提高無線機會性網(wǎng)絡編碼性能增益機制研究.pdf

1、網(wǎng)絡編碼(Network Coding)被視為一種有前景的技術,在無線網(wǎng)絡中可用來減少傳輸次數(shù),提高帶寬利用率,改善網(wǎng)絡吞吐率和能量效率。如何設計更好的網(wǎng)絡編碼架構和機制來充分發(fā)揮網(wǎng)絡編碼的性能增益是目前學術界的研究熱點。
　　網(wǎng)絡編碼的基本思想是允許網(wǎng)絡中間節(jié)點將多個數(shù)據(jù)包融合為一個編碼數(shù)據(jù)包加以發(fā)送,從而減少傳輸次數(shù),改善網(wǎng)絡吞吐率。受益于無線通信內在的廣播特性和偵聽能力,網(wǎng)絡編碼更加適合應用于無線網(wǎng)絡。為使得網(wǎng)絡編碼在無線網(wǎng)

2、絡中應用時盡可能減少對網(wǎng)絡協(xié)議棧的改變,機會性網(wǎng)絡編碼是一個可行的選擇。根據(jù)機會性網(wǎng)絡編碼不同的應用場景,需要考慮多種因素對其性能增益的影響,比如節(jié)點的緩存資源、處理能力等。針對不同的因素,建立相應的數(shù)學模型,優(yōu)化其在無線網(wǎng)絡中的性能增益。因此,針對機會性網(wǎng)絡編碼在無線網(wǎng)絡中的應用,本文指出了在不同網(wǎng)絡場景和情形下需要進一步研究的問題,并提出了相應的優(yōu)化架構和機制。全文的主要內容包括:
　　首先考慮緩存資源對機會性網(wǎng)絡編碼性能增益

3、的影響?，F(xiàn)有機會性網(wǎng)絡編碼架構都假定節(jié)點擁有無限的緩存資源和處理能力。在此前提下,網(wǎng)絡各節(jié)點需要解碼包池緩存所有偵聽到的和已發(fā)送的數(shù)據(jù)包足夠長時間,用以未來可能的解碼需要。同時,節(jié)點間通過“接收報告”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,當節(jié)點緩存空間受限時,機會性網(wǎng)絡編碼的性能增益將會受到影響。即使節(jié)點資源無限大,現(xiàn)有的機會性網(wǎng)絡編碼解碼包池緩存機制會帶來更大的網(wǎng)絡開銷、從而降低網(wǎng)絡吞吐率。為了解決這

4、一問題,本文提出了一種機會性網(wǎng)絡編碼框架來優(yōu)化緩存資源的解碼效用。通過分析,我們將緩存資源與解碼性能之間的關系歸結為一個最優(yōu)化數(shù)學模型。通過這個優(yōu)化模型,我們推導出一系列的緩存規(guī)則,并提出了一種分布式的機會性網(wǎng)絡編碼緩存策略。仿真結果證實了該模型的有效性,并證明該策略可以有效改善節(jié)點緩存資源利用率,提高機會性網(wǎng)絡編碼性能增益。
　　對于機會性網(wǎng)絡編碼在受干擾無線網(wǎng)絡中的應用,現(xiàn)有機會性網(wǎng)絡編碼架構通過偽廣播一次性將一個編碼包投遞至

5、多個接收節(jié)點,并依賴于捎帶在數(shù)據(jù)包包頭中的異步ACKs來確認接收。在給定時間內未被確認接收的數(shù)據(jù)包將被再次插入發(fā)送隊列、編碼發(fā)送。這種機制在丟包無線網(wǎng)絡中容易由于數(shù)據(jù)包的丟失和延遲到達而招致大量冗余重傳、浪費網(wǎng)絡帶寬。此外,為了確保編碼包的可靠投遞,現(xiàn)有網(wǎng)絡編碼架構默認編碼節(jié)點采用最低傳輸速率來加以投遞。這樣會導致較長的傳輸時間,并增加了數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的可能。針對以上問題,我們提出了一個結合傳輸速率控制和網(wǎng)絡編碼碼字選擇的框架ORC來對

6、網(wǎng)絡層和MAC層進行聯(lián)合優(yōu)化。該框架將編碼包傳輸?shù)乃俾士刂茊栴}歸結為一個馬爾科夫決策過程,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。對于編碼包組合問題,我們將其歸結為一個最大加權團問題,并提出了一個碼的選擇算法。網(wǎng)絡仿真證實,框架ORC可以有效改善網(wǎng)絡吞吐率,降低端到端的投遞延遲。
　　現(xiàn)有機會性網(wǎng)絡編碼架構中存在的另一個問題是編碼機會不足。由于無線介質訪問

7、的隨機性和各條編碼數(shù)據(jù)流速率的不匹配,可能導致編碼機會不足,進而降低了編碼增益。主動性延遲數(shù)據(jù)包發(fā)送可以增加編碼機會,但是會增加投遞延遲,對實時應用尤為不利。為此,我們提出了一種結合調度和網(wǎng)絡編碼的框架SNC,在有延遲限制條件下最大化編碼機會。該框架由延遲數(shù)據(jù)包傳輸策略DTP和基于網(wǎng)絡編碼組的調度策略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,動態(tài)地調整可以取得的編碼度,從而最大化系統(tǒng)中的編碼機會。在此基礎上,對于每

8、一個網(wǎng)絡編碼組,調度策略GSP依據(jù)權重來調度網(wǎng)絡編碼組對應的編碼包發(fā)送,從而優(yōu)化機會性網(wǎng)絡編碼吞吐率增益。網(wǎng)絡和數(shù)值仿真證實,SNC可以最大化編碼機會,改善機會性網(wǎng)絡編碼在實時應用中的吞吐率性能增益。
　　盡管主動性推遲數(shù)據(jù)包的發(fā)送可以增加編碼機會,現(xiàn)有的工作往往局限于特定的網(wǎng)絡拓撲并具有較高的計算復雜度,不易于分布式實現(xiàn)。為此,我們提出了具有編碼意識的隊列管理機制DQM,充分開發(fā)了網(wǎng)絡編碼在存儲壓縮上的優(yōu)勢,進一步增加了編碼機會