面向智慧道路無線網(wǎng)絡的雙路徑路由準入控制協(xié)議

吳彥瓊，陳世平

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093）

面向智慧道路無線網(wǎng)絡的雙路徑路由準入控制協(xié)議

吳彥瓊，陳世平

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093）

為滿足智慧道路系統(tǒng)中不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的吞吐量需求，提出一個基于優(yōu)先級的雙路徑路由準入控制協(xié)議。分析節(jié)點基于優(yōu)先級的可用帶寬，將滿足數(shù)據(jù)流帶寬請求的路徑通過數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇K節(jié)點，在收到所有候選路徑后，選出2條滿足數(shù)據(jù)流帶寬請求的最優(yōu)路徑。當終節(jié)點進行路由返回時，通過對本地節(jié)點及其周圍節(jié)點的可用帶寬預測進行準入控制，保證優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)流能夠優(yōu)先準入。仿真實驗結果表明，與基于單路徑的準入控制協(xié)議相比，該協(xié)議具有更高的吞吐量、更低的延遲和抖動，并且保障了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的帶寬需求。

智慧道路；無線網(wǎng)絡；優(yōu)先級；雙路徑路由；準入控制

1 概述

智慧道路（iRoad）系統(tǒng)利用現(xiàn)有的符合標準的組件定制無線設備（稱為智慧節(jié)點，iNode），并將它們沿街安裝在交通信號燈處，由此建立iNode間的無線鏈路完成通信。由于需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)重要性各不相同，如：控制鄰近交通燈的iNode之間的通信應擁有最高優(yōu)先級，實時交通圖、最佳路徑查詢及交叉路口監(jiān)控類的優(yōu)先級相對較低。所以，如何按照優(yōu)先級保證帶寬分配是本文研究的重點。

準入控制協(xié)議分為2種：一種與路由相關；另一種與路由無關。路由無關的準入控制協(xié)議有：SWAN（Stateless Wireless Ad Hoc Networks）［1］，MPARC（Multi-Priority Admission and Rate Control）［2］，基于自適應帶寬分配的呼叫準入控制協(xié)議［3］和AODV改進算法［4］。因為文獻［5］研究表明路由相關的準入控制協(xié)議優(yōu)于路由無關的準入控制協(xié)議，所以路由相關的準入控制協(xié)議（Contention-aware Admission Control Protocol，CACP）［6］、基于Ad Hoc網(wǎng)絡的多路徑準入控制協(xié)議［7］、流量感知準入控制協(xié)議［8］被相繼提出，但它們都是基于單路徑的路由。平行多路徑路由是將數(shù)據(jù)流分配到多條節(jié)點不重合的路徑上，相比單路徑路由，能提供更加穩(wěn)定的服務質量（Quality of Service，QoS）以及更好的實現(xiàn)負載均衡。另外，AODVM（Ad Hoc Distance Vector Routing Multipath Protocol）［9］，MSR（Multipath Source Routing）［10］，MP-DSR（Multi-path Dynamic Source Routing）［11］、獨立多路徑路由算法［12］等多路徑路由算法也被相繼提出。目前，路由相關的準入控制協(xié)議大多基于單路徑，并且與優(yōu)先級無關。由于在無線網(wǎng)格網(wǎng)絡（W ireless Mesh Network，WMN）中，多路徑路由通常使用2條不相交的路徑來路由數(shù)據(jù)包［13］，因此為了更好地應用于智慧道路系統(tǒng)，本文提出一種基于優(yōu)先級的雙路徑路由準入控制協(xié)議（Dual-path Adm ission Control，DPAC）。將請求的數(shù)據(jù)流分為不同優(yōu)先級，利用帶寬估算算法估算節(jié)點可用帶寬和基于優(yōu)先級的可用帶寬進行準入控制。

2 雙路徑帶寬分析

準入控制思想是在不影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下盡可能多地準入數(shù)據(jù)流，因此，需要進行帶寬檢測，包括信道可用帶寬和請求準入數(shù)據(jù)流的帶寬。本文主要研究面向智慧道路的無線網(wǎng)絡，在智慧道路系統(tǒng)中，有固定的無線路由器安裝在交通信號燈上，無線

路由器使用的是802.11的無線網(wǎng)絡協(xié)議和CSMA/ CA協(xié)議（未使用RTS/CTS），其中，載波監(jiān)聽范圍基于文獻［14］的結論：載波監(jiān)聽范圍至少是傳輸距離的2倍，因此本文研究是在此基礎上進行的。

2.1 可用帶寬預測

可用帶寬是無線網(wǎng)絡中非常重要的資源，當一個路由節(jié)點周圍有一條一直處于忙碌狀態(tài)的信道，那么該路由節(jié)點的可用帶寬就會很少，導致長時間延遲。文獻［15］提出一種被動檢測可用帶寬的方法PABE，具有較好的可用帶寬預測性能。本文使用PABE預測某一特定節(jié)點的可用帶寬。

在PABE方法中，將可用帶寬定義為：節(jié)點在不中斷網(wǎng)絡中進行通信，可提供最大帶寬。對于可用帶寬（Ba）的預測依賴于數(shù)據(jù)傳輸速率和信道空閑時間比（Channel Idle Time Ratio，CITR），Ba計算如下：

其中，DTE為數(shù)據(jù)傳輸速率，表示為節(jié)點在一秒鐘內能夠傳輸?shù)淖畲笥行П忍財?shù)，DTE取決于接口卡的發(fā)送速率以及其他隨機因素；Ridle為可用信道在一段時間內的空閑時間比。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸速率

一個節(jié)點成功傳輸一個大小為SDATA的單播數(shù)據(jù)包所需的平均時間為T，該時間是從數(shù)據(jù)包開始傳輸進行計算，到ACK數(shù)據(jù)包被收到且信道又變?yōu)榭臻e為止。時間T中包含重傳時間DTE計算如下：

當?shù)趇次發(fā)送單播數(shù)據(jù)包時，所需時間Ti計算如下：

其中，TDATA和TACK是傳送數(shù)據(jù)幀和ACK幀數(shù)據(jù)所需的時間；BACKOFFi是在發(fā)送數(shù)據(jù)包前所需的平均退避時間；DIFS和SIFS是指IEEE 802.11標準中的幀間隔。

如式（4）所示，TDATA由兩部分組成，傳輸速率各不相同。第一部分以傳輸數(shù)據(jù)包速率（DR）來傳送數(shù)據(jù)幀以及MAC層頭幀所需的時間，第二部分以基本物理層規(guī)定的速率（BR）來傳輸物理層頭幀所需的時間。

ACK幀（ACKframe）及其物理層頭部幀都是以BR的速率近場傳輸，因此，傳輸ACK幀所需時間TACK計算如下：

在IEEE 802.11中，退避過程使用競爭窗口機制處理傳輸失敗。當節(jié)點傳送數(shù)據(jù)時，必須收到對方發(fā)送的確認幀，否則認為傳輸失敗。當節(jié)點發(fā)現(xiàn)傳輸失敗后，需要等待一段時間再發(fā)送數(shù)據(jù)。使用指數(shù)型退避算法（Exponential Backoff A lgorithm，EBA）計算等待時間：在發(fā)送數(shù)據(jù)前，在競爭窗口［0，W-1］之間隨機選擇一個退避時間W（W取決于重傳次數(shù)）。第一次傳輸數(shù)據(jù)時，W等于可能的最小值（CWmin）。在每次傳輸失敗后，W會翻倍，直至到達最大值（CWmax）。退避時間計算如下：

假設每次重傳數(shù)據(jù)幀都是相對獨立的，均有一個相應的成功率ps，那么第n次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)的成功率為p（n）計算如下：

其中，0≤n≤RL，RL是在IEEE 802.11標準中定義的最大重傳次數(shù)。傳輸一個數(shù)據(jù)幀的總時間T計算如下：

當求出總時間T后，將式（10）代入式（2）計算出DTE。由于在真實無線網(wǎng)絡環(huán)境中，ps是很難獲取到的，因此用本地節(jié)點及其鄰居節(jié)點的歷史數(shù)據(jù)來獲得ps的估計值。p0表示該節(jié)點之前發(fā)送數(shù)據(jù)包的成功率（i=0），pi表示該節(jié)點第i個鄰居的歷史發(fā)送成功率，i=1，2，…，m。ps計算如下：

2.3 信道空閑時間比

為預測信道的空閑時間比，引入NCSR（No Collision Sensing Range）閾值預測周圍傳輸情況。在一段時間Δt內，表示發(fā)送端使用NCSR檢測到信道忙碌的時間，表示發(fā)送端使用802.11的載波監(jiān)聽域（CS-threshold）檢測到信道忙的時間。依據(jù)文獻［11］的結論，信道空閑時間比Ridle計算如下：

2.4 多路徑下的消耗帶寬計算

本節(jié)主要介紹在多路徑下，一個特定節(jié)點被準入數(shù)據(jù)流消耗的帶寬計算。假設一條數(shù)據(jù)會話的帶寬需求是Breq，且該會話將通過n條路徑進行傳輸，那么定義Pi表示第i條路徑，Ri表示在路徑Pi上分配的發(fā)送速率，則Breq表示為：

當一個數(shù)據(jù)會話被準入后，需通過n條路徑進行傳輸，那么對于一個特定節(jié)點，該數(shù)據(jù)會話會消耗多少帶寬取決于：（1）該數(shù)據(jù)會話的傳輸路徑上有多少節(jié)點會與當前節(jié)點競爭信道；（2）每條路徑所分配的傳輸速率。基于以上因素，假設給定一個特定的節(jié)點x，被準入的數(shù)據(jù)會話對其消耗的帶寬為，計算如下：

其中，CSNx表示在節(jié)點x的載波監(jiān)聽范圍內的節(jié)點，包括x；｛Pid｝表示在第i條路徑上的節(jié)點，除了終點d；‖表示該集合的節(jié)點數(shù)。

對于任意一個節(jié)點x，假設它在該數(shù)據(jù)會話被準入前的可用帶寬為。當數(shù)據(jù)會話被準入后，剩余帶寬為，則剩余帶寬計算如下：

3 基于雙路徑路由的準入控制協(xié)議

3.1 雙路徑路由

本文提出的準入控制與路由相耦合，整個準入控制過程為：（1）智慧道路無線網(wǎng)絡的初始化；（2）路由發(fā)現(xiàn)，找到2條最優(yōu)路徑；（3）路由返回，進行準入控制。智慧道路無線網(wǎng)絡初始化是指網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都會定期發(fā)送數(shù)據(jù)包來交換和采集本地節(jié)點和鄰居節(jié)點的信息，因此，所有節(jié)點都會采集周圍的鄰居節(jié)點的信息并且記錄下來。

3.2 基于優(yōu)先級的可用帶寬計算

在智慧道路無線網(wǎng)絡中，由于數(shù)據(jù)流有不同優(yōu)先級，因此優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)流應當被優(yōu)先準入，如果一個特定節(jié)點，低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流被準入且剩余帶寬已經(jīng)不能滿足高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的情況下，低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流應當從準入的隊列中剔除，釋放出其占有帶寬來優(yōu)先滿足高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流。所以，在同一節(jié)點，不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流擁有不同的可用帶寬，對于高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流來說，節(jié)點可用帶寬是節(jié)點目前可用的帶寬減去低優(yōu)先級數(shù)據(jù)流預留的帶寬。

為方便計算某一個優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的可用帶寬總和，設計一個基于優(yōu)先級的帶寬預留索引表，如圖1所示，每個優(yōu)先級都有一個帶寬預留總和TBRi，即優(yōu)先級i下所有數(shù)據(jù)流帶寬預留的總和，每個優(yōu)先級有一個表格記錄每一個預留數(shù)據(jù)的信息。

圖1 優(yōu)先級帶寬預留索引表

3.3 路由發(fā)現(xiàn)

路由發(fā)現(xiàn)過程如下：源節(jié)點創(chuàng)建一個RREQ數(shù)據(jù)包并將它廣播到所有鄰居節(jié)點，該RREQ數(shù)據(jù)包包含一個數(shù)據(jù)包ID。當節(jié)點收到RREQ數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包ID與本地記錄作對比。如果在記錄中沒有找到該ID相應的記錄，那么記錄RREQ數(shù)據(jù)包信息，并在這個數(shù)據(jù)包中加入該節(jié)點的信息，包括此節(jié)點中基于該數(shù)據(jù)流優(yōu)先級的可用帶寬信息。否則將這個數(shù)據(jù)包直接丟棄。當RREQ數(shù)據(jù)包最終到達終節(jié)點時，包括從源節(jié)點到終節(jié)點整條路徑的所有信息。終節(jié)點通過設置一個時間窗口來收集RREQ數(shù)據(jù)包，該時間窗口的取值與路由延遲和發(fā)現(xiàn)路徑數(shù)目相關，如果窗口取值偏大，會增加路由延遲；如果窗口取值偏小，可能得不到需要的路徑數(shù)目。

3.4 路徑選擇和速率分配

當終節(jié)點收集到所有RREQ數(shù)據(jù)包后，在這些路徑中選出2條最優(yōu)路徑并為它們分配速率。

定義1 一條路徑P的可用帶寬設為RBp，它是該路徑上擁有最小可用帶寬的節(jié)點帶寬，這在一定程度上反映了整條路徑的傳輸能力，假設路徑P有n個節(jié)點，并且第x個節(jié)點的可用帶寬為Bxr，那么RBp計算如下：

定義2 假設ρ為一個路由節(jié)點不重合的路徑集合，這個路徑集合的可用帶寬為ρ中擁有最小可用帶寬的路徑帶寬RBρ，假設ρ=｛P1，P2，…，Pn｝，第x條路徑的可用帶寬為RBρx（x=1，2，…，n），那么RBρ計算如下：

求解max｛RB｛P1，P2|P1，P2∈ρ｝｝，使其滿足RBP1≥0，RBP2≥0，并且為2條路徑分配的速率R1，R2不僅要大于0，而且相加為請求準入數(shù)據(jù)流的帶寬需求Rreq。假設一個節(jié)點的可用帶寬與速率R呈線性關系，即a+b×R，且2條路徑分別有m個和n個節(jié)點，所以，2條路徑的RBp計算如下：

從定義2可以看出，當且僅當2條路徑的可用帶寬RBp相等時（RBP1=RBP2），才能取得多路徑下可用帶寬的最大值，即求出所有路徑中的瓶頸節(jié)點的可用帶寬，從中選出2條路徑，它們的瓶頸節(jié)點的可用帶寬相同且為最大值。假設求解得到2條路徑的瓶頸節(jié)點的帶寬相同且是所有路徑中的最大值，分別為節(jié)點i，j，RBP1=ai+bi×R，RBP2=cj+dj×R，所以，ai+bi×R=cj+dj×R，從而求得分配速率R。

3.5 路由返回和準入控制

當求出2條最優(yōu)路由路徑和分配速率后，終節(jié)點會發(fā)送2個分別攜帶2條路徑信息的RREP數(shù)據(jù)包（包含分配速率信息），并且將它們按原路返回源節(jié)點。當一個節(jié)點（包括源節(jié)點和終節(jié)點）收到RREP數(shù)據(jù)包后，進行準入控制，包括以下3種情況：

算法1 數(shù)據(jù)流釋放算法

輸出 數(shù)據(jù)流釋放表ReleaseTable［］

在計算出數(shù)據(jù)流釋放表ReleaseTable后，按照該列表進行低優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的帶寬釋放，滿足高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的帶寬要求。

算法2 基于雙路徑路由的準入控制算法

輸出 準入標志adm ittance

如果準入控制算法可以判斷出請求數(shù)據(jù)流被予以準入，則對此節(jié)點及其載波監(jiān)聽范圍（CSNx）內的節(jié)點進行資源預留。如果不予準入，則從候選路徑中選出2條最優(yōu)路徑進行路由返回及準入控制，直至沒有候選路徑符合要求為止。

4 實驗與結果分析

本文使用NS-2軟件評估DPAC性能。實驗使用802.11DCF和CSMA/CA作為MAC層協(xié)議。由于智慧交通的無線網(wǎng)絡拓撲基本是不會的，因此使用150個節(jié)點均勻地分布在邊長為2 000 m的正方形內進行模擬。傳輸范圍和載波監(jiān)聽范圍分別設為250 m和500 m。使用MSR，CACP-Multihop（CACP-M）和MSR-AC協(xié)議與DPAC進行比較。其中，MSR是一個多路徑路由協(xié)議；CACP-M ultihop是一個基于單路徑路由的準入控制協(xié)議；MSR-AC是在MSR的基礎上加入了準入控制的協(xié)議。雖然MSR和CACPMultihop都沒有將優(yōu)先級考慮在內，但是將DPAC和它們比較更加能夠體現(xiàn)出DPAC的高QoS、帶寬利用率以及優(yōu)先級。

使用UDP協(xié)議下的CBR流進行數(shù)據(jù)會話請求，每個數(shù)據(jù)包大小為1 000 Byte，信道容量為1 M b/s。源節(jié)點和終節(jié)點都是隨機選擇的，一旦選定，在整個實驗中都不會改變，假設有4個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流。模擬8個具有不同帶寬需求、不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)會話請求。流1、流3、流5、流7的帶寬需求為200 Kb/s，流2、流4、流6、流8的帶寬需求為100 Kb/s。優(yōu)先級分配為：流1、流2為優(yōu)先級4；流3、流4為優(yōu)先級3；流5、流6為優(yōu)先級2；流7、流8為優(yōu)先級1。數(shù)據(jù)流從流1開始發(fā)送請求，每隔30 s下一個數(shù)據(jù)流開始請求準入。

圖2分別展示了DPAC，CACP-M，MSR-AC，MSR協(xié)議8個數(shù)據(jù)流的平均吞吐量。可以看出，DPAC除流1外，平均吞吐量都接近帶寬需求，流1之所以沒有達到帶寬需求是因為當流8請求準入后，節(jié)點剩余帶寬不足，由于流8的優(yōu)先級最高，因此釋放具有較大帶寬需求的流1的帶寬，來滿足流8的請求。

圖2 數(shù)據(jù)流吞吐量

雖然CACP-M和MSR-AC的平均吞吐量都能基本滿足需求，但是流6、流7和流8都沒有數(shù)據(jù)，意味著流6、流7、流8的請求被拒絕，流6、流7、流8的優(yōu)先級相對較高，所以，CACP-M和MSR-AC不能滿足高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包請求。MSR的8個數(shù)據(jù)流均有數(shù)據(jù)，但是平均吞吐量相對較低，達不到數(shù)據(jù)流的帶寬需求。DPAC具有高平均吞吐量的原因就在于其利用雙路徑來分配帶寬，使得擁塞問題得以緩解、負載得到均衡。相反地，MSR未考慮擁塞和負載均衡，以至于當更多的數(shù)據(jù)流進行帶寬請求時，會導致性能大幅下降。

通過圖3數(shù)據(jù)可以看出，當有更多的數(shù)據(jù)流請求準入后，DPAC延遲仍保持穩(wěn)定，并且在DPAC中，數(shù)據(jù)流平均延遲都低于50 m s（由于流1在流8被準入后，其帶寬被釋放，因此流1的延遲數(shù)據(jù)不包含它被釋放后的延遲）。CACP-M和MSR-AC的延遲相對較低，但都要高于DPAC的延遲。MSR的延遲則相對較大，且當更多數(shù)據(jù)流進行請求時，它的延遲變得不穩(wěn)定，在最壞情況下，平均延遲達到0.2 s。

圖3 數(shù)據(jù)流延遲

圖4 表明，DPAC，CACP-M和MSR-AC的延遲抖動都很低，DPAC的平均抖動小于4 m s，而CACPM和MSR-AC的平均抖動小于6 m s，這樣傳輸抖動能夠提供很好的QoS服務。相反地，MSR平均抖動較大，最差情況下達到50 ms。

圖4 數(shù)據(jù)流延遲抖動

可以看出，DPAC在吞吐率、延遲和抖動方面均優(yōu)于現(xiàn)有的CACP-M，MSR-AC和MSR協(xié)議，并且DPAC加入了優(yōu)先級保障，當節(jié)點帶寬不足時，通過釋放低優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的帶寬來滿足高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的帶寬需求，使得優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)流帶寬得到保障。

5 結束語

在智慧交通系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包是有優(yōu)先級區(qū)分的。為了更好地滿足高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的帶寬需求，本文提出一個基于優(yōu)先級的雙路徑路由準入控制協(xié)議（DPAC），將路由與準入控制相結合，提高準入控制效率。同時將傳統(tǒng)的單路徑路由準入控制擴展為雙路徑路由準入控制，實現(xiàn)負載均衡及提供更好的服務質量。通過與傳統(tǒng)單路徑路由準入控制和雙路徑路由協(xié)議進行比較得出，DPCA在吞吐量、時延和抖動方面均具有較好性能。

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編輯 陸燕菲

Admission Control Protocol of Dual-path Routing for Intelligent Road Wireless Network

WU Yanqiong，CHEN Shiping
（School of Optical-Electrical and Computing Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China）

In the Intelligent Road（iRoad）system，in order to meet the throughput requirement of packets with different priority，this paper presents an admission control protocol of dual-path routing based on priority.It analyzes the node available bandwidth based on priority and sends the paths which satisfies the requirement by data streaming to the final routing node.After receiving all the candidate paths，it selects the two best paths to meet the data streaming bandwidth requirement.W hen the data packet returns from final routing node，the local node uses its surrounding node available bandwidth prediction to do admission control to ensure preferential access of high-priority data streaming.Simulation results show that compared with the single-path-based admission control，the proposed algorithm has higher throughput，lower latency and jitter，which guarantees bandwidth demand for high-priority data flow.

Intelligent Road（iRoad）；wireless network；priority；dual-path routing；admission control

吳彥瓊，陳世平.面向智慧道路無線網(wǎng)絡的雙路徑路由準入控制協(xié)議［J］.計算機工程，2015，41（11）：24-29，40.

英文引用格式：Wu Yanqiong，Chen Shiping.Admission Control Protocol of Dual-path Routing for Intelligent Road Wireless Network［J］.Computing Engineering，2015，41（11）：24-29，40.

1000-3428（2015）11-0024-06

A

TP393.02

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.11.005

國家自然科學基金資助項目（61170277，61472256）；上海市教委科研創(chuàng)新基金資助重點項目（12zz137）；上海市一流學科建設基金資助項目（S1201YLXK）。

吳彥瓊（1990-），女，碩士研究生，主研方向：無線通信，云計算；陳世平，教授、博士生導師。

2014-12-24

2015-01-27 E-m ail：adeline1899@126.com