。

关键词：Ad Hoc;服务质量;IEEE802.11e

移动自组织网络[1-2]是由一系列具有对等关系的自治移动终端组成的复杂的分布式系统（Distributed System， DS）。IEEE802.11e是一种能够为网络中报文传输提供QoS保障的MAC层协议，引入了服务质量保障（Quality of Service，QoS）的概念。它赋予实时业务流较高的优先级。

一、基于IEEE 802.11e区分服务的QoS保障机制

（一） IEEE802.11e标准。IEEE802.11e通过引入增强的分布式信道接入（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA）机制来区分不同业务流的优先级，保障高优先级业务的信道接入优先权。EDCA机制将节点产生的数据流按照业务要求进行分类，IEEE802.11e标准定义了四种接入类（Access Category，

AC），分别是背景（Background）、尽力而为（Best Effort）、视频（Video）和语音（Voice），同时为每个接入类设置了各自的仲裁帧间隙（Arbitration Inter-Frame Space，AIFS）和竞争窗口（Con

tention Window，CW）。业务优先级与接入类的映射关系如表1所示。

（二）IEEE802.11e在GloMoSim中的实现。本文采用Glo

mosim仿真平台来分析所提出算法的性能。在Glomosim提供的IEEE802.11分布式协调功能基础上，实现IEEE802.11e EDC

A机制。EDCA支持8种优先级，表现为网络层的8个优先级队列，分别按照表1所示的映射关系，将8个优先级队列映射到相应的接入类中。

表1  优先级和对应的接入类

应用程序产生的业务流中携带了此业务流的优先级信息。如源节点产生一个恒定比

特流（Constant Bit Rate， CBR）的格式为：CBR <源节点> <目的节点> <需要发送的报文数> <报文大小> <报文发送间隔> ; <报文发送开始时间> <截止时间> <报文优先级（在最低优先级0-最高7之间）>。接着数据报文在节点内由上到下经过相关协议层的处理。IEEE802.11e协议规定各协议层接收到数据报文后按照如下方式处理：（1）应用层接收到源节点产生的业务流后，向传输层发送数据包，数据包携带有业务内部优先级信息。内部优先级是业务流优先级的一个映射，由高到低排列分别为：最高优先级1到最低优先级8。（2）在网络层

IEEE802.11e标准将原来IEEE802.11标准定义的1个网络队列增加为8个先进先出的优先级队列，每一个队列与一种业务优先级相对应。源节点网络层接收到数据分组后，用报文IP头中的服务类型（ip_tos）字段来存储数据包优先级信息。中继节点接收到数据报文后将报文向上传递到网络层，中间节点网络层通过数据报文IP头中的服务类型（ip_tos）字段确定报文的优先级，根据报文的优先级信息将数据报文放入相应的网络队列中等待发送。在本文的仿真中AIFS和CW的设置如表2所示。

表2  IEEE802.11e MAC 参数设置

其中：a=31， a=1023;AIFSN是计算AIFS所用的参数，

AIFS=SIFS+AIFSN*（a slot time）;a slot time = 20，SIFS为10

二、仿真结果及分析

我们采用Glomosim2.03仿真平台分析在IEEE802.11e协议下不同优先级报文的时延性能，并与IEEE802.11协议进行性能比对。模拟环境如下：50个节点随机分布在1000m * 1000m的正方形区域中，节点密度较大能够维持网络连接。网络拓扑为动态的情况下节点采用随机停靠模式的移动模型，最大移动速度为10m/s，停靠时间为0（不停靠）。每个源节点包含2个等级数据流，分别为最高优先级VO和尽力而为BE业务流， 数据报文大小为1024bytes。采用DSR路由协议。仿真时间为100秒。

比较IEEE802.11e EDCA机制下和IEEE802.11协议在保证实时业务流时延要求方面的性能。在网络中随机选取6个节点，其中3个源节点3个目的节点。改变源节点的数据报文发送速率。图1显示了在IEEE802.11e EDCA机制与IEEE802.11算法下，不同优先级业务流平均端到端时延。从图中可以看出，当报文发送速率较低时，网络负载低，EDCA与IEEE802.11协议具有相似的传输性能，但是随着节点数据报文发送速率的增加，网络负载逐渐加大，EDCA对于高优先级数据业务的时延保障明显优于IEEE802.11协议。因此，IEEE802.11e协议是以牺牲低优先级业务流的方式来为高优先级业务流提供QoS保障。

图1  IEEE802.11e与IEEE802.11时延比较

三、结束语

本文将IEEE802.11e和IEEE802.11协议进行了对比仿真分析，IEEE802.11e协议考虑了不同数据报文的优先级信息，当发送节点获取信道资源时，优先发送最高优先级的报文，为高优先级业务流提供了有力的QoS保障，仿真结果表明，在平均端到端时延保障上IEEE802.11e协议性能较好，随着网络负载的增加，IEEE802.11e对高优先级业务流的QoS保障机制更加明显。

参考文献：

[1] Mobile Ad Hoc Networking（MANET）：Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations， RFC 2501， IETF Network Working Group， 1999.

[2] 阮加勇. 无线Ad Hoc网络中的跨层QoS保证研究[D].武汉：华中科技大学，2005.endprint

摘  要：随遇通信时代主张无线网络为最合适的通信网络，而无线自组织多跳网络（Ad Hoc Networks）以其独特的特性为随时随地的访问提供了不可替代的技术支持[1]。但是同时Ad Hoc网络又有其脆弱性的一面，如由于节点移动导致网络拓扑动态多变，这会使得网络中业务流的QoS得不到有效保障。将IEEE802.11e协议应用在Ad Hoc网络中，可以解决大网络服务保障性能的问题。

关键词：Ad Hoc;服务质量;IEEE802.11e

移动自组织网络[1-2]是由一系列具有对等关系的自治移动终端组成的复杂的分布式系统（Distributed System， DS）。IEEE802.11e是一种能够为网络中报文传输提供QoS保障的MAC层协议，引入了服务质量保障（Quality of Service，QoS）的概念。它赋予实时业务流较高的优先级。

一、基于IEEE 802.11e区分服务的QoS保障机制

（一） IEEE802.11e标准。IEEE802.11e通过引入增强的分布式信道接入（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA）机制来区分不同业务流的优先级，保障高优先级业务的信道接入优先权。EDCA机制将节点产生的数据流按照业务要求进行分类，IEEE802.11e标准定义了四种接入类（Access Category，

AC），分别是背景（Background）、尽力而为（Best Effort）、视频（Video）和语音（Voice），同时为每个接入类设置了各自的仲裁帧间隙（Arbitration Inter-Frame Space，AIFS）和竞争窗口（Con

tention Window，CW）。业务优先级与接入类的映射关系如表1所示。

（二）IEEE802.11e在GloMoSim中的实现。本文采用Glo

mosim仿真平台来分析所提出算法的性能。在Glomosim提供的IEEE802.11分布式协调功能基础上，实现IEEE802.11e EDC

A机制。EDCA支持8种优先级，表现为网络层的8个优先级队列，分别按照表1所示的映射关系，将8个优先级队列映射到相应的接入类中。

表1  优先级和对应的接入类

应用程序产生的业务流中携带了此业务流的优先级信息。如源节点产生一个恒定比

特流（Constant Bit Rate， CBR）的格式为：CBR <源节点> <目的节点> <需要发送的报文数> <报文大小> <报文发送间隔> ; <报文发送开始时间> <截止时间> <报文优先级（在最低优先级0-最高7之间）>。接着数据报文在节点内由上到下经过相关协议层的处理。IEEE802.11e协议规定各协议层接收到数据报文后按照如下方式处理：（1）应用层接收到源节点产生的业务流后，向传输层发送数据包，数据包携带有业务内部优先级信息。内部优先级是业务流优先级的一个映射，由高到低排列分别为：最高优先级1到最低优先级8。（2）在网络层

IEEE802.11e标准将原来IEEE802.11标准定义的1个网络队列增加为8个先进先出的优先级队列，每一个队列与一种业务优先级相对应。源节点网络层接收到数据分组后，用报文IP头中的服务类型（ip_tos）字段来存储数据包优先级信息。中继节点接收到数据报文后将报文向上传递到网络层，中间节点网络层通过数据报文IP头中的服务类型（ip_tos）字段确定报文的优先级，根据报文的优先级信息将数据报文放入相应的网络队列中等待发送。在本文的仿真中AIFS和CW的设置如表2所示。

表2  IEEE802.11e MAC 参数设置

其中：a=31， a=1023;AIFSN是计算AIFS所用的参数，

AIFS=SIFS+AIFSN*（a slot time）;a slot time = 20，SIFS为10

二、仿真结果及分析

我们采用Glomosim2.03仿真平台分析在IEEE802.11e协议下不同优先级报文的时延性能，并与IEEE802.11协议进行性能比对。模拟环境如下：50个节点随机分布在1000m * 1000m的正方形区域中，节点密度较大能够维持网络连接。网络拓扑为动态的情况下节点采用随机停靠模式的移动模型，最大移动速度为10m/s，停靠时间为0（不停靠）。每个源节点包含2个等级数据流，分别为最高优先级VO和尽力而为BE业务流， 数据报文大小为1024bytes。采用DSR路由协议。仿真时间为100秒。

比较IEEE802.11e EDCA机制下和IEEE802.11协议在保证实时业务流时延要求方面的性能。在网络中随机选取6个节点，其中3个源节点3个目的节点。改变源节点的数据报文发送速率。图1显示了在IEEE802.11e EDCA机制与IEEE802.11算法下，不同优先级业务流平均端到端时延。从图中可以看出，当报文发送速率较低时，网络负载低，EDCA与IEEE802.11协议具有相似的传输性能，但是随着节点数据报文发送速率的增加，网络负载逐渐加大，EDCA对于高优先级数据业务的时延保障明显优于IEEE802.11协议。因此，IEEE802.11e协议是以牺牲低优先级业务流的方式来为高优先级业务流提供QoS保障。

图1  IEEE802.11e与IEEE802.11时延比较

三、结束语

本文将IEEE802.11e和IEEE802.11协议进行了对比仿真分析，IEEE802.11e协议考虑了不同数据报文的优先级信息，当发送节点获取信道资源时，优先发送最高优先级的报文，为高优先级业务流提供了有力的QoS保障，仿真结果表明，在平均端到端时延保障上IEEE802.11e协议性能较好，随着网络负载的增加，IEEE802.11e对高优先级业务流的QoS保障机制更加明显。

参考文献：

[1] Mobile Ad Hoc Networking（MANET）：Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations， RFC 2501， IETF Network Working Group， 1999.

[2] 阮加勇. 无线Ad Hoc网络中的跨层QoS保证研究[D].武汉：华中科技大学，2005.endprint

摘  要：随遇通信时代主张无线网络为最合适的通信网络，而无线自组织多跳网络（Ad Hoc Networks）以其独特的特性为随时随地的访问提供了不可替代的技术支持[1]。但是同时Ad Hoc网络又有其脆弱性的一面，如由于节点移动导致网络拓扑动态多变，这会使得网络中业务流的QoS得不到有效保障。将IEEE802.11e协议应用在Ad Hoc网络中，可以解决大网络服务保障性能的问题。

关键词：Ad Hoc;服务质量;IEEE802.11e

移动自组织网络[1-2]是由一系列具有对等关系的自治移动终端组成的复杂的分布式系统（Distributed System， DS）。IEEE802.11e是一种能够为网络中报文传输提供QoS保障的MAC层协议，引入了服务质量保障（Quality of Service，QoS）的概念。它赋予实时业务流较高的优先级。

一、基于IEEE 802.11e区分服务的QoS保障机制

（一） IEEE802.11e标准。IEEE802.11e通过引入增强的分布式信道接入（Enhanced Distributed Channel Access，EDCA）机制来区分不同业务流的优先级，保障高优先级业务的信道接入优先权。EDCA机制将节点产生的数据流按照业务要求进行分类，IEEE802.11e标准定义了四种接入类（Access Category，

AC），分别是背景（Background）、尽力而为（Best Effort）、视频（Video）和语音（Voice），同时为每个接入类设置了各自的仲裁帧间隙（Arbitration Inter-Frame Space，AIFS）和竞争窗口（Con

tention Window，CW）。业务优先级与接入类的映射关系如表1所示。

（二）IEEE802.11e在GloMoSim中的实现。本文采用Glo

mosim仿真平台来分析所提出算法的性能。在Glomosim提供的IEEE802.11分布式协调功能基础上，实现IEEE802.11e EDC

A机制。EDCA支持8种优先级，表现为网络层的8个优先级队列，分别按照表1所示的映射关系，将8个优先级队列映射到相应的接入类中。

表1  优先级和对应的接入类

应用程序产生的业务流中携带了此业务流的优先级信息。如源节点产生一个恒定比

特流（Constant Bit Rate， CBR）的格式为：CBR <源节点> <目的节点> <需要发送的报文数> <报文大小> <报文发送间隔> ; <报文发送开始时间> <截止时间> <报文优先级（在最低优先级0-最高7之间）>。接着数据报文在节点内由上到下经过相关协议层的处理。IEEE802.11e协议规定各协议层接收到数据报文后按照如下方式处理：（1）应用层接收到源节点产生的业务流后，向传输层发送数据包，数据包携带有业务内部优先级信息。内部优先级是业务流优先级的一个映射，由高到低排列分别为：最高优先级1到最低优先级8。（2）在网络层

IEEE802.11e标准将原来IEEE802.11标准定义的1个网络队列增加为8个先进先出的优先级队列，每一个队列与一种业务优先级相对应。源节点网络层接收到数据分组后，用报文IP头中的服务类型（ip_tos）字段来存储数据包优先级信息。中继节点接收到数据报文后将报文向上传递到网络层，中间节点网络层通过数据报文IP头中的服务类型（ip_tos）字段确定报文的优先级，根据报文的优先级信息将数据报文放入相应的网络队列中等待发送。在本文的仿真中AIFS和CW的设置如表2所示。

表2  IEEE802.11e MAC 参数设置

其中：a=31， a=1023;AIFSN是计算AIFS所用的参数，

AIFS=SIFS+AIFSN*（a slot time）;a slot time = 20，SIFS为10

二、仿真结果及分析

我们采用Glomosim2.03仿真平台分析在IEEE802.11e协议下不同优先级报文的时延性能，并与IEEE802.11协议进行性能比对。模拟环境如下：50个节点随机分布在1000m * 1000m的正方形区域中，节点密度较大能够维持网络连接。网络拓扑为动态的情况下节点采用随机停靠模式的移动模型，最大移动速度为10m/s，停靠时间为0（不停靠）。每个源节点包含2个等级数据流，分别为最高优先级VO和尽力而为BE业务流， 数据报文大小为1024bytes。采用DSR路由协议。仿真时间为100秒。

比较IEEE802.11e EDCA机制下和IEEE802.11协议在保证实时业务流时延要求方面的性能。在网络中随机选取6个节点，其中3个源节点3个目的节点。改变源节点的数据报文发送速率。图1显示了在IEEE802.11e EDCA机制与IEEE802.11算法下，不同优先级业务流平均端到端时延。从图中可以看出，当报文发送速率较低时，网络负载低，EDCA与IEEE802.11协议具有相似的传输性能，但是随着节点数据报文发送速率的增加，网络负载逐渐加大，EDCA对于高优先级数据业务的时延保障明显优于IEEE802.11协议。因此，IEEE802.11e协议是以牺牲低优先级业务流的方式来为高优先级业务流提供QoS保障。

图1  IEEE802.11e与IEEE802.11时延比较

三、结束语

本文将IEEE802.11e和IEEE802.11协议进行了对比仿真分析，IEEE802.11e协议考虑了不同数据报文的优先级信息，当发送节点获取信道资源时，优先发送最高优先级的报文，为高优先级业务流提供了有力的QoS保障，仿真结果表明，在平均端到端时延保障上IEEE802.11e协议性能较好，随着网络负载的增加，IEEE802.11e对高优先级业务流的QoS保障机制更加明显。

参考文献：

[1] Mobile Ad Hoc Networking（MANET）：Routing Protocol Performance Issues and Evaluation Considerations， RFC 2501， IETF Network Working Group， 1999.

[2] 阮加勇. 无线Ad Hoc网络中的跨层QoS保证研究[D].武汉：华中科技大学，2005.endprint