基于編碼機會路由的高效無線Mesh網(wǎng)絡傳輸技術.pdf

1、作為一種低成本、高覆蓋范圍且方便部署的Internet接入方案，無線Mesh網(wǎng)絡通常需要承載大量高吞吐率、高可靠的應用業(yè)務。但無線傳輸?shù)囊族e性、信道質(zhì)量的時變性，以及Mesh網(wǎng)絡的多跳轉發(fā)架構，均導致該網(wǎng)絡容易遭受吞吐有限、可靠性低下等問題。
　　機會路由和網(wǎng)絡編碼是解決這一問題的有力工具。機會路由利用無線廣播所帶來的多用戶分集優(yōu)勢，每個旁聽到報文的節(jié)點都有機會承擔轉發(fā)任務，從而提高一次傳輸?shù)某晒Ω怕省＞W(wǎng)絡編碼則容許網(wǎng)絡中間節(jié)點對

2、接收到的報文進行混合編碼，以便有效地利用公共鏈路，提高系統(tǒng)吞吐。而且，若隨機選取編碼系數(shù)（即隨機網(wǎng)絡編碼），還能獲得無比率糾刪碼的良好特性。結合二者優(yōu)勢，編碼機會路由(Network Coding-based OpportunisticRouting，簡稱NCOR)應運而生，成為一種在鏈路有損的無線Mesh網(wǎng)絡中提供高吞吐率、可靠傳輸?shù)挠行Х桨?。本論文旨在研究NCOR的關鍵設計因素，并圍繞其“機會傳輸”和“網(wǎng)絡編碼”特性，提出新的算法和

3、協(xié)議，為無線Mesh網(wǎng)絡提供高效、公平的高吞吐率可靠傳輸服務。研究內(nèi)容和成果包括以下三個層次。
　　1.在網(wǎng)絡層，研究了最小成本NCOR路由構建問題。與傳統(tǒng)路由不同，給定源目節(jié)點，NCOR不用預先指定明確的轉發(fā)路徑，只需要選擇哪些節(jié)點參與機會轉發(fā)。參與節(jié)點通過廣播鏈路連接形成網(wǎng)狀傳輸路徑，每個節(jié)點獨立地執(zhí)行隨機網(wǎng)絡編碼并將編碼報文廣播到下游節(jié)點，因而節(jié)點之間的轉發(fā)任務分配也會直接影響傳輸效率。因此，如何選擇候選轉發(fā)節(jié)點集合(Can

4、didate Forwarder Set，簡稱CFS)，以及如何在這些節(jié)點之間分配轉發(fā)任務，是實際部署NCOR時所要面臨的基本問題?，F(xiàn)有工作通常獨立地處理這兩個問題，難以保證整體最優(yōu)性。本論文擴展傳統(tǒng)的最優(yōu)路由概念，將這兩個問題融合在一個最小成本框架(MIC-NCOR)中，聯(lián)合求解最佳的CFS和轉發(fā)任務分配。在MIC-NCOR的最優(yōu)子結構的基礎上，根據(jù)動態(tài)規(guī)劃思想，推導出能夠完全分布式實現(xiàn)的MIC-NCOR算法，并給予嚴格的正確性證明。

5、仿真結果表明，論文提出的成本模型能更準確反映NCOR路徑的實際傳輸成本，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，研究了機會廣播信道接入問題。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)對于發(fā)揮多用戶分集優(yōu)勢、進而提高NCOR的整體性能有重要影響。而NCOR的編碼機會轉發(fā)特性也為廣播MAC的設計帶來了更多的靈活性:首先，在機會轉發(fā)機制下，不需要等待所有廣播鄰居進入就緒（準備好接

6、收）狀態(tài)。越多的鄰居就緒，廣播信道的多用戶分集優(yōu)勢就越顯著（機會轉發(fā)的交付概率越高），但同時引入的接入延遲也會更大，因此，需要在接入延遲和廣播信道的交付能力之間做出權衡。其次，隨機網(wǎng)絡編碼的糾刪能力也免除了對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的機會廣播信道接入問題，并使用最優(yōu)停止理論推導出具有簡單閾值形式的信道接入策略N*。在此基礎上，通過簡單擴展IEEE802.11 DCF，設計出執(zhí)行N*策略的機會廣播信道接

7、入控制協(xié)議O-BCast。仿真結果表明，O-BCast能夠顯著提高NCOR的端到端吞吐率，而且具有網(wǎng)絡負載自適應的良好特性。
　　3.在傳輸層，研究了NCOR的擁塞控制問題。無線Mesh網(wǎng)絡由多用戶共享，需要承載大量突發(fā)性的高吞吐率業(yè)務，需要擁塞控制機制來保證NCOR高效、公平的運作。NCOR的傳輸路徑呈網(wǎng)狀，在高負載、高丟包率的無線Mesh網(wǎng)絡中，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)絡資源利用不充分和

8、擁塞響應滯后等問題。因此，論文基于逐跳控制思想，設計了全新的NCOR擁塞控制協(xié)議HCC。HCC精確衡量節(jié)點的擁塞程度，并以公平性為原則計算各個業(yè)務流的擁塞反饋。當接收到來自網(wǎng)狀路徑上多個下游鄰居的差異化擁塞反饋時，采用折中策略進行速率調(diào)整:若所有擁塞反饋均指示要求增速或降速，節(jié)點按照所有反饋的均值調(diào)整報文發(fā)送速率;若部分反饋要求降速、部分要求增速，節(jié)點維持發(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)點的負載，

9、又能充分利用網(wǎng)狀路徑中輕載節(jié)點的轉發(fā)能力以發(fā)揮NCOR的機會傳輸優(yōu)勢。仿真實驗顯示，在高負載高丟包率的無線Mesh網(wǎng)絡中，HCC相比端到端方法在吞吐、傳輸成本、延時以及公平性等方面具有顯著的性能優(yōu)勢。
　　基于上述三方面的建模優(yōu)化和協(xié)議設計工作，論文最后設計了一個完整的NCOR系統(tǒng)。仿真實驗表明，在三者共同作用下，該NCOR系統(tǒng)的性能相比獨自作用時得到進一步提升。本工作對于理解和應用NCOR這種新型的傳輸機制，具有重要的理論意義和