无线Mesh网络中面向网络编码的调度机制研究

摘要

无线Mesh网络由一组具有动态组网能力且无需基础设施支撑的可移动终端组成。与Ad hoc网络相比，无线Mesh网络由于具有大容量、高速率、低成本以及可扩展性好等优点，近年来得到工业界和学术界的广泛关注，并成为商业化“最后一英里”无线宽带热门接入技术。随着物联网的发展和无线频谱资源需求的日益增加，无线Mesh网络被广泛应用于城域网无线接入、车载通信和智能终端等方面。 随着大数据网络通信时代的到来，无线多媒体业务正取代传统的语音和数据通信业务成为网络业务的主流。如何满足用户日益增长的带宽需求是研究者需要考虑的重要课题。尽管近年来相关学者提出多种提高无线Mesh网络吞吐量的技术方案，但是现有研究方案对不同技术方案应用时相互作用（如网络编码和空分复用调度，功率控制和网络编码）的研究较少。此外，现有基于无线Mesh网络调度的研究大都假设网络信道状态信息是可预先获知的，然而，实际无线网络信道环境实时变化，信道状态较难预测。同时，随着物联网相关研究如火如荼地进行，移动终端将越来越多地反映人的社会属性，这对新兴社交网络环境下的通信研究提出了挑战。 本文针对上述问题和挑战，分别从基于信道增益和网络编码的调度机制、马尔科夫模型下基于网络编码的调度机制、多射频多信道多速率网络编码感知的调度机制、而向社交网络和网络编码的调度机制四方面对无线Mesh网络中面向网络编码的调度机制进行研究。本文的主要工作和取得的创新成果如下: (1)由于无线信道环境实时变化，信道状态较难预测，第2章提出基于无线信道增益和网络编码的机会调度方案和功率分配方案。本章首先基于模拟网络编码(Analog Network Coding，ANC)和时分广播(Time Division BroadCasting，TDBC)的网络模型提出一种采用滑动采样窗口的中断概率闭式解表达式，进而对无线信道增益进行估计。本章提出的信道增益估计策略能够适应网络动态变化，同时相比基于底层信息采集的方案，具有简甲.易行且不受网络拓扑局限等优点。然后，本章提出一种基于无线信道增益的机会调度方案，目标是最大化网络传输速率。最后，本章研究了ANC和TDBC方案中节点的能耗感知功率分配方案，目标是最小化网络传输总功率。 (2)第3章提出面向物理层网络编码(Physical-Iayer Network Coding，PNC)的调度机制，目标是高效地利用无线频谱资源，进而提高网络吞吐量。本章考虑了较双向中继信道传输更复杂的网络传输形式，其中多个节点同时向中继节点发送信息，并基于马尔科夫链进行链路机会调度，其中马氏链的状态为中继节点当前时刻能够接收到源节点发送的数据包个数。接着本章推导了马尔科夫过程各种状态下的转移概率，并对信道状态在对称和非对称情况下所获得的网络吞吐量进行了研究。本章提出的机制在非对称信道状态较对称信道状态在能耗方面更加具有优势，由于大部分网络的信道状态是非对称的，该机制具有广阔的应用场景。 (3)尽管传输技术融合可以大幅提高网络性能，但是如何处理不同传输技术应用时相互作用方面的相关研究才刚刚起步。为了最大化网络吞吐量，第4章提出多射频多信道多速率网络编码感知的调度机制，该机制支持不同中继传输方式。本章首先提出一种多速率网络编码感知的调度方案，该方案考虑了网络编码和空分复用的相互作用。由于该问题计算复杂度较高，本章基于列生成算法对该方案进行求解，并提出一种启发式算法对列生成的子问题进行简化，目标是进一步降低计算复杂度。接着本章提出一种虚拟链路融合机制，将不采用网络编码但从同，一源节点发送到多个口的节点的单播传输扩展为多播传输。最后，将单射频单信道的网络扩展到多射频多信道网络，由于信道分配问题计算复杂度较高，本章采用启发式算法对该问题进行求解。 (4)为了对物联网传输中的网络个体进行调度，第5章研究面向社交网络和网络编码的调度机制。本章首先对网络节点的社会属性进行建模，接着提出一种基于经济学双边拍卖模型的中继节点选择策略，该方案鼓励将长距离单跳通信的链路分解为多跳中继转发的链路，降低网络传输干扰的同时将创造出更多链路融合和中继选择机会，从而提高中继节点采用新兴传输方式的可能。随后，本章建立基于社交网络和网络编码的自适应调度传输机制，目标是最大化社会福利和网络吞吐量。由于建立的最优化模型计算复杂度较高，本章最后基于仿生学的萤火虫算法对该问题通过迭代算法进行求解。 为了验证和评估上述机制的性能，本文采用C++和Qualnet仿真软件搭建了仿真平台。仿真结果表明，与现有研究方案相比，本文所提出的方案和算法是有效的，具有更好的网络性能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景与研究意义

1．2无线Mesh网络研究概述

1．2．1无线Mesh网络的结构

1．2．2无线Mesh网络的特征

1．2．3无线Mesh网络的应用

1．2．4无线Mesh网络面临的挑战

1．3面向网络编码的调度机制相关研究概述

1．3．1链路调度研究概述

1．3．2网络编码研究概述

1．3．3跨层设计研究概述

1．4论文主要创新点

1．5本文的内容安排

1．6课题来源

第2章基于信道增益的双向无线网络调度机制

2．1研究背景

2．2问题描述与网络模型

2．2．1 ANC网络模型

2．2．2 TDBC网络模型

2．3网络中断概率估计

2．3．1转移概率估计

2．3．2采样窗口设置

2．3．3信道估计机制描述

2．4基于信道增益的机会调度方案

2．5基于能耗感知的最优功率分配方案

2．5．1基于ANC的最优功率分配方案

2．5．2基于TDBC的最优功率分配方案

2．6仿真实现与性能分析

2．7本章小结

第3章基于马尔科夫模型的无线网络调度机制

3．1研究背景

3．2基于马尔科夫模型的链路调度

3．3状态转移概率计算

3．4接收信号判决

3．5仿真实现与性能分析

3．6本草小结

第4章基于网络编码感知的调度机制

4．1研究背景

4．2网络编码感知的调度机制最优化建模

4．2．1优化目标及约束条件

4．2．2中继选择方式约束条件

4．2．3功率传输约束条件

4．3基于列生成的最优化问题求解

4．3．1主问题描述

4．3．2子问题描述

4．3．3基于启发式算法的子问题求解

4．4基于虚拟多播的启发式中继方式选择

4．5多射频多信道下网络传输性能

4．5．1多射频多信道约束条件

4．5．2基于启发式算法的问题求解

4．6仿真实现与性能分析

4．7本章小结

第5章面向社交网络的编码感知调度机制

5．1研究背景

5．1．1协作通信概述

5．1．2社交网络概述

5．2问题描述

5．3基于社交网络的中继节点选择机制

5．3．1节点社会属性描述

5．3．2基于双边拍卖模型的中继节点选择策略

5．4网络编码感知的自适应调度机制

5．4．1通信传输约束条件

5．4．2中继选择方式确定

5．5基于萤火虫算法的最优化问题求解

5．5．1萤火虫算法简介

5．5．2萤火虫算法建模和问题求解

5．5．3基于萤火虫算法的调度机制求解

5．5．4基于萤火虫算法的修复策略

5．6仿真实现和性能分析

5．7本章小结

第6章论文总结与展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间取得的成果

作者简介