基于喷泉码的无线多播协议的分析、设计与验证

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一对多的通信中,多播相比单播具有时延小和系统吞吐量大的优势。但是,应用传统反馈重传机制实现可靠多播时易引起反馈风暴。喷泉码作为一类纠删码应用于可靠多播中可有效缓解反馈风暴问题。因此研究复杂度低且具有无码率性的喷泉码以及应用于多播协议的途径具有重要意义。本文首先分析和比较现有各类纠删码方法。接着,设计多播传输实验方案,进而对比分析喷泉码和RS码应用于可靠多播时在吞吐率等方面的性能,以作为设计基于喷泉码的多播协议的基础。然后,对无线多播协议的反馈机制与喷泉码应用进行理论分析和实验测试,并以增大系统吞吐率为目标设计出适用于多播的特殊喷泉码以及相应的反馈机制。最后,本文通过实物测试进一步验证和完善了实际应用中的无线多播系统和多播协议。本文主要工作成果特点归纳如下。第一,面向无线多播的喷泉码设计。首先,通过分析和测试多种典型纠删码的编译码复杂度和译码成功率,确定以Raptor10编码结构为基础设计一类喷泉码。然后,提出了一种基于行重均值的贪婪算法以选取喷泉码的度分布,并进一步给出了编码矩阵的构造方法。最后,设计了一种合并矩阵方式,能够简化喷泉码编译码过程,从而减小喷泉码编译码耗时。第二,无线多播协议设计。首先,分析和测试了NORM协议的反馈机制和参数设置方法,指出NORM协议不能发挥喷泉码的优势。接着,以否认应答NACK为基础,通过延后接收端发送反馈信息的时间,设计了一种碰撞概率更小的反馈机制。最后,利用NACK信息,提出一种基于丢包率的贪婪算法自适应调整编码参数,并最终得到与喷泉码匹配的无线多播协议。第三,无线多播协议实现。设计了无线多播协议的软件框架,完成了编译码程序的编写和调试。此外,基于树莓派构建出一个无线多播传输平台,并在其上完成了程序测试。测试结果显示,本文设计的无线多播协议能够支持一对多的传输,并且当接收端数量为50时,吞吐率比TCP协议高449.76%,比NORM协议高175.88%。本文研究成果集中体现为一套具有自主知识产权的无线多播传输程序,并在实际空口测试中获得了较好的性能,从而为后续的无线多播协议标准化奠定了技术基础。
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