朱平哲，劉豐年

（三門峽職業(yè)技術(shù)學院 信息傳媒學院， 河南 三門峽 472000）

隨著無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展,無線網(wǎng)絡(luò)高傳輸質(zhì)量、資源受限、拓撲變化、分布式狀態(tài)等問題日趨激烈化。［1～3］在當今環(huán)境中,無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Network,WMN）正面臨著重要的挑戰(zhàn),因為無線鏈路的各種動態(tài)（例如,有限的信道帶寬、嚴重的功率因數(shù)）會嚴重影響網(wǎng)絡(luò)性能。出于這個原因,通過廣泛的調(diào)查,多播已經(jīng)引起了對無線通信的日益關(guān)注。隨著無線通信的發(fā)展,高吞吐量多播的需求至關(guān)重要,特別是在需要高速多播傳輸?shù)姆?wù)中。網(wǎng)絡(luò)編碼（Network Coding,NC）被認為是提高通信系統(tǒng)吞吐量的有效技術(shù)。與多跳無線網(wǎng)絡(luò)中的中間節(jié)點處的傳統(tǒng)存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式相比,NC已經(jīng)運用于中間節(jié)點以顯著提高無線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。通過使用NC技術(shù)對中間節(jié)點上的接收數(shù)據(jù)包執(zhí)行代數(shù)線性/邏輯運算,可以節(jié)省帶寬以獲得更高的系統(tǒng)吞吐量。目前已有文獻提出并研究了許多基于NC的協(xié)議用于多播信道。在基于NC的WMN中,拓撲設(shè)計對系統(tǒng)吞吐量有顯著影響。在文獻［1］中,提出了迭代跨層優(yōu)化來為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃分配物理和媒體接入層資源。在文獻［2］中研究了優(yōu)化基于NC的多播的調(diào)度。拓撲被證明可以影響NC在提高系統(tǒng)吞吐量方面的效率,因為目標節(jié)點可能無法獲得足夠的線性依賴于基于NC的數(shù)據(jù)包存儲原始數(shù)據(jù)包。此外,使用WMN中的所有可用節(jié)點來支持一組目標節(jié)點的多播會導致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的能量消耗大量增加。在文獻［3］中,NC在實際無線網(wǎng)絡(luò)中的機會和適用性已被證明與拓撲設(shè)計有關(guān)。因此,拓撲設(shè)計對于基于NC的WMN來說是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),特別是對于需要高多播流量以及高質(zhì)量服務(wù)（Quality of Service,QoS）的多媒體應(yīng)用。

在本文中,我們考慮一個由多個多播集組成的WMN,其中每個源節(jié)點在多個同步節(jié)點的幫助下將數(shù)據(jù)多播到一組期望的目的節(jié)點。所提出的多播拓撲設(shè)計是一種新穎的跨層方案,研究底層的無線多播特性,同時保證多媒體用戶所需的端到端QoS。此外,所提出的設(shè)計利用了媒體訪問控制。MAC將傳輸時間、能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)速率分配給節(jié)點,而路由用于確定不同數(shù)據(jù)流的有效路徑。

一、通信冗余問題描述

通過因特網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠毡閰f(xié)議是TCP,TCP是面向連接的端到端數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,它有兩個目標：通過錯誤或丟失檢測和重傳,實現(xiàn)可靠的端到端數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制,通過丟棄數(shù)據(jù)包來指示擁塞,從而導致源自適應(yīng)地降低數(shù)據(jù)包發(fā)送率。［4～5］

TCP的未來部署預計將包括顯式擁塞通知（Explicit Congestion Notification,ECN）機制,用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時通知接收方。此機制以下列方式工作：包含在TCP數(shù)據(jù)包的標頭中的是ECN位,該位由源設(shè)置為0。如果路由器檢測到擁塞,它會將ECN位設(shè)置為1,并且稱該數(shù)據(jù)包被標記。標記的分組最終到達目的地,該目的地又向源通知標記的值,源根據(jù)標記的值調(diào)整其傳輸速率。

本文根據(jù)擁塞度劃分函數(shù)劃分擁塞程度,［6］CCM函數(shù)如下：

其中ω1、ω2、ω3分別表示由于節(jié)點負載、鏈路負載和信道干擾造成擁塞的權(quán)重,ω1+ω2+ω3= 1。LONLi表示節(jié)點負載程度,用以量化節(jié)點造成擁塞的程度；LOLLij表示鏈路負載程度；LOCLi表示信道干擾程度。

二、提出的方法

（一）網(wǎng)絡(luò)和路由模型

定義1 網(wǎng)絡(luò)模型。機會網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學模型為G=(V,E)。其中,鏈路集合E= ??{e1,e2,...,em} ,em表示網(wǎng)絡(luò)中的鏈路m,且1 ≤m≤n(n- 1 )；節(jié)點集合V=(v1,v2,...,vn),n為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù),且n>1。

定義2 路由模型。用{ei,(tsi,tei)}且1 ≤i≤n(n- 1)表示1條鏈路,tsi、tei分別為該鏈路的生成和終止時間,tei>tsi。

（二）算法理論分析

TCP協(xié)議的當前部署將所有丟失解釋為與擁塞相關(guān),無論何時通過無線信道發(fā)生丟失,TCP源都會對此做出反應(yīng),就好像它是由于擁塞而降低了數(shù)據(jù)包傳輸速率,從而導致網(wǎng)絡(luò)吞吐量的損失。已經(jīng)提出的用于緩解該問題的解決方案是通過合適的編碼和鏈路層自動重復請求（Automatic Repeat reQuest,ARQ）,但具有較低容量。［7～8］這種方法是在網(wǎng)絡(luò)層使用物理層信息（信道條件）的跨層視圖以顯著提高網(wǎng)絡(luò)層吞吐量性能的示例。TCP/IP協(xié)議?？鐚有畔⒔换ト鐖D1所示。

圖1 TCP/IP協(xié)議?？鐚有畔⒔换ナ疽鈭D

在跨層設(shè)計研究中主要涉及到均勻分布、指數(shù)分布、正態(tài)分布及馬爾可夫過程等。

若連續(xù)隨機變量X的概率密度為

則稱X服從區(qū)間[a,b]上的均勻分布,記為

若隨機變量X在區(qū)間[a,b]上服從均勻分布,則它落在[a,b]的任意子區(qū)間內(nèi)的概率與子區(qū)間的位置無關(guān),而只依賴于子區(qū)間[c,c+l]的長度l,即

然而,在實踐中,仍然存在TCP發(fā)送器可能無法完全屏蔽無線鏈路損耗的問題。這可能導致T CP擁塞控制機制對分組丟失做出反應(yīng),從而導致冗余重傳和吞吐量損失。

假設(shè)鏈路為無損鏈路。節(jié)點B需要同時傳送給節(jié)點A和C的數(shù)據(jù)分組集合為MAC（分組個數(shù)為NAC,且MAC=MAnMC）,即各個用戶數(shù)據(jù)流對網(wǎng)絡(luò)中的擁塞作出反應(yīng)并調(diào)整其傳輸速率以最小化擁塞；節(jié)點B需要分別傳送給節(jié)點A和C的數(shù)據(jù)分組集合分別為MA和M（CNA和NC為分組個數(shù)）,且0< NA≤NC。

使用網(wǎng)絡(luò)編碼之后所需要的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)為

其中,等號右端第1項表示的是節(jié)點B將MAC中的數(shù)據(jù)分組PAC直接多播給節(jié)點A和節(jié)點C的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)；第2項為節(jié)點B將MC中剩余的數(shù)據(jù)分組PC（此時MA= ?）單播給節(jié)點C所需轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),此時節(jié)點C的緩存中已有該分組；第3項為節(jié)點B分別逐一提取MA中剩余的數(shù)據(jù)分組PA和MC中剩余的數(shù)據(jù)分組PC進行異或編碼,得到編碼組合分組PA⊕PC；再將PA⊕PC分組多播給節(jié)點A和節(jié)點C所需要的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù),所以有NNCBER

三、實驗結(jié)果與分析

實驗方案以電力系統(tǒng)中應(yīng)用為例,整個區(qū)域分為5個無線傳感器子網(wǎng)絡(luò)。3類優(yōu)先級別的數(shù)據(jù)長度均設(shè)置為6個數(shù)據(jù)包,單個通信包的長度為50 B,節(jié)點占用信道的傳輸時間為2 512μs。表1為測試參數(shù),分別用λ0、λ1以及λ2表示高、中以及低優(yōu)先級別數(shù)據(jù)的產(chǎn)生率（kbit/s）。硬件環(huán)境是MacBook Pro（13",2017）,CPU_Intel Core i5/顯卡_Intel Iris Plus Graphics 640,2.3GHz,硬盤_256G/內(nèi)存_8G/。

表1 測試參數(shù)

表2和表3為測試結(jié)果?？梢钥闯?在考慮鄰近節(jié)點的通信狀態(tài),對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行擁塞避免控制時,整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能能夠得到較為明顯的提高。

表2 不考慮鄰近節(jié)點通信狀態(tài)的測試結(jié)果

表3 考慮鄰近節(jié)點通信狀態(tài)的測試結(jié)果

四、結(jié)論

造成無線網(wǎng)絡(luò)擁塞的原因具有極高的復雜性,本研究試圖概述隨著無線通信從電路交換基礎(chǔ)設(shè)施,發(fā)展到基于分組的基礎(chǔ)設(shè)施而開始發(fā)生的跨層范式轉(zhuǎn)變,結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)作通信的理念,研究基于跨層設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)通信多媒體傳輸技術(shù),為解決無線網(wǎng)絡(luò)擁塞問題提供了新的方向。針對無線網(wǎng)絡(luò)通信過程中網(wǎng)絡(luò)擁塞頻繁發(fā)生的情況,提出了一種新穎的網(wǎng)絡(luò)編碼和跨層設(shè)計結(jié)合的高效路由算法,以根據(jù)各種服務(wù)質(zhì)量約束混合網(wǎng)絡(luò)吞吐量,對網(wǎng)絡(luò)擁塞進行有效處理。跨層網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢似乎是真實的,并且隨著通過WLAN接口提供的容量接近可通過因特網(wǎng)主干處理的容量水平而變得越來越重要。