提高無(wú)線機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼性能增益機(jī)制研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding)被視為一種有前景的技術(shù),在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中可用來(lái)減少傳輸次數(shù),提高帶寬利用率,改善網(wǎng)絡(luò)吞吐率和能量效率。如何設(shè)計(jì)更好的網(wǎng)絡(luò)編碼架構(gòu)和機(jī)制來(lái)充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)編碼的性能增益是目前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。
　　網(wǎng)絡(luò)編碼的基本思想是允許網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)將多個(gè)數(shù)據(jù)包融合為一個(gè)編碼數(shù)據(jù)包加以發(fā)送,從而減少傳輸次數(shù),改善網(wǎng)絡(luò)吞吐率。受益于無(wú)線通信內(nèi)在的廣播特性和偵聽(tīng)能力,網(wǎng)絡(luò)編碼更加適合應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。為使得網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線網(wǎng)

2、絡(luò)中應(yīng)用時(shí)盡可能減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的改變,機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼是一個(gè)可行的選擇。根據(jù)機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼不同的應(yīng)用場(chǎng)景,需要考慮多種因素對(duì)其性能增益的影響,比如節(jié)點(diǎn)的緩存資源、處理能力等。針對(duì)不同的因素,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化其在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的性能增益。因此,針對(duì)機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,本文指出了在不同網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和情形下需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題,并提出了相應(yīng)的優(yōu)化架構(gòu)和機(jī)制。全文的主要內(nèi)容包括:
　　首先考慮緩存資源對(duì)機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼性能增益

3、的影響。現(xiàn)有機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼架構(gòu)都假定節(jié)點(diǎn)擁有無(wú)限的緩存資源和處理能力。在此前提下,網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)需要解碼包池緩存所有偵聽(tīng)到的和已發(fā)送的數(shù)據(jù)包足夠長(zhǎng)時(shí)間,用以未來(lái)可能的解碼需要。同時(shí),節(jié)點(diǎn)間通過(guò)“接收?qǐng)?bào)告”相互周期性地交換各自包池中所擁有數(shù)據(jù)包信息,以確保編碼包的可解性。然而,當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩存空間受限時(shí),機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼的性能增益將會(huì)受到影響。即使節(jié)點(diǎn)資源無(wú)限大,現(xiàn)有的機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼解碼包池緩存機(jī)制會(huì)帶來(lái)更大的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)、從而降低網(wǎng)絡(luò)吞吐率。為了解決這

4、一問(wèn)題,本文提出了一種機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼框架來(lái)優(yōu)化緩存資源的解碼效用。通過(guò)分析,我們將緩存資源與解碼性能之間的關(guān)系歸結(jié)為一個(gè)最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。通過(guò)這個(gè)優(yōu)化模型,我們推導(dǎo)出一系列的緩存規(guī)則,并提出了一種分布式的機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼緩存策略。仿真結(jié)果證實(shí)了該模型的有效性,并證明該策略可以有效改善節(jié)點(diǎn)緩存資源利用率,提高機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼性能增益。
　　對(duì)于機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼在受干擾無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用,現(xiàn)有機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼架構(gòu)通過(guò)偽廣播一次性將一個(gè)編碼包投遞至

5、多個(gè)接收節(jié)點(diǎn),并依賴(lài)于捎帶在數(shù)據(jù)包包頭中的異步ACKs來(lái)確認(rèn)接收。在給定時(shí)間內(nèi)未被確認(rèn)接收的數(shù)據(jù)包將被再次插入發(fā)送隊(duì)列、編碼發(fā)送。這種機(jī)制在丟包無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中容易由于數(shù)據(jù)包的丟失和延遲到達(dá)而招致大量冗余重傳、浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬。此外,為了確保編碼包的可靠投遞,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)編碼架構(gòu)默認(rèn)編碼節(jié)點(diǎn)采用最低傳輸速率來(lái)加以投遞。這樣會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)的傳輸時(shí)間,并增加了數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的可能。針對(duì)以上問(wèn)題,我們提出了一個(gè)結(jié)合傳輸速率控制和網(wǎng)絡(luò)編碼碼字選擇的框架ORC來(lái)對(duì)

6、網(wǎng)絡(luò)層和MAC層進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。該框架將編碼包傳輸?shù)乃俾士刂茊?wèn)題歸結(jié)為一個(gè)馬爾科夫決策過(guò)程,從而獲得最優(yōu)的速率選擇策略。然后,基于以上速率選擇后的結(jié)果,從所有可能的編碼包組合中選擇最佳的編碼包組合并予以發(fā)送。對(duì)于編碼包組合問(wèn)題,我們將其歸結(jié)為一個(gè)最大加權(quán)團(tuán)問(wèn)題,并提出了一個(gè)碼的選擇算法。網(wǎng)絡(luò)仿真證實(shí),框架ORC可以有效改善網(wǎng)絡(luò)吞吐率,降低端到端的投遞延遲。
　　現(xiàn)有機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼架構(gòu)中存在的另一個(gè)問(wèn)題是編碼機(jī)會(huì)不足。由于無(wú)線介質(zhì)訪問(wèn)

7、的隨機(jī)性和各條編碼數(shù)據(jù)流速率的不匹配,可能導(dǎo)致編碼機(jī)會(huì)不足,進(jìn)而降低了編碼增益。主動(dòng)性延遲數(shù)據(jù)包發(fā)送可以增加編碼機(jī)會(huì),但是會(huì)增加投遞延遲,對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用尤為不利。為此,我們提出了一種結(jié)合調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)編碼的框架SNC,在有延遲限制條件下最大化編碼機(jī)會(huì)。該框架由延遲數(shù)據(jù)包傳輸策略DTP和基于網(wǎng)絡(luò)編碼組的調(diào)度策略GSP兩部分組成。前者DTP基于延遲要求和可以取得的最大編碼度,動(dòng)態(tài)地調(diào)整可以取得的編碼度,從而最大化系統(tǒng)中的編碼機(jī)會(huì)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)于每

8、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)編碼組,調(diào)度策略GSP依據(jù)權(quán)重來(lái)調(diào)度網(wǎng)絡(luò)編碼組對(duì)應(yīng)的編碼包發(fā)送,從而優(yōu)化機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼吞吐率增益。網(wǎng)絡(luò)和數(shù)值仿真證實(shí),SNC可以最大化編碼機(jī)會(huì),改善機(jī)會(huì)性網(wǎng)絡(luò)編碼在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的吞吐率性能增益。
　　盡管主動(dòng)性推遲數(shù)據(jù)包的發(fā)送可以增加編碼機(jī)會(huì),現(xiàn)有的工作往往局限于特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⒕哂休^高的計(jì)算復(fù)雜度,不易于分布式實(shí)現(xiàn)。為此,我們提出了具有編碼意識(shí)的隊(duì)列管理機(jī)制DQM,充分開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)編碼在存儲(chǔ)壓縮上的優(yōu)勢(shì),進(jìn)一步增加了編碼機(jī)會(huì)