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摘 要：OSI 分层模型是无线或有线网络设计中最基本最有影响力的标准协议结构，目前的绝大部分网络都使用这种分层协议模型，近年来跨层设计则是在无线通信领域中被学者提出的一项创新理论，颠覆了传统协议设计；该理论的创新在于改进了协议层之间的独立工作原则，使各层之间能够共同协作并为网络用户提供高质量的应用服务。
关键词：Ad Hoc网络；多路径路由协议；跨层设计
中图分类号：TN925
针对Ad Hoc网络路由协议的跨层设计是为了利用某些协议层之间的共享信息减少节点间相同协议层的信息交换和数据处理开销，全局优化网络的同时可以提供必要的QoS保障。下图表述了自适应方法的Ad Hoc网络跨层设计的协议层。链路层控制数据传送率、发送功率、编译码以适应上层的应用；MAC 层对时延、数据分组的优先级施行自适应控制；网络层根据当前节点、链路和业务状态信息合理地选择稳定可靠的路由；应用层根据其下层的状态信息提供尽力而为的QoS保障。
1 Ad Hoc网络跨层设计原理
跨层设计一定考虑Ad Hoc网络的如下特点：
（1）无线信道不同于有线信道，它复杂、衰减且易受干扰，其带宽受限。隐藏终端和暴露终端两种情况是Ad Hoc网络中常见的，增加了网络资源调度分配的难度。因此，各个节点之间如何在减少拥塞、避免冲突的情况下进行通信成为Ad Hoc网络技术中需要解决的关键问题之一。
（2）Ad Hoc网络具有无中心、节点体积小、多跳传输等特点。由于节点体积小，主板无法集成较多芯片，从而导致节点功能有限；节点间通过合作方式进行通信，同时具有终端和路由器两种功能；节点不仅能量受限，且需要处理、转发数据，维护状态信息及路由信息会导致节点负载和控制开销增加。因此，路由协议需要考虑到节点能耗和节点资源消费问题，以适应复杂的分布式控制算法。
（3）在Ad Hoc网络中，终端节点处于移动状态，无线网络拓扑结构和信道质量随时都在变化。信号衰减且互相干扰，容易产生多普勒效应；节点位置发生改变、信号干扰程度也在不断变化。
2 QoS基本概念及度量方法
QoS从某种意义上来讲是一种针对网络的安全机制，用来解决网络延迟、拥塞等问题。目前，比较常见的Ad Hoc网络QoS方法如下：
（1）动态服务质量保证机制。该方法基于资源预留、综合服务的，设定了预约请求范围，节点需在此范围内依据网络资源状况进行自适应调整并作出决策，更有效地提供应用服务。
（2）支持QoS的信道接入协议。在Ad Hoc网络中，该方法是在节点之间无线信道不相互影响的基础之上共享信道和资源。
（3）QoS路由：为用户提供充足的路由信息，各节点通过这些路由信息能够提高全网资源的利用率 ，并可寻找出符合QoS条件的路径。QoS路由是比较常见的方法，因为它易于与现有的路由算法相结合，扩展性较好。
QoS路由能够准确反映Ad Hoc网络的基本特性，其主要表现在路径优劣的度量上。度量包括：端到端时延、时延抖动、带宽、丢包率等参数。基 于A d Hoc的多跳特性，QoS路由的度量单位采用链路度量，则链路度量与路径度量的关系可分三种情况：
（1）相加型度量
（2）限制型度量
（3）相乘型度量
路径P度量是路径中各条链路度量相乘之积。v1、v2、…、vn表示路径P上的节点，Du（P）表示路径P的度量，Du（vi，vj）表示路径P上链路（vi，vj）的度量。
衡量路由的QoS指标很多 ，找出能够符合这些指标的QoS路径属于N P完全问题，可用带宽和丢包率最能够反映无线信道的质量和链路状态的变化，且这两个指标通过节点之间的信息交换容易获取；节点关于时延信息的获取本身是有时延的，虽然信息有点滞后，但被选择作为QoS参数比忽略该参数对寻找QoS路径更加科学。
3 ACQ-EAOMDV 路由协议的跨层设计
ACQ-EAOMDV 路由协议利用物理层、链路层和网络层进行跨层设计，同时在网络节点上增加了两个跨层模块，分别是参数采集模块和参数调用模块。参数采集模块主要负责在物理层、数据链路层和网络层上收集本节点与相邻节点之间的链路质量相关信息（链路时延、链路的投递率、数据传送速率和带宽等）、节点负载信息（节点时延信息、接口队列缓存容量的占用率等）和节点功率信息等；参数调用模块负载为网络层选取路由协议时提供统计信息，起到路由决策的作用。尽量避开负载较大的节点和传输质量差的无线链路，这样就可以降低网络拥塞概率，提高传输时延性能。
假设源节点中没有到达目的节点的路由信息，这时就必须启动路由发现，源节点广播 FANT 分组，FANT 分组通过中间节点的转发到达目的节点。FANT 分组每达到一个节点都会记录该节点的剩余能量信息、负载信息和QoS信息等。根据节点 MAC 层的估计时延和接口队列缓存容量的占有率来直接反映负载状况。ACQ-EAOMDV路由协议通过如下方法来处理节点出现的拥塞问题：
（1）利用相应的QoS参数以“扬低抑高”的机制来控制信息素浓度的更新幅度。利用信息素浓度设置一个拥塞临界值，若当前的信息素浓度小于或等于这个临界值时，增大 Ant-update 分组对信息素浓度增幅的影响；随着信息素浓度的不断增加，信息素浓度就会慢慢接近临界值，Ant-update 分组对信息素浓度增幅的影响就会逐渐减少；当信息素浓度超过临界值时就使信息素浓度负增长。
（2）处于拥塞的节点不会再接收后面发过来的 FANT，同时在其未恢复之前千万不选择其成为新路径上的节点；采用本章设计的允入控制机制可以帮助缓解和改善拥塞。
（3）当节点出现拥塞时，该节点会主动地以广播的形式发送 RANT 分组告知邻居节点自己处于拥塞状态，尽可能使该节点不作为后续数据分组的转发节点以缓解拥塞。
4 结语
本文在对Ad Hoc网络路由协议进行跨层设计时，充分地考虑了其特性和优缺点，引入了负载均衡技术和蚁群优化算法，针对如何适应频繁拓扑变化问题提出一种改进的ACQ-EAOMDV路由协议，在保证QoS的同时也平衡了网络节点能耗。在寻路阶段利用负载均衡技术使节点自适应解决自身拥塞问题，同时设计了四种控制机制来弥补在真实环境下被忽略的因拓扑结构动态变化而导致潜在的可用路径这一问题，不仅达到降低拥塞发生频率的效果，能减少寻路次数和能耗；蚁群优化算法和跨层设计方法的结合，使网络在QoS保障和能耗方面都有所提高，同时也可以完善负载均衡算法并提高网络的整体性能。
参考文献：
[1]王莎莎，朱国晖，王鑫.Ad Hoc网络负载均衡路由协议研究[J].现代电子技术，2013（03）：45-49.
[2]李梅.基于负载均衡的Ad Hoc网络路由协议研究[D].暨南大学，2012.
[3]Kim Y， Helmy A. Catch A Protocol Framework for Cross-Layer Attacker Traceback In Mobile Multihop networks[J].Ad HocNetworks，2010，8（2）：193-213.
作者简介：杨真（1980.02.05-），男，湖北襄樊人，硕士，研究方向：计算机网络。
作者单位：华东交通大学，南昌 330013
关键词：Ad Hoc网络；多路径路由协议；跨层设计
中图分类号：TN925
针对Ad Hoc网络路由协议的跨层设计是为了利用某些协议层之间的共享信息减少节点间相同协议层的信息交换和数据处理开销，全局优化网络的同时可以提供必要的QoS保障。下图表述了自适应方法的Ad Hoc网络跨层设计的协议层。链路层控制数据传送率、发送功率、编译码以适应上层的应用；MAC 层对时延、数据分组的优先级施行自适应控制；网络层根据当前节点、链路和业务状态信息合理地选择稳定可靠的路由；应用层根据其下层的状态信息提供尽力而为的QoS保障。
1 Ad Hoc网络跨层设计原理
跨层设计一定考虑Ad Hoc网络的如下特点：
（1）无线信道不同于有线信道，它复杂、衰减且易受干扰，其带宽受限。隐藏终端和暴露终端两种情况是Ad Hoc网络中常见的，增加了网络资源调度分配的难度。因此，各个节点之间如何在减少拥塞、避免冲突的情况下进行通信成为Ad Hoc网络技术中需要解决的关键问题之一。
（2）Ad Hoc网络具有无中心、节点体积小、多跳传输等特点。由于节点体积小，主板无法集成较多芯片，从而导致节点功能有限；节点间通过合作方式进行通信，同时具有终端和路由器两种功能；节点不仅能量受限，且需要处理、转发数据，维护状态信息及路由信息会导致节点负载和控制开销增加。因此，路由协议需要考虑到节点能耗和节点资源消费问题，以适应复杂的分布式控制算法。
（3）在Ad Hoc网络中，终端节点处于移动状态，无线网络拓扑结构和信道质量随时都在变化。信号衰减且互相干扰，容易产生多普勒效应；节点位置发生改变、信号干扰程度也在不断变化。
2 QoS基本概念及度量方法
QoS从某种意义上来讲是一种针对网络的安全机制，用来解决网络延迟、拥塞等问题。目前，比较常见的Ad Hoc网络QoS方法如下：
（1）动态服务质量保证机制。该方法基于资源预留、综合服务的，设定了预约请求范围，节点需在此范围内依据网络资源状况进行自适应调整并作出决策，更有效地提供应用服务。
（2）支持QoS的信道接入协议。在Ad Hoc网络中，该方法是在节点之间无线信道不相互影响的基础之上共享信道和资源。
（3）QoS路由：为用户提供充足的路由信息，各节点通过这些路由信息能够提高全网资源的利用率 ，并可寻找出符合QoS条件的路径。QoS路由是比较常见的方法，因为它易于与现有的路由算法相结合，扩展性较好。
QoS路由能够准确反映Ad Hoc网络的基本特性，其主要表现在路径优劣的度量上。度量包括：端到端时延、时延抖动、带宽、丢包率等参数。基 于A d Hoc的多跳特性，QoS路由的度量单位采用链路度量，则链路度量与路径度量的关系可分三种情况：
（1）相加型度量
（2）限制型度量
（3）相乘型度量
路径P度量是路径中各条链路度量相乘之积。v1、v2、…、vn表示路径P上的节点，Du（P）表示路径P的度量，Du（vi，vj）表示路径P上链路（vi，vj）的度量。
衡量路由的QoS指标很多 ，找出能够符合这些指标的QoS路径属于N P完全问题，可用带宽和丢包率最能够反映无线信道的质量和链路状态的变化，且这两个指标通过节点之间的信息交换容易获取；节点关于时延信息的获取本身是有时延的，虽然信息有点滞后，但被选择作为QoS参数比忽略该参数对寻找QoS路径更加科学。
3 ACQ-EAOMDV 路由协议的跨层设计
ACQ-EAOMDV 路由协议利用物理层、链路层和网络层进行跨层设计，同时在网络节点上增加了两个跨层模块，分别是参数采集模块和参数调用模块。参数采集模块主要负责在物理层、数据链路层和网络层上收集本节点与相邻节点之间的链路质量相关信息（链路时延、链路的投递率、数据传送速率和带宽等）、节点负载信息（节点时延信息、接口队列缓存容量的占用率等）和节点功率信息等；参数调用模块负载为网络层选取路由协议时提供统计信息，起到路由决策的作用。尽量避开负载较大的节点和传输质量差的无线链路，这样就可以降低网络拥塞概率，提高传输时延性能。
假设源节点中没有到达目的节点的路由信息，这时就必须启动路由发现，源节点广播 FANT 分组，FANT 分组通过中间节点的转发到达目的节点。FANT 分组每达到一个节点都会记录该节点的剩余能量信息、负载信息和QoS信息等。根据节点 MAC 层的估计时延和接口队列缓存容量的占有率来直接反映负载状况。ACQ-EAOMDV路由协议通过如下方法来处理节点出现的拥塞问题：
（1）利用相应的QoS参数以“扬低抑高”的机制来控制信息素浓度的更新幅度。利用信息素浓度设置一个拥塞临界值，若当前的信息素浓度小于或等于这个临界值时，增大 Ant-update 分组对信息素浓度增幅的影响；随着信息素浓度的不断增加，信息素浓度就会慢慢接近临界值，Ant-update 分组对信息素浓度增幅的影响就会逐渐减少；当信息素浓度超过临界值时就使信息素浓度负增长。
（2）处于拥塞的节点不会再接收后面发过来的 FANT，同时在其未恢复之前千万不选择其成为新路径上的节点；采用本章设计的允入控制机制可以帮助缓解和改善拥塞。
（3）当节点出现拥塞时，该节点会主动地以广播的形式发送 RANT 分组告知邻居节点自己处于拥塞状态，尽可能使该节点不作为后续数据分组的转发节点以缓解拥塞。
4 结语
本文在对Ad Hoc网络路由协议进行跨层设计时，充分地考虑了其特性和优缺点，引入了负载均衡技术和蚁群优化算法，针对如何适应频繁拓扑变化问题提出一种改进的ACQ-EAOMDV路由协议，在保证QoS的同时也平衡了网络节点能耗。在寻路阶段利用负载均衡技术使节点自适应解决自身拥塞问题，同时设计了四种控制机制来弥补在真实环境下被忽略的因拓扑结构动态变化而导致潜在的可用路径这一问题，不仅达到降低拥塞发生频率的效果，能减少寻路次数和能耗；蚁群优化算法和跨层设计方法的结合，使网络在QoS保障和能耗方面都有所提高，同时也可以完善负载均衡算法并提高网络的整体性能。
参考文献：
[1]王莎莎，朱国晖，王鑫.Ad Hoc网络负载均衡路由协议研究[J].现代电子技术，2013（03）：45-49.
[2]李梅.基于负载均衡的Ad Hoc网络路由协议研究[D].暨南大学，2012.
[3]Kim Y， Helmy A. Catch A Protocol Framework for Cross-Layer Attacker Traceback In Mobile Multihop networks[J].Ad HocNetworks，2010，8（2）：193-213.
作者简介：杨真（1980.02.05-），男，湖北襄樊人，硕士，研究方向：计算机网络。
作者单位：华东交通大学，南昌 330013