基于网络编码的无线Mesh网络传输技术研究

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近年来,无线网络技术发展迅猛,特别是无线网状网(Mesh)的出现使人们体验到了网络无处不在的便捷,它无需基础设施、高度自愈、灵活、易扩展。但是随着人们对网络的服务质量要求越来越高,已有的无线Mesh网络的传输方式越来越支撑不了人们日益增长的服务需求。利用现有的技术来提高Mesh网络的传输性能,是Mesh网络发展的必然趋势。2000年,香港中文大学的Ahlswede提出网络编码理论,将传统节点的转发方式“存储—转发”,变为“存储—编码—转发”,网络编码的最大优势是可以使网络流量达到最大流最小割定理规定的上限。无线网络因其信道的广播特性成为网络编码应用的首选领域。网络编码在无线Mesh网络中的研究主要侧重于两方面:(1)Mesh骨干网中支持网络编码的路由算法研究。(2)Mesh客户网中利用网络编码保证数据可靠传输的研究。针对以上两点,本文做了以下研究工作:首先,介绍了网络编码理论的基本原理以及在无线Mesh网络路由技术和可靠性保证技术方面的应用,重点分析了经典COPE(Complete Opportunity Encoding)编码策略及其改进策略,指出COPE编码应用的局限性。其次,Mesh骨干网中,COPE等现有的编码路由策略基于先验式路由思想,针对节点被动等待编码机会的不足,本文将网络编码与逐跳路由相结合,提出一种适用于网络编码的路由算法IRANC(Improved Routing Algorithm for Network Coding)。它的主要设计包括感知局部拓扑、数据缓存、编解码判断、数据转发调度、可靠确认五个部分。在数据传输的过程中,网络中潜在的转发节点会利用冗余数据包来判断编码条件,抓住编码机会,形成有利于编码的拓扑结构,改变数据流的路径,以便利用网络编码,提高传输性能。再次,针对Mesh客户网中的广播重传问题与COPE中缺少数据包最优组合策略的问题,分析了肖潇等人的基于网络编码的高效广播重传策略NCWBR(Network Coding Wireless Broadcasting Retransmission),探究了 NCWBR 策略中出现对同一个丢失数据包进行多次组合才能被重传成功的问题的根本原因,并对NCWBR方法进行改进,提出一种优化的丢失包编码组合方法,并将该方法应用于Mesh客户网的重传过程中,提出一种基于网络编码的高效Mesh网络广播重传策略 HMBRS(A High Efficiency Mesh Broadcasting Retransmission Schema Based on Network Coding)。最后,用NS2做仿真实验,对NS2网络仿真器中的节点结构进行扩展,增加了编码、解码组件和用于编码的数据包缓存队列。对COPE、NCWBR及IRANC、HMBRS等方法进行仿真分析,证明本文的IRANC算法可以增加编码利用机会,增加数据的投递率和网络吞吐量。同时,证明了利用优化组合编码包的HMBRS重传策略在重传次数和吞吐量上比NCWBR策略体现出更多的优势。
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