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1 ISSN , CODEN RUXUEW Journal of Software, Vol.21, No.12, December 2010, pp doi: /SP.J Tel/Fax: by Institute of Software, the Chinese Academy of Sciences. All rights reserved. Ad Hoc QoS 1,2+, 1, 1, 2 1 (, ) 2 (, ) QoS-Aware Cross Layer Resource Allocation Algorithm in Wireless Ad Hoc Networks HAN Bing-Qing 1,2+, ZHANG Hong 1, LIU Feng-Yu 1, CHEN Wei 2 1 (School of Computer Science and Technology, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing , China) 2 (School of Information and Science, Nanjing Audit University, Nanjing , China) + Corresponding author: hbq_2000@163.com Han BQ, Zhang H, Liu FY, Chen W. QoS-Aware cross layer resource allocation algorithm in wireless ad hoc networks. Journal of Software, 2010,21(12): Abstract: Based on analyzing the resource allocation model in wireless Ad Hoc networks, a QoS-aware cross layer resource allocation algorithm, CL-QARA (cross layer QoS aware resource allocation) algorithm, is proposed. The purpose of CL-QARA algorithm is to introduce price and QoS bandwidth to measure resource allocation. The dynamic resource allocation information in the network layer is combined with the CSMA/CA admission control in the MAC layer to improve the backoff algorithm. A new backoff algorithm and call admission control algorithm is designed to implement a cross layer technique between the MAC layer and network layer. The QoS-aware resource allocation algorithm cooperates with the cross layer technique to provide the QoS guarantee. The simulation results show that CL-QARA has good convergence and stability. Compared to other algorithms, CL-QARA provides better QoS guarantee. CL-QARA also improves the network utility and performance. Key words: resource allocation; ad hoc network; QoS; cross-layer technique; price : Ad Hoc, QoS CL-QARA (cross layer QoS aware resource allocation).,, QoS, MAC CSMA/CA, MAC., MAC. QoS, QoS.,CL-QARA.,CL-QARA QoS,. Supported by the National Natural Science Foundation of China under Grant Nos , , ( ); the Jiangsu Provincial Natural Science Foundation of China under Grant Nos.BK , BK (); the National Science Foundation of Jiangsu Higher Education Institutions of China under Grant No.10KJB ( ) Received ; Revised ; Accepted
2 : Ad Hoc QoS 3139 : ;Ad Hoc ;;; : TP393 : A Ad Hoc,,.Ad Hoc,, [1].Ad Hoc.,, (hop), Ad Hoc.Ad Hoc,,( Internet ) Ad Hoc.,(QoS),. Ad Hoc,,(QoS),.,[2,3],,,,., Ad Hoc. [4 8]. IEEE ,MACAW CB-fair, [4].[5],.[6],.Xue,Li [7,8] Ad Hoc, GPA,.Curescu [9,10] - TARA,,,.Luthi [11],,,TARA., Ad Hoc (QoS),. :(1) Ad Hoc.,;(2) MAC,, MAC, QoS CL-QARA.,:,.,CL-QARA,.,CL-QARA, QoS,. 1 Ad Hoc 1.1 Ad Hoc Ad Hoc 3,:(1).,;(2).,;(3).,.,Ad Hoc,,.Ad Hoc
3 3140 Journal of Software Vol.21, No.12, December 2010., Ad Hoc. 1.2 :, MAC.. f F U f (x f ),. U f (x f ), Ad Hoc, -,: P * : = max U ( x ) (1) f F f f s.t. Rqf xf Cq, q Q (2) f F 0x f M f f F (3) (3),M f f.(1):.(2) q : q, q.(3),. (1),(2)(3),,.(1),. 1.3 Ad Hoc (1) Lx (, µ ) = U f( xf) µ q Rqfxf Cq f F q Q f F = U ( x ) x µ R + µ C f F f F q Q q Q f f f q qf q q,µ=(µ q,q Q),µ q q.(4), x f, (1),D(µ) [8] L( x, µ ) = U ( x ) x µ R + µ C f F q Q q Q (5) f f f q qf q q * D : = min D( µ ) µ 0 D( µ ) = max L( x, µ ) = max U ( x ) x µ R + µ C (7) f f f q qf q q x X x X f F q: f q 0 q Q (8) λ = µ R = µ f q qf q qf : q 0 ll : fql : q (8),µ q q, q ;,λ f f. w f f, x f =w f /λ f. (4) (6)
4 : Ad Hoc QoS QoS Ad Hoc QARA 2.1 SRA (standard resource allocation) x f ϕ f (x f )=U f (x f ) λ f x f (9) x ( λ ) = argmax{ ϕ ( x )} (10) f f f f xf If [12] (7). D(µ), q : D( µ ( t)) µ q( t + 1) = µ q( t) γ µ q,γ,t. U f, D(µ) [12].(7)(8), : (12)(11),: q f f qf µ q f: f q 0 + (11) D( µ ) = C x ( λ ) R (12) µ q( t + 1) = µ q( t) γ Cq xf ( λf ( t)) Rqf (13) f: f q 0 (13): q C q,, µ q ;,,µ q.(8)(13),. (SRA): (1) q 1,q 2,q 3, µ q (0) (2) (13)µ q (t+1) (3) if µ ( t + 1) > µ q * q (4) x f (t+1)=[x f (t) δ f (µ q (t+1) µ q (t))] + (5) else (6) x f (t+1)=x f (t)+,x f (t) f,µ q (t) q,,δ f., µ. q * q, q µ q (t+1). µ,;, q,.,,. 2.2 MACIEEE DCF DCF IEEE DCF CSMA/CA.DCF :(CS) (IFS)(backoff). DCF,. DIFS, MAC ;,,,.IEEE MAC BEB(binary exponential backoff): + * q
5 3142 Journal of Software Vol.21, No.12, December 2010 W time =Random(0,CW) SlotTime (14),CW, IEEE ,SlotTime IEEE BEB F inc F dec : F F inc dec = Min(2 CW, CWmax ) = CW min, F dec ;, F inc.,,,.,beb.;,beb DCF MAC, IEEE DCF,: (1) DCF,. RTS Price Level, CTS Level, 1. Level=1,; Level=2,; Level=3,.Level,,,, QoS. Octets Frame control Duration RA TA Price Level FCS RTS frame format Octets Frame control Duration RA Level FCS Fig.1 CTS frame format Modified frame format of RTS and CTS 1 RTS CTS (2) IEEE DCF,,.,,.,. 2, DCF, MAC 3 DCF,. DIFS,CW min CW max, 1. (15) Classify access queue Queue 1 Queue 2 Queue 3 Priority handler Transmit Fig.2 DCF parallel access queues in station 2 DCF Table 1 Parameters setting of each queue 1 Access queue Level Traffic DIFS CW min CW max
6 : Ad Hoc QoS Best effort Middle priority High priority (3) IEEE DCF BEB., Price Level, P : P=α Price+β Level (16),α,β Price Level, P bas. P>P bas,,., max(cw/2,cw/p) CW, CW ;, 2 max(cw,cw/p) CW,.: CWprior = max( CW / 2, CW / P), (17) CWprior = 2 max( CW, CW / P), P<P bas,., CW 1 CW;, CW prior =2 min(cw,cw/p), CW.: CWprior = CW 1, CWprior = 2 min( CW, CW / P), 2.2.3, 3,, QoS,;,:,. P, Price Level, 0., CW,,,;,,. 2.3 QoS (call admission control, CAC)(rate control, RC), QoS.,,,.,,,. QoS QARA. :. QoS,. (1) QoS, QoS.,.[13]. T T b,,(19). (2) CAC (18) B a =(1 T b /T) B c (19) u QoS B q,,.(19), B a, B q B a, ;,. (3) RC
7 3144 Journal of Software Vol.21, No.12, December 2010,.,,. x u, x u B a L u [14] :x u B a /L u. QoS (QARA): (1) q 1,q 2,q 3, µ q (0) (2) q i, f i,: if µ ( t + 1) > µ q * q x f (t+1)=[x f (t) δ f (µ q (t+1) µ q (t))] + else x f (t+1)=x f (t)+ (3) k, CAC: B a If B q B a k Else If k QoS, RC, End IF End IF QARA 2.2 MAC, 3 :. QoS,,,,. 3,, QoS, QoS.,,.,QARA QoS. 3 QoS CL-QARA 3.1,, Ad Hoc., Ad Hoc,.,,.Ad Hoc QoS,. Ad Hoc.,,,,. MAC. MAC CSMA/CA, MAC. MAC, MAC. MAC,.,,,.
8 : Ad Hoc QoS MAC Ad Hoc QoS,CL-QARA DCF MAC AOMDV(ad-hoc on-demand multi-path distance vector) [15].,, AOMDV. 2.3 QARA, QoS CL-QARA, 3. Routing layer AOMDV Send/Receive data Hello agent Subflow procedure CL-QARA MAC layer DCF Scheduler Channel bandwidth estimator Price cache Gradient cache Clique procedure Improved BEB Improved CAC Rate control algorithm Data path Control path Fig.3 Cross layer architecture for CL-QARA 3 CL-QARA 3,CL-QARA MAC DCF, CAC, RC.,;,,. 3.3 AOMDV CL-QARA AODV AOMDV [15],: (1) RREQ PRICE, RREQ,.,, HELLO,; (2), RREQ, (); (3) RREP PRICE_UPDATE, RREQ, RREP,., PRICE_UPDATE TRUE,; (4) PRICE_UPDATE,,. AOMDV,, QoS 3,: n i i i W = ( α WPRICE + β WUTILITY + γ WBAND) (20) i= 1 i i,w, WPRICE, WUTILITY W i BAND i QoS,α,β,γ
9 3146 Journal of Software Vol.21, No.12, December 2010 i i WPRICE, WUTILITY i i i i WBAND. WPRICE, W, W,. UTILITY CL-QARA, QoS., W MAC,. 3.4 QoSCL-QARA MAC, CL-QARA : 1. AOMDV,. 2. HELLO,(8)(13) BAND QoS.(20) W, W. 3. W MAC,(17)(18) CW. 4. MAC QoS,,. 5. QoS, CAC. 6. RC, QoS,, QoS. 7., 2. CL-QARA MAC CSMA/CA, MAC. QoS MAC, MAC QoS,. BEB CAC, QoS NS-2.32 CL-QARA, CL-QARA.:, TwoRayGround. 2Mbps.MAC IEEE DCF ( HMAC ), 250m, 550m; AOMDV ( HAOMDV ), U f (x f )=ln(x f ), byte,(CBR)., Table 2 Simulation parameters 2 Parameters Time Traffic Bandwidth MAC protocol Routing protocol Values 600s CBR 2Mbps HMAC HAOMDV. CL-QARA, CL-QARA. 2, 2, , 1 2,(CBR)., 1 2.
10 : Ad Hoc QoS 3147 (1) 5.:0~2s, flow 1,flow 2, flow 1 flow 2 ; 2s~50s, flow 1, flow 2. CL-QARA,,, ;flow 1 flow 2 50s,;50s~200s, CL-QARA. 5 : 1,flow 1 ;, 1,;. Source 1 Source 2 Flow 1 Data flow 1 Data flow Flow Flow 2 Flow 1 Destination Flow Flow 2 50 Node Interference range Time (s) Data rate (Kbps) Fig.4 Static topology scene 4 Fig.5 Rate allocation of data flow 5 (2) 6.:, flow 1 flow 2 ; 0s~50s,2, flow 1 flow 2.,, flow 1 flow 2, 5 ; 50s~200s,.,.,, CL-QARA. (3) 7,:0s~50s,., 1 2, 1 2 ;, CL-QARA CAC BEB,,.,, CL- QARA., flow 1 flow 2. 1 CBR 2, 1 2., CL-QARA QoS, Flow 1 Flow 1 9 Flow Flow 2 8 Flow Flow Time (s) Time (s) Data flow price Throughput (Kbps)
11 3148 Journal of Software Vol.21, No.12, December 2010 Fig.6 Change of data flow price 6 Fig.7 Network throughput m 2, 250m, 2Mbps,CBR 20, 1 024bit;, 0m/s~v max (v max ), 300s, 0,50,100,150,200,300s 6 ; QoS, CL-QARA QoS. 8. Fig.8 Dynamic topology scene CL-QARA, CL-QARA 8., SRA. MAC IEEE DCF, AODV,.,-,,.,.[9] altbid [16] RBBS ( [9,16]). 9,,,4 100 CL-QARA RBBS. 0s,,CL-QARA 80 altbid SRA SRA 60.2ms, altbid 45ms, 60 RBBS 10ms,CL-QARA s, CL-QARA 20.,CL-QARA SRA altbid RBBS, 4. Pause time (s) CL-QARA MAC Fig.9 Average end-end delay compare,, 9,,. 10.,CL-QARA. RBBS,CL-QARA 23%; altbid,cl-qara 43.8%; SRA,CL-QARA 75.2%. 0 ( ),.,. 100s~200s,. 100s,, ; 200s,,. 200s~300s,.,.,CL-QARA. Average end-end delay (ms)
12 : Ad Hoc QoS 3149,, CL-QARA. 11,X (m/s),y. v max 5m/s,10m/s,15m/s 20m/s 4. 5, 600s,CBR 30, 1 024bit. 11,,4,.:SRA,CL-QARA 4, SRA ;CL-QARA RBBS 15%, altbid 30%., 15m/s~20m/s,RBBS altbid SRA, CL-QARA,. CL-QARA CL-QARA,. Average throughput (Kbps) Pause time (s) CL-QARA RBBS altbid SRA Utility CL-QARA RBBS altbid SRA Average speed (m/s) Fig.10 Average throughput compare 10 Fig.11 Utility compare in mobile scene 11 5 Ad Hoc, QoS CL-QARA., QoS, MAC CSMA/CA, MAC. MAC, MAC, CAC. QoS, QoS. CL-QARA. CL-QARA RBBS altbid SRA,, 3,CL-QARA 4 ;,CL-QARA. CL-QARA,,.,:,,;, MAC,,.,. References:
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14 : Ad Hoc QoS 3151 (1956),,,,CCF,,. (1976),,,,CCF,.
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