行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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群組行動電腦網路上網路架構與拓樸管理之研究
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計畫類別：□個別型計畫
計畫編號：NSC
89-2218-E-004-003
執行期間：
89 年
8 月
1
日至
90 年 7 月 31 日
計畫主持人： 連耀南
共同主持人：
執行單位： 國立政治大學
中
華
民
國
90 年 10 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
群組行動電腦網路上網路架構與拓樸管理之研究
Research of Network Architecture and Topology Management
for Hybrid Ad Hoc Mobile Computer Networks
計劃編號: NSC 89-2218-E-004-003
執行期限: 89/08/01~90/07/31
主持人: 連耀南 國立政治大學資訊科學系
Email:lien@cherry.cs.nccu.edu.tw
計畫參與人員：邱宏昌 國立政治大學資訊科學系
一、中文摘要
本研究利用一個廣域的行動數據通訊系 統、一組隨意型無線區域網路建構一個群 組行動電腦網路（簡稱 MobileLAN），這 種網路可提供使用者行動資訊服務。由於 無線網路信號強度、路徑長度、中介系統 之容量、移動性與負載等諸多因素之影 響，本架構之拓樸結構會影響無線網路傳 輸效能，拓樸管理必須針對不同的應用， 控制群組行動電腦網路之拓樸結構，以提 升網路對該應用的服務品質。對拓樸管理 來說，所謂繞徑選擇是指從一個網路中所 有可能的通訊路徑所形成的拓樸結構中， 決定一組次拓樸，讓所有行動台循此拓樸 結構互相通訊，繞徑選擇方式直接影響拓 樸管理效能，然而在現有隨意型無線網路 的繞徑協定多以路徑節點數作為繞徑選擇 依據，並未考慮到信號強度與系統負載等 因素。在本研究中，我們提出階層式負載 平衡演算法在群組行動電腦網路中，能有 效降低傳統以減少路徑節點數所形成網路 擁塞，減少封包平均傳輸時間，同時也避 免部份節點因轉送負荷量過大而癱瘓，提 高整體網路穩定性。 關鍵詞：行動計算，行動電腦網路 Abstr actIn our previous study, we constructed a Hybrid Ad Hoc Mobile Computer Network by integrating a wide-area mobile data
communication system and an Ad Hoc wireless LAN, called MobileLAN. A MobileLAN can provide group mobile users the ubiquitous information access capability. In a wireless communications environment, the performance will be affected by various factors such as signal strength, route length, system load, etc. Such a system must manage its topology carefully in order to maintain the quality of service. Routing in a MobileLAN is actually to select a sub-topology from the original network topology and let all the communications follow the paths defined by the selected sub-topology. Current routing algorithms are mostly concerned with the path length, i.e. the number of hops, between the source nodes and the destination nodes. The signal strength and the system load are all ignored. In this study, we proposed a hierarchical load balancing routing algorithms to overcome the mentioned above shortcoming. Our simulation results show that our approach may reduce the average packet transmission time as well as avoid potential hot-spot effect.
KEY WORDS: Mobile Computing, Mobile
LAN. 二、緣由與目的 行動資訊服務環境的理想，是要提供 一個無所不在的資訊環境，讓資訊使用者 可以在任何地方，任何時間，利用各種有 線或無線的傳輸網路，去運用網路上的資
訊資源。現階段的行動通訊能力尚不足以 提供行動使用者經濟有效的寬頻通訊能力 以支援即時多媒體的資訊傳輸。主要的技 術障礙是：通訊頻寬太低、通訊品質不佳、 電池能量有限以及作業環境的複雜。這些 物理的限制，無法在短期間內克服。雖然 無線通訊界已經在發展第三代行動通訊系 統（IMT-2000）以提供較高的頻寬給行動 使用者，但是頻寬是一項珍貴的資源，今 後即使無線通訊的技術能提供高頻寬，其 代價亦將極為高昂。第三代行動電話即使 在短時間內能建置完成，其頻寬也不過數 百 K，因此有廣泛佈建無線區域網路之提 議。為因應群體行動資訊使用者之高頻寬 需求，我們設計一種具網際網路接取能力 之群體行動電腦網路，群體行動使用者可 享 有 高 頻 寬 的 Intranet 服務及低頻寬的 Internet 接取服務。這個系統結合無線行動 數據通訊及無線區域網路以構成一個具複 合型及隨意架構特性之群體行動電腦網路 [5]。使用者(Mobile Client, MC)將可透過寬 頻的無線區域網路與群組內的使用者溝通 (Intranet)，或使用 Mobile Gateway(MG) 所 提供的多媒體資訊服務，並可透過 MG 接 取昂貴且低速的網際網路。MG 可使用高 階行動電腦，配備大容量儲存空間，儲存 非即時性的多媒體資訊，此外並配備低頻 寬的行動數據通訊能力及高頻寬的衛星通 訊能力。各個 MC 可就近獲取 MG 中的多 媒體資訊服務，若為擷取少量即時資訊， 則可透過 MG，經由 Mobile Data Network 為之。本系統可支援的應用如下： 1. 救難現場之行動電腦網路[7] 2. 戰場之行動電腦網路 3. 行動警政資訊系統[6] 在群組行動電腦網路中，行動台透過 Multihop Ad Hoc 架構之無線區域網路彼 此之間互相通訊。所有相鄰（可直接通訊） 的節點及其連接通道建構成一個拓樸結 構。在網路中若兩節點無法直接通訊，則 須選擇一路徑，請路徑上的節點協助轉送 封包，此即 繞 徑Routing）選擇。廣義（ 的說，網路選徑其實就是從一個網路中所 有可能的通訊路徑所形成的拓樸結構中， 決定一組次拓樸，稱為通訊拓樸，讓所有 節點循此拓樸結構互相通訊。 繞徑問題在固定通訊網路上已經有數 十年的研究，技術非常成熟。近年在無線 區域網路興起之後，也有不少繞徑相關的 研究。目前相關的研究都因襲傳統固定網 路的通訊路徑演算法，假設最短路徑節點 數（minimum number of hops）就是最佳方 案，而致力於尋找最「佳」的分散式演算 法。但是無線通訊的環境遠比固定網路複 雜，路徑信號強度、各節點的運算資源極 為短缺、而移動性差異甚大，因此最短路 徑節點數並不一定是最佳方案。本計畫是 在針對此種複雜環境設計拓樸結構，亦即 繞徑演算法，以提升傳輸效率。我們在本 年度的拓樸結構研究中加進負載平衡之考 慮，期望通訊流量不要過度集中於部分的 節點以致影響平均傳輸時間，或造成傳輸 瓶頸（Hot-Spot）。 在 Single-Hop 的無線區域網路上，網 路的流量大約是所有個別節點流量的總 和，但在 Multi-Hop 的架構下，由於資料 會被輾轉傳送，流量會因拓樸結構而不 同，而且個別節點也可能因為需要提供轉 送服務，這些轉送服務會增加額外的流 量。一個好的繞徑決策應該避免增加太多 轉送流量，而且要盡量避免將轉送的服務 集中在部分的節點上，因此有必要在通訊 拓樸結構上考慮適當的管理以平衡負載及 流量。 三、結果與討論
在本研究中，我們將各節點的資料流 量分為兩種，其一是 MC 彼此之間的流量， 其二是 MC 與 MG 之間的流量。這兩種流 量的特性大為不同，可以分別處理，以降 低問題的複雜度。本年度的計畫先處理 MC 與 MG 之間的流量。這種流量有自然向 MG 集中之趨勢，由於封包在被輾轉傳送 後會增加轉送者的負載，而越接近 MG 的 節點承擔轉送的負載越重，因此並不適合 將所有 MC 節點一視同仁平均承擔流量之 轉送，我們根據這種特性提出一種階層式 負載平衡繞徑演算法試圖降低封包之平均 傳送時間。 我們首先以最短路徑演算法將所有節 點根據其與 MG 之間的距離（深度）為基 準，歸納成數個等距群，亦即將與 MG 距 離相同的節點歸納成同一等距群，我們的 演算法將盡可能減少同一群內所有節點的 負載差異，而不同等距群之間的負載則乘 上一個與其深度成反比的權重。在設定各 等距群的負載權重後，我們則以降低流量 負載標準差之總和為最佳化目標建立數學 模型。 經過仔細分析所建立的數學模型可以 證明本問題是 NP Hard 問題，因此無法求 得實用的最佳演算法。我們接著設計一個 比較實用的啟發式(heuristic)演算法。 為了評估這個演算法的效能，我們設計了 數個模擬實驗，將我們阿演算法與傳統最 短路徑演算法比較其封包平均傳輸時間。 實驗結果顯示考慮負載平衡的繞徑方式確 實在我們的實驗環境中比傳統的最短路徑 方式節省百分之十至三十八的平均封包傳 輸時間。 四、計畫結果自評 本計畫所建構的群體行動網路在研究無 線區域網路之眾多研究中，尚屬首創，亦 頗具實用性，我們已經以此架構建構數個 雛形應用系統，在大型災難現場中通訊系 統癱瘓的情況下，本系統可以提供現場資 訊通訊的需求，尤其是經歷過 921 集集大 地震與美國 911 世貿災難之後，本系統可 發揮功用應用在此種狀況上。 我們在本年度的研究著重在設計集中式 的演算法建構通訊拓樸，而實際上的系統 最好是使用分散式演算法增加其因應系統 變化的能力，也避免因為集中式演算法耗 費而外的通訊資源。我們將在未來的研究 中致力於分散式演算法的設計。此外，本 研究中，對於平衡負載的設計所假設的情 況仍然過於簡單，應該加進信號強度的考 慮以及試驗各種不同的平衡演算法，以求 得更好的演算法。 五、參考文獻
[1] Josh Broth, David A. Maltz, David B. Johnson, Yih-Chun Hu and Jorjeta Jetcheva, ``A Performance Comparison of Multi-Hop Wireless Ad Hoc Network Routing
Protocols'', Proc. of the Fourth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MobjCom'98), Oct. 1998.
[2] R. Dube et al., ``Signal Stability based Adaptive Routing (SSA) for Ad-Hoc Mobile Networks'', IEEE Pers. Commun, Feb. 1997, pp. 36-45.
[3] C-K Toh, ``Associativity-Based Routing for Ad-Hoc Mobile Networks'', Wireless Pers. Commun, vol. 4, no. 2, Mar. 1997, pp. 1-36.
[4] Elizabeth M. Royer, Santa Barbara and Chai-Keong Toh, ``A Review of Current Routing Protocols for Ad Hoc Mobile Wireless Networks'', IEEE personal Communications, Apr. 1999, pp. 46-55.
[5] Yao-Nan Lien, Tsu-Chieh Tsai, Hung-Chin Jang and Wen-Shyen Chen, 1999,
``Architecture and Research Issues of a Hybrid Ad-Hoc Mobile Computer Network'', Proc. of the 5th Workshop on Mobile Computing , March 1999.
[6] Tsu-Chieh Tsai, Yao-Nan Lien, Hong Chang Chiu, Shi-Chi Huang, Kenex Huang, Hung-Kai Ting and Jia-Xin Yang, 1999, ``Network Issues and Implementation for a Mobile Police Information System (MPIS)'', Proc. of the 5th Workshop on Mobile Computing , March 1999.
[7] Yao-Nan Lien, Tsu-Chieh Tsai and Hung-Chin Jang, 2000, ``A Mobile Information Management System for Disastrous Earthquake Emergency'', Proc. of the 6th Workshop on Mobile Computing , March 2000, pp. 151-154.
