無線Mesh網絡中網絡編碼感知路由技術研究.pdf

1、無線Mesh網絡具有骨干節(jié)點靜止、無線自組織的特點，其部署維護方便且成本低廉，同時提供高速的無線寬帶接入，適合無線城域網、應急通信等應用領域。作為一種面向實用的無線網絡，無線Mesh網絡需要提供高吞吐量、高可靠性的路由技術以支撐其服務。網絡編碼允許節(jié)點對收到的數據包進行編碼。無線網絡編碼可以減少數據傳輸次數，提高網絡的帶寬資源利用率和數據傳輸可靠性。無線Mesh網絡編碼感知路由，將網絡編碼技術引入到無線Mesh網絡路由中，利用網絡編碼技

2、術優(yōu)勢，提升無線Mesh網絡路由算法在吞吐量、可靠性等方面的性能。因此，針對無線Mesh網絡編碼感知路由技術的研究具有重要的理論意義和現實意義。
　　本文首先對無線Mesh網絡和網絡編碼技術進行了介紹，隨后對無線Mesh網絡路由技術和無線Mesh網絡編碼感知路由進行了系統(tǒng)的分類和綜述，然后針對現有編碼感知路由在負載分配、QoS等方面的不足，在負載均衡路由、QoS(Quality of Service)路由、編碼機會優(yōu)化、多播路由和

3、無線Mesh網絡編碼感知路由仿真系統(tǒng)等方面進行了深入研究。本文的主要工作包括以下幾個方面：
　　(1)針對現有編碼感知路由單純考慮增加網絡編碼機會，引起數據流向存在編碼機會的區(qū)域聚集，導致網絡負載分配不均問題，提出了負載均衡的編碼感知多徑路由LCMR(Load balanced Coding aware Multipath Routing)。詳細分析現有的兩條未編碼交叉數據流在交叉節(jié)點網絡編碼條件所存在的失效情況并分析其原因，給出

4、兩條數據流(未編碼或已編碼)能夠進行網絡編碼的一般條件。基于跨層設計的思想，設計了負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絡編碼機會、節(jié)點負載和鄰域干擾。詳細闡述了LCMR的路由發(fā)現策略。通過復雜度分析與仿真實驗證明，LCMR雖然犧牲了小部分的網絡編碼機會，但能夠實現全網負載的均衡分布。特別是在高負載的情況下，LCMR仍然能夠保證

5、網絡較高的吞吐量和較低延時，推遲網絡擁塞的發(fā)生。
　　(2)針對現有的編碼感知路由不提供QoS保證，和無線Mesh網絡中各種業(yè)務需要提供 QoS服務的現實出發(fā)，提出了QoS保證的編碼感知多徑路由QCMR(QoS guaranteed Coding Aware Routing)。詳細分析了QoS帶寬約束條件下的網絡編碼與節(jié)點帶寬之間關系，給出了兩條QoS數據流在交叉節(jié)點的網絡編碼條件。設計了QoS保證的編碼感知路由度量QCRM(Qo

6、S guaranteed Coding aware Routing Metric)。QCRM綜合考慮了編碼機會、節(jié)點可用帶寬、節(jié)點負載和鄰域干擾。仿真結果表明，QCMR能夠提高編碼感知路由的QoS性能，保證業(yè)務的QoS需求。與傳統(tǒng)QoS路由相比，QCMR能夠節(jié)省帶寬資源，允許網絡接納更多QoS數據流。
　　(3)針對網絡所有節(jié)點掌握網絡全局信息的情景，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會進行聯(lián)合優(yōu)化。針對編碼感知路由的特點，GCAR詳細分析并設計了編碼感知條件下路由的染色體表示方法，設計了綜合考慮路由編碼機會、節(jié)點負載、干擾等因素的適應度函數。仿真結果證實 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)針對現有的無線Mesh網絡基于網絡編碼的多播路由，單

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

9、重傳機制。仿真結果表明，HCMR與普通的基于網絡編碼的多播路由相比，在數據傳輸效率和可靠性方面的性能都有顯著的提升。
　　(5)基于網絡仿真器NS2，設計并實現了編碼感知路由擴展系統(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)點結構、路由代理、數據包頭等進行了擴展。CARE系統(tǒng)可以根據用戶需求，自主