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基于链路稳定性及网络编码的无线网络关键技术研究

作　者: 孙建镇
导　师: 刘元安
学　校: 北京邮电大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: WMN 无线路由网络编码机会路由路由判据
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

无线Mesh网络以其灵活性、良好的扩展性等诸多优点,引起了学术界与工程界的关注,已经成为研究的热点。近年来,随着网络使用者数量骤增及网络服务需求的多样化,如何对网络进行优化从而最大限度的利用网络现有资源成为众多研究者关注的问题。与此同时,网络编码概念的出现改变了传统通信网络中各级中间节点仅对接收到的数据包进行复制、转发的模式,允许中间节点将接收到的信息进行编码组合后再发送出去,有效地提升了网络容量和传输效率。本文围绕在拓扑结构动态变化的网络中如何寻找最稳定路径及如何利用网络编码来提高无线网络性能展开研究,主要成果如下：(1)提出一种基于链路稳定性的路由协议LSB_AODV,克服了传统自组织网络路由协议在拓扑剧烈变化的网络中性能欠佳的问题。定义了链路稳定性因子(LSF)和路径稳定性因子(PSF),并能够在利用PSF选择稳定路径的同时兼顾“跳数”最小。此外,将节点的传输范围划分为“稳定区”和“警戒区”两个区域,当两个正在通信的相邻节点之间的距离进入“警戒区”并继续相互远离时,能够在当前路径真正断裂之前发起重路由操作,从而实现新旧路径之间的“软切换”。仿真结果表明,LSB_AODV方案能够以增加少量路由开销为代价,有效改善包递送率,减小端到端时延。(2)提出一种编码感知的按需无线路由协议OCAR,克服了第一个实用的无线网络编码方案COPE存在的两方面问题：①不能主动地探测有更多编码机会的路径；②编码结构限制在两跳之内。在现有路由判据iAWARE的基础上进行改进,设计了一种新的路由判据RCAL4,使其在路由发现过程中具有“编码感知”能力,同时兼顾不同数据流之间的干扰,从而能够在“编码机会数量”和“避免流间干扰”之间取得折中。仿真结果表明,与AODV及AODV+COPE相比,OCAR可以在路由发现过程中找到更多编码机会,从而有效地提升网络吞吐量、减少端到端时延、缓解网络拥塞(3)提出一种基于成功递送率的编码感知机会路由机制SDP_CAOR,克服了传统的编码感知路由协议为获取更多编码机会将多条不同的数据流尽可能地集中,从而加重数据流之间的相互干扰,并导致某些中间节点负担过重,发生队列溢出等问题。区别于采用单一固定路径的传统路由方法,该机制利用转发节点集,允许转发节点集中的所有节点进行编码、转发,并为这些节点分配不同的转发优先级,从而更充分地利用了无线介质的广播特性,避免了数据流“汇聚’所引起的流问干扰、中间节点过载等问题,获得了更高的编码增益。针对节点间距离的度量问题,采用成功递送率(SDP)取代传统的跳数及期望传输次数(ETX)判据。仿真结果表明,SDP_CAOR机制能够以增加少量重复数据包为代价,有效提升网络性能。(4)提出一种基于业务优先级的网络编码机制PBNC,以适应报文到达的随机性及不同业务流对带宽、时延等传输质量的不同要求,其核心思想是适当牺牲编码比例来换取时延和丢包率的改善。PBNC方案允许中继节点根据自身缓存队列的状态决定是否进行编码,为优先级高的数据提供大转发概率,从而满足了不同业务流对优先级的不同要求,避免了传统网络编码因盲目等待编码机会而导致的严重时延和丢包。我们使用马尔科夫模型进行建模,推导出系统的时延、丢包率等参数,最后通过仿真实验验证了理论分析的正确性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-13
第一章绪论  13-29
  1.1 引言  13-16
    1.1.1 无线网状网概述  13-14
    1.1.2 网络编码概述  14-16
  1.2 国内外研究现状  16-19
    1.2.1 无线网状网路由协议  16-17
    1.2.2 网络编码及其在无线网络中的应用  17-19
  1.3 本文的主要创新点及结构  19-21
    1.3.1 主要创新点  19-20
    1.3.2 文章结构  20-21
  1.4 参考文献  21-29
第二章基于链路稳定性的无线路由协议  29-47
  2.1 引言  29-30
  2.2 链路稳定性及路径稳定性  30-31
    2.2.1 链路稳定性  30-31
    2.2.2 路径稳定性  31
  2.3 路由选择算法  31-39
    2.3.1 区域划分  33
    2.3.2 链路稳定性计算  33-34
    2.3.3 路由发现  34-36
    2.3.4 路由维护  36-37
    2.3.5 路由算法描述  37-39
  2.4 性能分析  39-44
    2.4.1 仿真场景设置  39
    2.4.2 评价指标  39
    2.4.3 仿真结果及分析  39-44
  2.5 小结  44
  2.6 参考文献  44-47
第三章无线MESH网络中编码感知的按需无线路由协议  47-67
  3.1 引言  47-48
  3.2 COPE机制的原理  48-49
  3.3 问题的提出  49-51
  3.4 编码感知干扰避免的路由判据  51-53
  3.5 编码感知、干扰避免的按需无线路由协议  53-58
    3.5.1 编码条件  53-54
    3.5.2 路由发现  54-56
    3.5.3 路由维护  56-57
    3.5.4 OCAR方案的开销分析  57
    3.5.5 伪广播  57-58
  3.6 性能评估  58-63
    3.6.1 仿真场景与性能指标  58
    3.6.2 仿真结果及分析  58-63
  3.7 小结  63-64
  3.8 参考文献  64-67
第四章基于成功递送率的编码感知机会路由机制  67-83
  4.1 引言  67-68
  4.2 编码感知机会路由机制的基本思想  68-69
  4.3 成功递送率(SDP)  69-71
    4.3.1 期望传输次数(ETX)  69-70
    4.3.2 成功递送率(SDP)  70-71
  4.4 SDP_CAOR实现机制  71-74
    4.4.1 编码判断规则  71-72
    4.4.2 实现机制  72-74
  4.5 仿真结果及分析  74-80
    4.5.1 性能指标及仿真环境设置  74
    4.5.2 仿真结果  74-80
  4.6 小结  80
  4.7 参考文献  80-83
第五章无线网络中基于业务优先级的网络编码机制  83-97
  5.1 引言  83-84
  5.2 系统模型  84-85
  5.3 数学模型  85-89
    5.3.1 队列模型  85-88
    5.3.2 时延、丢包率分析  88-89
  5.4 仿真结果分析  89-94
    5.4.1 理论正确性验证  90-91
    5.4.2 与传统网络编码方案性能比较  91-94
  5.5 小结  94-95
  5.6 参考文献  95-97
第六章总结与展望  97-101
  6.1 工作总结  97-98
  6.2 未来展望  98-101
缩略语  101-103
致谢  103-104
攻读博士学位期间发表的论文  104
本文研究过程中得到以下项目的资助  104

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