基于編碼機(jī)會(huì)路由的高效無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù).pdf_第1頁(yè)
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1、作為一種低成本、高覆蓋范圍且方便部署的Internet接入方案,無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)通常需要承載大量高吞吐率、高可靠的應(yīng)用業(yè)務(wù)。但無(wú)線傳輸?shù)囊族e(cuò)性、信道質(zhì)量的時(shí)變性,以及Mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu),均導(dǎo)致該網(wǎng)絡(luò)容易遭受吞吐有限、可靠性低下等問題。
  機(jī)會(huì)路由和網(wǎng)絡(luò)編碼是解決這一問題的有力工具。機(jī)會(huì)路由利用無(wú)線廣播所帶來(lái)的多用戶分集優(yōu)勢(shì),每個(gè)旁聽到報(bào)文的節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)承擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),從而提高一次傳輸?shù)某晒Ω怕?。網(wǎng)絡(luò)編碼則容許網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)對(duì)

2、接收到的報(bào)文進(jìn)行混合編碼,以便有效地利用公共鏈路,提高系統(tǒng)吞吐。而且,若隨機(jī)選取編碼系數(shù)(即隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼),還能獲得無(wú)比率糾刪碼的良好特性。結(jié)合二者優(yōu)勢(shì),編碼機(jī)會(huì)路由(Network Coding-based OpportunisticRouting,簡(jiǎn)稱NCOR)應(yīng)運(yùn)而生,成為一種在鏈路有損的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中提供高吞吐率、可靠傳輸?shù)挠行Х桨?。本論文旨在研究NCOR的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素,并圍繞其“機(jī)會(huì)傳輸”和“網(wǎng)絡(luò)編碼”特性,提出新的算法和

3、協(xié)議,為無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)提供高效、公平的高吞吐率可靠傳輸服務(wù)。研究?jī)?nèi)容和成果包括以下三個(gè)層次。
  1.在網(wǎng)絡(luò)層,研究了最小成本NCOR路由構(gòu)建問題。與傳統(tǒng)路由不同,給定源目節(jié)點(diǎn),NCOR不用預(yù)先指定明確的轉(zhuǎn)發(fā)路徑,只需要選擇哪些節(jié)點(diǎn)參與機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)。參與節(jié)點(diǎn)通過廣播鏈路連接形成網(wǎng)狀傳輸路徑,每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地執(zhí)行隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼并將編碼報(bào)文廣播到下游節(jié)點(diǎn),因而節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)分配也會(huì)直接影響傳輸效率。因此,如何選擇候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合(Can

4、didate Forwarder Set,簡(jiǎn)稱CFS),以及如何在這些節(jié)點(diǎn)之間分配轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),是實(shí)際部署NCOR時(shí)所要面臨的基本問題?,F(xiàn)有工作通常獨(dú)立地處理這兩個(gè)問題,難以保證整體最優(yōu)性。本論文擴(kuò)展傳統(tǒng)的最優(yōu)路由概念,將這兩個(gè)問題融合在一個(gè)最小成本框架(MIC-NCOR)中,聯(lián)合求解最佳的CFS和轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)分配。在MIC-NCOR的最優(yōu)子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃思想,推導(dǎo)出能夠完全分布式實(shí)現(xiàn)的MIC-NCOR算法,并給予嚴(yán)格的正確性證明。

5、仿真結(jié)果表明,論文提出的成本模型能更準(zhǔn)確反映NCOR路徑的實(shí)際傳輸成本,且MIC-NCOR算法相比現(xiàn)有的啟發(fā)式方法有顯著的性能增益。
  2.在MAC層,研究了機(jī)會(huì)廣播信道接入問題。NCOR的網(wǎng)狀路徑由廣播鏈路拼接而成,因此廣播MAC的表現(xiàn)對(duì)于發(fā)揮多用戶分集優(yōu)勢(shì)、進(jìn)而提高NCOR的整體性能有重要影響。而NCOR的編碼機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)特性也為廣播MAC的設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多的靈活性:首先,在機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下,不需要等待所有廣播鄰居進(jìn)入就緒(準(zhǔn)備好接

6、收)狀態(tài)。越多的鄰居就緒,廣播信道的多用戶分集優(yōu)勢(shì)就越顯著(機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)的交付概率越高),但同時(shí)引入的接入延遲也會(huì)更大,因此,需要在接入延遲和廣播信道的交付能力之間做出權(quán)衡。其次,隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼的糾刪能力也免除了對(duì)MAC的可靠性要求。據(jù)此,我們提出以最大化平均有效速率為目標(biāo)的機(jī)會(huì)廣播信道接入問題,并使用最優(yōu)停止理論推導(dǎo)出具有簡(jiǎn)單閾值形式的信道接入策略N*。在此基礎(chǔ)上,通過簡(jiǎn)單擴(kuò)展IEEE802.11 DCF,設(shè)計(jì)出執(zhí)行N*策略的機(jī)會(huì)廣播信道接

7、入控制協(xié)議O-BCast。仿真結(jié)果表明,O-BCast能夠顯著提高NCOR的端到端吞吐率,而且具有網(wǎng)絡(luò)負(fù)載自適應(yīng)的良好特性。
  3.在傳輸層,研究了NCOR的擁塞控制問題。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)由多用戶共享,需要承載大量突發(fā)性的高吞吐率業(yè)務(wù),需要擁塞控制機(jī)制來(lái)保證NCOR高效、公平的運(yùn)作。NCOR的傳輸路徑呈網(wǎng)狀,在高負(fù)載、高丟包率的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中,如果仍然依賴聚合層次的端到端擁塞控制方法(如TCP),容易造成網(wǎng)絡(luò)資源利用不充分和

8、擁塞響應(yīng)滯后等問題。因此,論文基于逐跳控制思想,設(shè)計(jì)了全新的NCOR擁塞控制協(xié)議HCC。HCC精確衡量節(jié)點(diǎn)的擁塞程度,并以公平性為原則計(jì)算各個(gè)業(yè)務(wù)流的擁塞反饋。當(dāng)接收到來(lái)自網(wǎng)狀路徑上多個(gè)下游鄰居的差異化擁塞反饋時(shí),采用折中策略進(jìn)行速率調(diào)整:若所有擁塞反饋均指示要求增速或降速,節(jié)點(diǎn)按照所有反饋的均值調(diào)整報(bào)文發(fā)送速率;若部分反饋要求降速、部分要求增速,節(jié)點(diǎn)維持發(fā)送速率不變而由下游鄰居調(diào)整各自的接收速率。這種策略既能夠有效減輕擁塞節(jié)點(diǎn)的負(fù)載,

9、又能充分利用網(wǎng)狀路徑中輕載節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)能力以發(fā)揮NCOR的機(jī)會(huì)傳輸優(yōu)勢(shì)。仿真實(shí)驗(yàn)顯示,在高負(fù)載高丟包率的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中,HCC相比端到端方法在吞吐、傳輸成本、延時(shí)以及公平性等方面具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。
  基于上述三方面的建模優(yōu)化和協(xié)議設(shè)計(jì)工作,論文最后設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的NCOR系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)表明,在三者共同作用下,該NCOR系統(tǒng)的性能相比獨(dú)自作用時(shí)得到進(jìn)一步提升。本工作對(duì)于理解和應(yīng)用NCOR這種新型的傳輸機(jī)制,具有重要的理論意義和

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