無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)編碼感知路由技術(shù)研究.pdf

1、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有骨干節(jié)點(diǎn)靜止、無線自組織的特點(diǎn)，其部署維護(hù)方便且成本低廉，同時提供高速的無線寬帶接入，適合無線城域網(wǎng)、應(yīng)急通信等應(yīng)用領(lǐng)域。作為一種面向?qū)嵱玫臒o線網(wǎng)絡(luò)，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)需要提供高吞吐量、高可靠性的路由技術(shù)以支撐其服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)編碼允許節(jié)點(diǎn)對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼。無線網(wǎng)絡(luò)編碼可以減少數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源利用率和數(shù)據(jù)傳輸可靠性。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)編碼感知路由，將網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)引入到無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由中，利用網(wǎng)絡(luò)編碼技

2、術(shù)優(yōu)勢，提升無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由算法在吞吐量、可靠性等方面的性能。因此，針對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)編碼感知路由技術(shù)的研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文首先對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)進(jìn)行了介紹，隨后對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)編碼感知路由進(jìn)行了系統(tǒng)的分類和綜述，然后針對現(xiàn)有編碼感知路由在負(fù)載分配、QoS等方面的不足，在負(fù)載均衡路由、QoS(Quality of Service)路由、編碼機(jī)會優(yōu)化、多播路由和

3、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)編碼感知路由仿真系統(tǒng)等方面進(jìn)行了深入研究。本文的主要工作包括以下幾個方面：
　　(1)針對現(xiàn)有編碼感知路由單純考慮增加網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會，引起數(shù)據(jù)流向存在編碼機(jī)會的區(qū)域聚集，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分配不均問題，提出了負(fù)載均衡的編碼感知多徑路由LCMR(Load balanced Coding aware Multipath Routing)。詳細(xì)分析現(xiàn)有的兩條未編碼交叉數(shù)據(jù)流在交叉節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)編碼條件所存在的失效情況并分析其原因，給出

4、兩條數(shù)據(jù)流(未編碼或已編碼)能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼的一般條件?；诳鐚釉O(shè)計(jì)的思想，設(shè)計(jì)了負(fù)載均衡的編碼感知路由度量LCRM(Load balanced Coding aware Routing Metric)。LCRM綜合考慮路徑中的網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會、節(jié)點(diǎn)負(fù)載和鄰域干擾。詳細(xì)闡述了LCMR的路由發(fā)現(xiàn)策略。通過復(fù)雜度分析與仿真實(shí)驗(yàn)證明，LCMR雖然犧牲了小部分的網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會，但能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)負(fù)載的均衡分布。特別是在高負(fù)載的情況下，LCMR仍然能夠保證

5、網(wǎng)絡(luò)較高的吞吐量和較低延時，推遲網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。
　　(2)針對現(xiàn)有的編碼感知路由不提供QoS保證，和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中各種業(yè)務(wù)需要提供 QoS服務(wù)的現(xiàn)實(shí)出發(fā)，提出了QoS保證的編碼感知多徑路由QCMR(QoS guaranteed Coding Aware Routing)。詳細(xì)分析了QoS帶寬約束條件下的網(wǎng)絡(luò)編碼與節(jié)點(diǎn)帶寬之間關(guān)系，給出了兩條QoS數(shù)據(jù)流在交叉節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)編碼條件。設(shè)計(jì)了QoS保證的編碼感知路由度量QCRM(Qo

6、S guaranteed Coding aware Routing Metric)。QCRM綜合考慮了編碼機(jī)會、節(jié)點(diǎn)可用帶寬、節(jié)點(diǎn)負(fù)載和鄰域干擾。仿真結(jié)果表明，QCMR能夠提高編碼感知路由的QoS性能，保證業(yè)務(wù)的QoS需求。與傳統(tǒng)QoS路由相比，QCMR能夠節(jié)省帶寬資源，允許網(wǎng)絡(luò)接納更多QoS數(shù)據(jù)流。
　　(3)針對網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)掌握網(wǎng)絡(luò)全局信息的情景，考慮將遺傳算法引入編碼感知路由，提出了基于遺傳算法優(yōu)化的編碼感知路由GCAR(G

7、enetic algorithm based Coding Aware Routing)。GCAR利用遺傳算法對路由和路由中的編碼機(jī)會進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。針對編碼感知路由的特點(diǎn)，GCAR詳細(xì)分析并設(shè)計(jì)了編碼感知條件下路由的染色體表示方法，設(shè)計(jì)了綜合考慮路由編碼機(jī)會、節(jié)點(diǎn)負(fù)載、干擾等因素的適應(yīng)度函數(shù)。仿真結(jié)果證實(shí) GCAR能夠以較小的路由建立時間，建立性能優(yōu)秀的編碼感知路由。
　　(4)針對現(xiàn)有的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多播路由，單

8、純利用一種網(wǎng)絡(luò)編碼的局限，提出了混合網(wǎng)絡(luò)編碼感知多播路由HCMR(Hybrid Coding aware Multicast Routing)。HCMR將流內(nèi)網(wǎng)絡(luò)編碼和流間網(wǎng)絡(luò)編碼相結(jié)合并應(yīng)用于多播路由，在一個多播會話內(nèi)，采用流內(nèi)網(wǎng)絡(luò)編碼，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性；在多播會話間，利用流間網(wǎng)絡(luò)編碼，減少數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。在提高多播可靠性的同時，為了盡量減少流內(nèi)網(wǎng)絡(luò)編碼的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)，HCMR提出了基于零空間的反饋機(jī)制，和基于編碼的

9、重傳機(jī)制。仿真結(jié)果表明，HCMR與普通的基于網(wǎng)絡(luò)編碼的多播路由相比，在數(shù)據(jù)傳輸效率和可靠性方面的性能都有顯著的提升。
　　(5)基于網(wǎng)絡(luò)仿真器NS2，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了編碼感知路由擴(kuò)展系統(tǒng)CARE(Coding Aware Routing Extension System for NS2)。針對普通編碼感知路由和本文所提路由的仿真需求，CARE系統(tǒng)對NS2中無線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、路由代理、數(shù)據(jù)包頭等進(jìn)行了擴(kuò)展。CARE系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求，自主