基于模糊调度器的移动自组织网络DSR协议QoS分析

Rohit Gupta¹, O.P.Sharma²

印度斋浦尔普尔尼玛工程学院ECE系硕士，学者，技术硕士
印度斋浦尔普尔尼玛工程学院欧洲经委会系教授2

摘要

移动自组织网络是由相互连接的移动设备组成的自配置的无基础设施无线网络。ad-hoc网络的主要挑战在于使多播通信适应环境，其中移动性是无限的，故障是频繁的。这样的问题增加了延迟，降低了吞吐量。为了应对这些挑战，本文提出了一种利用MANET中的模糊逻辑来提高DSR协议性能的算法。在无线adhoc网络中数据包调度程序以FIFO顺序服务。本文以DSR为路由协议，提出了一种基于模糊优先级调度器的MANET报文优先级确定方法。使用网络模拟器2.34进行性能检查。调度程序根据定量指标进行评估，如数据包交付比、端到端延迟和吞吐量。提出了一种多分组调度的模糊方法，将调度参数作为模糊变量处理。

关键字

移动自组织网络，模糊优先级调度，DSR, NS2.34

介绍

移动自组织网络(manet)是完全由移动节点组成的无线网络，这些移动节点无需基站就能进行通信。这些网络中的节点将生成用户和应用程序流量，并执行网络控制和路由协议。快速变化的连接性、网络分区、更高的错误率、碰撞干扰、带宽和功率限制共同为网络控制带来了新问题，特别是在设计更高级别的协议(如路由和实现具有服务质量要求的应用程序)时。由于节点是可移动的，所以网络拓扑可能会随着时间的推移迅速而不可预测地变化。网络是去中心化的，所有网络活动，包括发现拓扑和传递消息，都必须由节点自己执行。因此，路由功能必须被整合到移动节点中。

在图1所示的网络中，节点的移动性和无线介质易出错的特性给网络带来了频繁的路由变化和丢包等挑战。这种问题增加了数据包延迟，降低了吞吐量，降低了服务质量。为了使性能更好，可以使用调度器。C.Gomathy et al.[1]设计了一个基于模糊的优先级调度程序来确定数据包的优先级。Kumar et al.[2]定义了如何提高MANET中的端到端QoS目标。Mary Bader等人的[3]主要关注路由协议——如何尽可能高效地逐跳路由数据包和介质访问控制(MAC——如何有效地共享介质)。

提出了一种改进无线自组织网络QoS参数的模糊调度器。使用调度算法，整体端到端性能将得到改善，该算法还决定数据包的优先级，以便下一个队列将处理哪个数据包。如果不使用调度方案，则数据包将以FIFO方式处理，即先入先出的方式，由于频繁的数据包丢弃。这种技术的缺点是它不能区分不同的连接。因此，选择调度算法来决定接下来要处理哪个队列数据包将对整体端到端性能产生重大影响。

为了提高MANET的QoS，人们进行了大量的研究。[4]等研究论文关注路由协议，以提高链路稳定性，端到端延迟和带宽优化。论文[5]提出了一种有效的MANET节点间数据传播的编码方案。论文[6][7]比较了各种路由协议在移动性、延迟、丢包和网络拥塞方面的性能，[8]讨论了MANET中的链路稳定性。论文[9]，采用了两个输入变量和一个输出(优先级指标)的模糊推理系统。两个输入变量分别是信道容量和数据速率;这些被用来确定要调度的数据包的优先级索引。在[10]中讨论了基于缓冲区大小和报文所受跳数的MANET模糊调度问题。

域的协议

A. DSR协议

动态源路由(DSR)是一种用于无线网状网络的路由协议。但是，它使用源路由，而不是依赖每个中间设备上的路由表。该协议真正基于源路由，所有路由信息都在移动节点上维护(不断更新)。它只有两个主要阶段，即路由发现和路由维护。只有当消息到达预定的目的节点时才会生成路由应答。为了返回路由应答，目的节点必须有到源节点的路由。如果路由在目的节点的路由缓存中，则会使用该路由。否则，节点将根据路由请求消息头中的路由记录反转路由。在致命传输事件中，路由维护阶段被启动，路由错误包在节点上生成。错误的跳将从节点的路由缓存中删除; all routes containing the hop are truncated at that point. Again, the Route Discovery Phase is initiated to determine the most viable route. The basic approach of this protocol (and all other on-demand routing protocols) during the route construction phase is to establish a route by flooding Route Request packets in the network. This protocol uses a reactive approach which eliminates the need to periodically flood the network with table update messages which are required in a table-driven approach.

B.报文调度方案

为了提高MANET的服务质量，需要一种调度方案。这是一种算法，用于确定线程或数据流访问可用资源的顺序。来自不同流的包到达一个节点，调度器用于公平地对待各个流，以提高服务质量。现有的一些常规调度算法有FIFO、优先级排队(PQ)和加权公平排队(WFQ);[11]:在FIFO中:各种数据包流被保存在缓冲区中，直到它们准备好被队列处理。最先到达队列的数据包将首先被服务，而任何其他稍后到达的数据包将不得不在队列中等待，直到所有先前的数据包都被服务完毕。如果平均数据包到达速率大于队列处理速率，队列将无法应对数据包到达的强度，从而发生拥塞。因此，数据包将被队列丢弃，因为队列缓冲区已经满了，或者它已经超过了队列中的等待阈值。

模糊调度方案

A.模糊逻辑

模糊系统的定义具有很强的数学基础。模糊系统是基于规则的系统。它是一个规则库系统，由一组IF-THEN规则组成。规则是一些以连续隶属函数为特征的工作的语句。模糊模型由知识库模糊器、知识库解模糊器和推理引擎组成，如图2所示。

B.模糊算法

模糊逻辑有两种基本的方法或算法。第一个是Mamdani算法，第二个是Sugeno算法，这两个算法都是针对模糊概念而开发的。本文利用Mamdani算法，提出了动态源路由协议中的模糊调度器概念。Mamdani算法描述如下。

循环系统永远在运行

对于每个DSR包队列，队列执行以下操作:

步骤1:对于每个就绪数据包P(在数据包队列中并准备传输的数据包)

将其提供给规则库调度系统引擎。

考虑具有P包优先级的模糊系统的输出。

步骤2:执行优先级最高的包，直到任何调度事件发生(运行包结束，直到新包到达)

步骤3:更新DSR队列

结束

结束循环\ \ C。模糊调度器

该模糊调度器具有两个输入变量和一个输出变量，即每个包的优先级指标。在这个模型中，所有考虑的输入都有助于拥塞(内部和外部)，不像以前的模糊调度方案。模糊模型的两个输入是数据包关联的各个节点的数据速率和信道容量，如图3所示。对输入进行模糊化、隐含化、聚合化和去模糊化，得到清晰值，即输出的优先级指标。

本节提出了一种改进的基于规则的模糊调度器，它同时处理任务优先级和执行时间。基于模糊的决策者(FDM)有一个改进的基于规则的模糊调度程序，它处理任务优先级和它的执行时间。提出了一种基于模糊的决策者(FDM)，根据数据包优先级(Po)及其过期时间(Ex)计算所有数据包的新优先级(Pn)，如表1所示。测量变量被转换成合适的语言变量。在此应用程序中，使用以下语言变量作为优先级(Po)和新的计算优先级(Pn);非常低(VL)、低(L)、中(M)、高(H)、非常高(VH)。失效时间(Ex)的模糊集定义为Low (L)、Medium (M)和High (H)。所提出的模糊决策者是描述测量变量(Po和Ex)与计算输出(Pn)之间关系的语言规则的集合。

这些规则是经过仔细定义的，如表1所示。为了说明第一条规则，可以这样解释:“如果过期时间较低，数据速率较低，通道容量较低，则优先级索引较低。”在该规则中，由于数据速率和通道容量较低，且报文关联的时延较低，所以优先级索引设置为低。第九条规则解释为:“如果过期时间低，数据速率高，信道容量高，则优先级指数非常低。”在该规则中，即使超时时间不变，但数据速率和通道容量都很高，优先级指标设置为非常低。类似地，其他规则也有框架。优先级索引如果很低，则表示报文与最高优先级相关联，将立即调度。如果索引值非常高，则报文优先级最低，只有对高优先级报文进行调度后才会进行调度。一个元素属于给定集合的程度称为隶属度。隶属度函数如图4所示。

绩效评估

A.仿真设置网络模拟器NS2.3[12][13]提供了无线网络的可伸缩仿真，并有助于分析和评估所提出的模糊调度器的性能。在这个模拟中，50个移动节点以1500m×300m大小的矩形区域移动。选择矩形域，使任意两个节点之间的平均跳距比具有相同面积的正方形域的平均跳距大。每次运行的持续时间为900秒模拟。所使用的移动模型为随机路点模型[14]。所使用的无线电模型是双射线模型[15]。不同暂停时间使用的移动速率为0、45、90、180、270、540、720和900秒。最大移动速度为20mps。流量源为CBR UDP。每个数据包长度为512字节，因此每个会话的数据传输速率为2kbps。

B.结果与评价

1)数据包发送比:实际发送到目的地的数据包数量与应该接收的数据包数量之比。这显示了协议的有效性。

2)平均端到端延迟:它表示数据包从源端到目的端的应用层所花费的时间。

3)丢包(Dropped Packets):丢包是指链路中断和碰撞时丢弃的数据包。

结论

提出了一种基于模糊概念的移动自组织网络QoS参数优先级调度方法，分析了基于模糊的移动自组织网络QoS参数优先级调度方法的性能。它结合信道容量、数据速率等输入参数，得到优先级指标。模糊调度程序将优先级索引附加到节点队列中的每个包。crisp值是根据从网络发送的数据包的队列长度、数据速率和过期时间等输入来计算的。从以上结果可以看出，模糊DSR下的包传递比简单DSR下的包传递比更好。当使用模糊DSR时，平均端到端延迟和丢包也得到了改善，并显示出更好的结果。

表格一览

表1

数字一览


图1	图2	图3	图4

图5一个	图5 b	图5 c

参考文献

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