无线mesh网络中覆盖多播流分发研究

摘要

下一代无线通信网络的设计目标是灵活方便地为用户提供互联网接入和有服务质量保障的多媒体宽带业务,无线mesh网络正是为此目的而产生的一种能够提供更大范围的无线接入新技术。与此同时,各种业务应运而生,如何有效支持以视频点播、移动学习等为代表的实时多媒体业务是无线mesh网络面临的挑战。而且这些业务对多播技术有强烈需求,因此促使本论文将覆盖多播与无线mesh网络相结合,把提高无线mesh网络中多播流的分发质量作为研究目标。
　　覆盖多播是在应用层实现多播功能,但多播流的分发质量与底层网络的拓扑结构、接入控制机制、路由等有关。而传统的分层协议架构向上屏蔽了这些因素,各层之间缺乏及时的信息交互,若采用传统的分层协议设计将会导致无线mesh网络性能的下降。为此,不少学者采用“优化理论”和“上层从底层获取信息的跨层设计”的方法,但这些方法缺乏对网络全局优化模型的指导。基于此,本论文采用网络效用最大化(Network Utility Maximization,简称NUM)的方法来研究无线mesh网络的跨层设计,提出了基于效用函数模型的多播流分发过程中的时延控制、功率控制以及链路强度控制等分布式优化算法。
　　论文首先对无线mesh网络和覆盖多播技术的应用背景、研究现状进行了综述,并归纳了面临的关键问题,分析了利用网络效用最大化架构进行跨层设计的意义。在此基础上,从以下几个方面开展了研究工作:
　　第一,针对多播流在无线mesh网络中进行分发时面临的时延问题,提出了一种联合拥塞控制和信道接入控制的跨层优化算法。通过联合优化调整多播流的速率和无线链路的信道接入概率,减少链路拥塞和冲突的发生,从而降低多播流的分发时延。并将此问题建模为网络效用最大化问题,采用基于效用的定价机制,通过拉格朗日对偶分解获得一个基于价格的分布式算法,以该分布式算法为核心进行链路的信道接入竞争控制和拥塞控制。
　　第二,为了减少链路间的相互干扰,提高多播流的分发质量,提出了将多播流分发过程中所经链路的功率消耗引入到网络效用最大化架构中,实现净效用最大化。并将此问题抽象成一个非线性优化问题,通过对偶技术将此非线性优化问题分解成若干个可分布式求解的子问题,这些子问题分别对应于传输层的流量控制和物理层的功率控制。通过联合控制,实现在链路消耗功率最小的情况下,获得最佳的多播流分发速率,从而使整个网络的性能趋于最优。
　　第三,由于覆盖多播是在应用层主机上完成多播流的复制,这就不可避免地会造成链路强度问题。链路强度大,不仅浪费链路的带宽,而且容易导致在一些链路上产生拥塞现象。为此,提出了一种跨层设计的方法来联合优化调整链路的强度。通过引入价格竞争机制,每条链路根据自身强度的大小合理定价,同时转发多播流的节点确定转发价格,每个多播流依据链路的强度价格和转发价格决定其速率大小和转发方向,从而实现链路强度控制。
　　以上研究工作得到了国家自然科学基金项目“无线mesh网交互式流媒体分发研究”(项目编号:60773193)和“基于网络效用最大化的无线传感器网络研究”(项目编号:60772088)的资助。

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1 绪论

1.1 无线mesh网络及研究现状

1.2 多播通信及研究现状

1.3 选题背景与课题意义

1.4 论文的研究内容和组织结构

1.5 论文贡献和创新点

1.6 本章小结

2 基于NUM的跨层设计理论概述

2.1 引言

2.2 研究现状

2.3 NUM的基本理论

2.4 本章小结

3时延约束下联合拥塞和竞争控制算法

3.1 引言

3.2 研究现状和问题的提出

3.3 网络模型及链路冲突图

3.4 覆盖多播流分发时延模型

3.5 问题描述

3.6 联合拥塞和竞争控制的分布式算法

3.7 仿真结果与分析

3.8 本章小结

4 覆盖多播流分发过程中功率控制

4.1 引言

4.2 研究现状和问题的提出

4.3 系统模型和问题描述

4.4 基于对偶分解的分布式算法

4.5 有反馈噪声的分布式算法

4.6 仿真分析

4.7 本章小结

5 覆盖多播流所经链路强度控制

5.1 引言

5.2 研究现状和问题的提出

5.3 网络模型及问题描述

5.4 问题求解

5.5 仿真评估

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 本论文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间相关专利及论文目录